鍍鋅鋼板電鍍前處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

劉林森1 ，薛雯娟1 ，王開陽(yáng)1 ，蔣顯全1，2 ，程仁菊1 ，劉文君1

( 1. 重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶401123; 2. 西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶401123)

[摘要] 我國(guó)電鍍鋅鋼板市場(chǎng)需求供不應(yīng)求，但是由于質(zhì)量因素和制造工藝水平的制約，我國(guó)需要進(jìn)口大量電鍍鋅鋼板。而電鍍的質(zhì)量與電鍍前處理息息相關(guān)，電鍍前處理包括粗糙表面的整平、除油和除銹。對(duì)目前電鍍前處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展做了簡(jiǎn)述。

[關(guān)鍵詞] 電鍍; 前處理; 電化學(xué); 進(jìn)展

[中圖分類號(hào)] TQ639. 1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1001 - 1560( 2013) 增刊1 - 0096 - 03

0· 前言

電鍍鋅鋼板具有良好的耐腐蝕性、加工性、可焊性和涂漆性，主要用于汽車、家電、電子、輕工業(yè)等行業(yè)[1 ，2]。隨著我國(guó)汽車、家電、電子行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)電鍍鋅鋼板市場(chǎng)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的情況[3]。由于質(zhì)量因素和制造工藝水平的制約，使我國(guó)電鍍鋅鋼板產(chǎn)品仍以進(jìn)口為主。電鍍前處理主要包括粗糙表面的整平、除油、除銹( 又稱活化、浸蝕) 。除銹即除去表面的氧化物、銹蝕物、鈍化膜等( 包括強(qiáng)浸蝕、電化學(xué)浸蝕和弱浸蝕) 。若電鍍之前，工件表面不清潔或者有銹、油等，則沉積出來(lái)的鍍層與基體結(jié)合不牢，輕者起泡，重者起皮、脫落，且鍍層往往是不連續(xù)的，甚至是疏松的。電鍍前處理不當(dāng)，得不到合格的電鍍層，造成材料和能源的浪費(fèi)。因此，電鍍前處理技術(shù)對(duì)于電鍍質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

1· 電鍍前處理技術(shù)

1. 1 粗糙表面的整平

目前，國(guó)內(nèi)外粗糙表面常用的整平技術(shù)主要有磨光、拋光、滾光、噴砂等方法，拋光分為機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電解拋光。

化學(xué)機(jī)械拋光( CMP) 技術(shù)最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代中期，由IBM 公司利用Strasburgh 公司生產(chǎn)的拋光機(jī)在EASTFISHKILL 工程進(jìn)行CMP 工藝開發(fā)的。目前，CMP 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成以化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為主體，集在線檢測(cè)、終點(diǎn)檢測(cè)、清洗、甩干等技術(shù)于一體的化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)[4]。這對(duì)精密元件和器件，如集成電路、半導(dǎo)體元件表面清洗有著生產(chǎn)效率高，表面清潔度好，但投資大，對(duì)于拋光介質(zhì)要求嚴(yán)格。

表面滾磨光整加工技術(shù)[5]: 將零件置于盛有加工介質(zhì)( 磨塊、磨劑、水等) 的容器中，加工時(shí)，通過(guò)零件和磨塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使處于游離狀態(tài)的磨塊以一定的力對(duì)零件表面進(jìn)行碰撞、滾壓、滑擦、刻劃的微量磨削作用，改變零件表面的幾何特征，從而降低表面粗糙度值，增加表面輪廓支承率，改變表面紋理，去除毛刺等，改善表面層的物理力學(xué)性能，提高表面顯微硬度，表面形成變質(zhì)層，改善表面應(yīng)力狀態(tài)等，提高零件的清潔度，綜合改善零件的表面完整性，提高零件及其產(chǎn)品的使用性能和壽命，達(dá)到對(duì)零件表面光整加工的目的。目前，表面滾磨光整加工技術(shù)還停留在定性的理論研究、實(shí)驗(yàn)分析的階段。如何對(duì)其定量化研究、開發(fā)適用于特殊零件的表面滾磨光整工藝仍是難題。復(fù)合光整加工方法有利于優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是表面滾磨光整加工的一個(gè)發(fā)展方向。

針對(duì)傳統(tǒng)的拋光方法在加工過(guò)程中無(wú)法對(duì)加工過(guò)程和主要的參數(shù)進(jìn)行精密的控制以致無(wú)法實(shí)現(xiàn)確定性的加工提出來(lái)的，確定性拋光技術(shù)就是采取各種各樣的手段對(duì)諸如拋光速率、傾斜角度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素實(shí)現(xiàn)對(duì)拋光過(guò)程的控制[6]，目前，這類技術(shù)主要有磁流變拋光、離子束拋光、磁射流拋光、氣囊拋光等確定性拋光方法。

