[发明专利]高电流密度的硫酸锌镀锌方法与组合物

说明书

本发明的领域是一种用作高电流密度硫酸锌电镀液添加剂的物质组合物以及采用这一组合物的方法，采用该组合物的目的是为了减少高电流密度枝晶的形成和边缘烧灼，控制由这种电镀液获得的锌镀层的高电流密度粗糙度、晶粒度以及晶粒取向。

在铁类金属如钢上用电解方法施加耐腐蚀锌涂层，已经广泛应用于需要耐腐蚀的许多工业，例如汽车工业。

锌对铁类金属提供牺牲性腐蚀防护，因为只要仍有一些锌保留在被防护的区域，锌对于它所防护的基材金属来说总是阳极的。在沉积镀层中有小孔或不完整的地方，这关系不大。在大多数工业过程，例如用于汽车工业和钢管工业的连续钢材的电镀中，锌是连续镀上去的。广泛采用酸性的氯化物镀液和硫酸盐镀液，因为它们比氰化物镀液更能适合于高速电镀。

这两种镀液已经取代了氰化物镀液，因为环境保护局(EPA)的法规要求减少乃至消除氰化物的排放。氰化物镀液包括含有铵离子和螯合剂的中性氯化物镀液和pH值约为3.0-5.5的用钾离子取代中性镀液中所用的铵离子的酸性氯化物镀液。在实际使用中，酸性液已大多取代了中性液。

关于铁类金属上锌沉积物的ASTM标准规定了厚度约为5-25μm，视其预期工作条件的苛刻性而异。见ASTMB633-78，Specifi-cation For Electrodeposited Coatings of Zinc On Irom and Steel。

锌之所以从水溶液中析出，这是由于氢的过电位很大的缘故，因为若在平衡条件下是氢而不是锌会析出的。

用于这些电镀过程的电镀槽，其容量大约为5,000至300,000加仑，既可用于镀锌，也可用于镀锌合金如锌镍合金。这是连续电镀浴，可适用于直径约为8英尺的钢辊，其速度大约为200-850英尺/分，镀层重量约为20-80克/米²，镀层厚度约为6-10微米。溶液流动速率约为0.5-5米/秒。

要电镀的钢材被拉伸绕在导电的辊子上，要对辊子压紧以保证充分的接触。可溶的锌阳极或不溶的覆有氧化铱的钛阳极则浸在镀浴中靠近电镀辊的地方。若进行的是锌镍合金电镀，在系统中还要加入碳酸镍。阳极电流密度根据阴极电流密度来变化。

但是，在高电流密度情况下可能发生锌电镀层的过度增厚。这是因为如果被镀的是很窄的钢带，则电镀装置中就会出现阳极的过剩，因而引起过高电流密度的缘故。但又不可能为此除去过剩的阳极，因为下面接着要电镀的钢带可能又是大尺寸的。由于电镀作业线机械上的原因，要除去或增添阳极来适应要电镀的不同尺寸的钢带基材，这是太不方便的。使用的电流密度范围约为50-100安/分米²(400-1,000安/英尺²)，这也是造成在钢带基材的边缘上产生锌电镀层过度增厚现象的原因。可以通过调节溶液的导电率、采用较近的阳极阴极距离，以及采用较高的溶液流量，来照应到如此高的电流密度。

另一个比较大的问题是高电流密度〔HCD〕会在被电镀的钢带边缘上产生枝晶形式的沉积物从而使镀层粗糙。这些枝晶沉积物在电镀过程或清洗过程中会裂开。当已电镀锌的钢带在辊子上绕过受压时，即些松散的枝晶就会嵌埋在电镀的基材中，以后会以缺陷的形式出现，这种缺陷被称为“锌粘着”。而且被电镀的钢带的边缘，在厚度上也不均匀，并且由于高电流密度的操作条件会发生烧灼。此外高电流密度的操作条件还会在钢带的宽度上引起粗糙度，并且会改变锌镀层的晶粒度和粒晶取向。尽管如此，采用高电流密度的操作条件在工业上还是可取的，因为生产速率与电流密度直接有关，用了高的电流密度，即可获得高的电镀生产线速度。

因此，人们使用了各种不同的晶粒细化剂〔GR〕和抗枝晶剂〔ADA〕来部分地解决上述问题。但厚度不匀、边缘粗糙和边缘烧灼这些问题未能全部解决，结果大多数工业的做法是将钢带在电镀以后，进行切边处理。目前是用金刚石刀来切边。也可用其它的机械方法来除去锌电镀层的过度增厚。添加GR添加剂和ADA添加剂也不能完全解决高电流密度引起的锌镀层的粗糙度、晶粒大小和取向的问题。

已经发现，若采用某些标准的GR或ADA材料，这些添加剂的浓度低时，钢带会呈现显著的HCD烧灼，而浓度高时仍会观察到镀层的结节现象或HCD粗糙度。