電化學(xué)拋光是在一定電解液中金屬工件作為電極，使其表面粗糙度下降，光亮度提高，并產(chǎn)生一定金屬光澤的技術(shù)[7]。該技術(shù)由R. Winer 等人在銀電化學(xué)拋光方面的第一個(gè)專利首次提出[8]。法國(guó)P. A. Jacquet 在銅和鎳方面的研究把該技術(shù)推廣到工業(yè)化[9]。電化學(xué)拋光與化學(xué)、機(jī)械拋光相比，能夠處理機(jī)械拋光、化學(xué)拋光無(wú)法拋到的凹處，而且內(nèi)外色澤一致，光澤持久，生產(chǎn)效率高，成本低廉和去除應(yīng)力集中的效果。因此，電化學(xué)拋光應(yīng)是未來(lái)拋光領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)方向。

目前，趙峰等[10]在文中提出了幾種新型的復(fù)合電化學(xué)拋光技術(shù)。磁場(chǎng)輔助電化學(xué)拋光是指在電化學(xué)拋光時(shí)，在電極間引入外加磁場(chǎng)，使得陽(yáng)極電解溶解的金屬離子在洛侖茲力和電場(chǎng)力的共同作用下改變其運(yùn)動(dòng)軌跡與速度，最終實(shí)現(xiàn)降低材料表面粗糙度的一種復(fù)合拋光新技術(shù)。超聲波電化學(xué)拋光是將電化學(xué)作用與超聲波振動(dòng)作用相結(jié)合的一種復(fù)合拋光技術(shù)，可大大提高拋光效率[11]。脈沖電化學(xué)拋光是采用脈沖電源代替直流電源，利用非線性電解液、工具陰極與工件陽(yáng)極之間保持較小的加工間隙的一種工件表面拋光方法。

1. 2 除油

除油，又稱脫脂，在進(jìn)行電鍍之前，必須清除零件表面上的油污，除油效果直接影響電鍍質(zhì)量。工件表面的油脂主要是各種碳?xì)浠衔铮行┡c堿不起反應(yīng)，不可皂化，故稱為非皂化油，去除這種油只能依靠乳化或溶解作用來(lái)實(shí)現(xiàn); 而另一些油與堿發(fā)生皂化作用，稱為皂化油，可通過(guò)皂化、乳化和溶解作用去除這種油。常用的除油方法有: 物理機(jī)械法除油、有機(jī)溶劑除油法、化學(xué)除油法、電化學(xué)除油法以及上述方法的聯(lián)合法。

電化學(xué)除油是在堿性溶液中，以零件為陽(yáng)極或陰極，采用不銹鋼板、鎳板、鍍鎳鋼板或鈦板為第二電極，在直流電作用下將零件表面油污除去的過(guò)程。電化學(xué)除油液與堿性化學(xué)除油液相似，但其主要依靠電解作用強(qiáng)化除油效果，通常電化學(xué)除油比化學(xué)除油更有效，速度更快，除油更徹底。

電化學(xué)除油除了具有化學(xué)除油的皂化與乳化作用外，還具有電化學(xué)作用。在電解條件下，電極的極化作用降低了油與溶液的界面張力，溶液對(duì)零件表面的潤(rùn)濕性增加，使油膜與金屬間的黏附力降低，使油污易于剝離并分散到溶液中乳化而除去。在電化學(xué)除油時(shí)，不論是制件作為陽(yáng)極還是陰極，其表面上都有大量氣體析出。當(dāng)零件為陰極時(shí)( 陰極除油) ，其表面進(jìn)行的是還原反應(yīng)，析出氫氣; 零件為陽(yáng)極時(shí)( 陽(yáng)極除油) ，其表面進(jìn)行的是氧化反應(yīng)，析出氧氣。電解時(shí)金屬與溶液界面所釋放的氧氣或氫氣在溶液中起乳化作用。因?yàn)樾馀莺苋菀孜皆谟湍け砻?，隨著氣泡的增多和長(zhǎng)大，這些氣泡將油膜撕裂成小油滴并帶到液面上，同時(shí)對(duì)溶液起到攪拌作用，加速了零件表面油污的脫除速度[12]。

1. 3 除銹

最常用的除銹方法是浸蝕法與機(jī)械法。浸蝕主要有化學(xué)浸蝕和電化學(xué)浸蝕。浸蝕過(guò)程中往往還采用電解及超聲波振蕩等輔助措施，以達(dá)到去除某些較厚致密的氧化皮的目的。

電化學(xué)浸蝕利用直流電( 也可用交流電) ，在浸蝕液中去除金屬表面的氧化皮、廢舊鍍層及其他腐蝕產(chǎn)物。零件作為陽(yáng)極時(shí)成為陽(yáng)極浸蝕，零件作為陰極時(shí)成為陰極浸蝕，或陰極-陽(yáng)極聯(lián)合浸蝕。零件在陽(yáng)極依靠電化學(xué)溶解、電極上析出氧氣的機(jī)械剝離以及化學(xué)溶解作用將氧化物除去，所以浸蝕速度快、表面質(zhì)量好，不存在氫脆和雜質(zhì)在零件表面沉積，在生產(chǎn)上應(yīng)用得較多，但不可避免基體金屬的溶解。

零件的陰極浸蝕，主要是依靠電極上析出氫氣的機(jī)械剝離和化學(xué)溶解作用、氫對(duì)氧化物的還原作用等。不存在電化學(xué)溶解，大大降低了基體金屬過(guò)腐蝕的危險(xiǎn)。但因大量析出氫帶來(lái)了嚴(yán)重的氫脆問(wèn)題，高強(qiáng)度鋼及對(duì)氫脆比較敏感的合金鋼及彈簧等不宜采用陰極浸蝕。

黑色金屬可在硫酸液中先在陰極進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的浸蝕，將氧化物基本除凈。然后轉(zhuǎn)向陽(yáng)極短時(shí)間浸蝕，溶去在陰極浸蝕時(shí)附著在零件表面上的沉積物，并能減少氫脆的危害。這樣可以同時(shí)利用陰陽(yáng)極浸蝕的優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，液體等離子體技術(shù)[13]被用來(lái)進(jìn)行金屬表面的清洗和表面涂層處理。液體等離子體清洗的工作原理為將一種中性導(dǎo)電水溶液噴灑在生銹的金屬表面上或者將生銹的金屬浸泡在導(dǎo)電水溶液中，將生銹的金屬設(shè)定為陰極，在直流或交流電場(chǎng)作用下，在金屬表面產(chǎn)生等離子體，導(dǎo)致局部高溫將金屬銹去除。應(yīng)用此技術(shù)可取代目前清洗行業(yè)的酸堿洗滌，改善工人勞動(dòng)環(huán)境，減少環(huán)境污染和降低廢棄物的排放。

金屬前處理要根據(jù)具體要求而定，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)金屬種類和金屬表面狀況，而選用合適的電鍍前處理方法，或幾種組合運(yùn)用。

2 ·結(jié)語(yǔ)

( 1) 我國(guó)汽車、家電、電子行業(yè)發(fā)展迅速，由于質(zhì)量因素和制造工藝水平的制約，需要大量進(jìn)口電鍍鋅鋼板，電鍍前處理技術(shù)與電鍍質(zhì)量息息相關(guān)。

( 2) 電鍍前處理主要包括粗糙表面的整平、除油和除銹。電鍍前處理要根據(jù)不同的金屬和不同的金屬表面情況，確定一種合適的電鍍前處理方法，或者幾種前處理方法組合運(yùn)用。

( 3) 電化學(xué)方法能夠達(dá)到整平粗糙表面、除油和除銹的目的，減少了電鍍前處理的工序，提高了效率節(jié)約了成本，保護(hù)了環(huán)境，是電鍍前處理一種非常有效、經(jīng)濟(jì)的方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Quinson J F，Roisne V. Development of Hetero Poly Coatings on

Electro- galvanized Steel Journal of Sol -Gel [J] . Science and

Technology，1999，23: 779 ～ 782.

[2] 楊冬華，強(qiáng)文華. 2005 年國(guó)內(nèi)鍍鋅板帶需求預(yù)測(cè)[J]. 冶金經(jīng)濟(jì)與管理，2001，20( 3) : 265 ～ 291.

[3] 謝艷峰，肖迪. 我國(guó)電鍍鋅板帶市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究[J]. 第七屆( 2009) 中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集，284 ～ 293.

[4] 童志義. 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備， 2004，113: 1 ～ 6.

[5] 都春義. 表面滾磨光整加工的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2012，3: 18 ～ 23.

[6] 計(jì)時(shí)鳴，杜學(xué)山. 確定性拋光綜述[J]. 航空精密制造技術(shù)，2010， 46( 6) : 1 ～ 12.

[7] 謝格列夫著，鞏德全譯. 金屬的電拋光和化學(xué)拋光[M]. 北京:科學(xué)出版社， 1961: 154 ～ 156.

[8] Winer R，Metalloberfache[M]. 1973，27: 411.

[9] Figout H，Jacquer P A. French patent[P]. 1930，No. 707526.

[10] 趙峰，楊艷麗. 電化學(xué)拋光技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19( 2) : 39 ～ 41.

[11] 張文玉. 超聲波- 電化學(xué)拋光技術(shù)在模具中的應(yīng)用[J]. 機(jī)床與液壓，2003( 4) : 300 ～ 305.

[12] 李異，李建三. 電鍍前處理與后處理[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社. 2009: 106 ～ 145.

[13] Gupta P，Tenhundfeld G，Daigle E O，et al. Electrolytic plasmate

chnology: Science and engineering - An overview[J]. Surface and

Coatings Technology，2007，201: 8 746 ～ 8 760.