电镀锌磷化产品工艺与质量稳定控制

供稿|孙晨航，曹洋

作者单位：本钢浦项冷轧薄板有限责任公司，辽宁 本溪 117000

内容导读

本钢电镀锌生产线在磷化生产过程中，由于设备功能欠缺和生产技术支撑缺失，电镀锌机组只能生产对质量要求较低的磷化建材和耐指纹家电产品，磷化汽车板生产较少且生产工艺等方面一直处于初步摸索阶段，无法形成常态化生产。本文通过磷化生产工艺的优化和设备的改造，磷化产品的合格率由60%提高到95%，颜色由黑暗提升至浅灰光亮，磷化的表面质量均匀无磷化条痕、斑迹等缺陷，磷化膜厚稳定在1.6 g/m2，满足了电镀锌汽车板的供货要求。

电镀锌汽车板主要应用在奔驰、宝马、奥迪等高档汽车外板，本钢电镀锌机组自2018年一直致力于生产高档汽车产品，但电镀锌磷化汽车板产品仍处于研发阶段，质量还不稳定，不论从工艺开发还是设备稳定等方面仍制约着电镀锌磷化汽车板的生产。

由于设备功能欠缺和生产技术支撑缺失，电镀锌机组只能生产对质量要求较低的磷化建材和耐指纹家电产品，磷化汽车板生产较少，生产工艺等方面一直处于初步摸索阶段，无法形成常态化生产，本钢电镀锌拥有国内除宝武集团外惟一一条18个镀槽的大型机组，是具备生产高档汽车板资格的产线，提高本钢电镀锌磷化汽车板的生产能力可促进本钢优质产品占领电镀锌市场。

影响磷化产品质量的原因

电镀锌产线在磷化生产过程中存在颜色深浅不一、膜厚波动范围大、无法持续性生产等问题，并且存在磷化斑迹、白条等缺陷，严重制约了电镀锌磷化产品的合格率和客户满意度。机组通过磷化工艺范围、磷化持续性控制、磷化质量提升等三方面进行优化，改善磷化产品的质量。

磷化工艺优化

磷化液总酸浓度控制

磷化生产过程中发现，电镀锌每批次生产的产品颜色深浅不一，虽然颜色一般并不作为汽车板客户的要求，但是出于对产品表面均匀美观度的考虑，钢铁企业需要追求预磷化板颜色的相对稳定。通过分析，影响磷化产品颜色问题的主要因素是磷化液的总酸浓度控制。

总酸是反映磷化液浓度的一项指标。控制总酸的意义在于使磷化液中成膜离子浓度保持在必要的范围内。总酸浓度的提高可以加快磷化反应的进行，但是过高时，虽然可以生成外观较好的磷化膜，但品粒粗大，附着力较差；而品粒粗大对于预磷化板耐蚀性是不利的。通过设计不同总酸浓度产出的样板颜色实验，与标样颜色对比，确定出最优总酸控制范围(表1)。

表1 总酸浓度对样板的影响

从表1实验数据得出，当总酸控制在25～35 g/L时，板面质量和颜色均达到标准水平。图1为总酸浓度由20～40 g/L的样板对比图。

图1 不同总酸浓度下的样板对比图

实际生产中磷化液总酸浓度只能通过电导率来控制，通过电导率与总酸浓度对应实验，得出电导率控制在35～45 mS/cm范围，磷化液的总酸浓度能够控制在25～35 g/L。为保证电导率能够真实反映总酸的控制范围，电镀锌做以下日常控制要求：

①电镀锌每月定修时，对磷化电导率计进行标定；②生产磷化时，每4 h取样对磷化液的总酸进行化验，来验证电导率计反馈的准确性。

磷化液游离酸控制

游离酸反映磷化液中游离H+的含量。控制游离酸的意义在于控制磷化液中磷酸二氢盐的离解度，把成膜离子浓度控制在一个必要的范围内。

游离酸过高会抑制Zn3(PO4)2的水解，导致成膜缓慢，结晶粗大并疏松；游离酸度过低，锌层溶解较为困难，导致成膜缓慢或难以成膜，Zn3(PO4)2沉渣增多。

磷化产品的膜厚取决于磷化液中游离酸的控制范围，标准范围在1～2 g/m2。通过对宝钢样板膜厚的检验，膜厚范围在1.4～2.0 g/m2。通过不同游离酸下膜厚的实验，确定出最优的磷化游离酸控制范围(见表2)。

表2 不同游离酸对膜厚的影响

从表2实验数据得出，当游离酸控制在2.5～3.5 g/L时，膜厚控制在1.4～1.9 g/m2范围内，并满足72 h盐雾无白锈。图2为游离酸浓度在2.5 g/L和3.5 g/L下的72 h盐雾样板。

图2 72 h盐雾实验结果：(a) 2.5 g/L；(b) 3.5 g/L

磷化产品稳定持续生产的优化

磷化浓度稳定控制的实现

磷化生产过程中频繁出现磷化颜色不均的情况，严重影响磷化生产的质量，经过电镜分析发现，这是由于磷化生产过程中磷化液的总酸和游离酸浓度波动较大造成的。

为了实现磷化浓度的稳定控制，就需要实现磷化液的定频和定量补充问题。针对此问题电镀锌机组添加了预混罐和自动加料系统来实现，并且通过通钢面积与加液速度的实验，摸索出了稳定的控制方法。

生产磷化产品时将磷化2#预混罐改成自动控制，加液量改为6 L，通钢面积设定为1000 m2。刚开始生产时磷化电导率会降低到40～45 mS/cm，如果低于40 mS/cm，需加入适量磷化开缸剂，使电导率达到40 mS/cm以上，要求每2 h化验一次磷化液和活化液，磷化液浓度总酸控制在25～35 g/L，游离酸控制在2.5～3.5 g/L，活化剂pH控制在9～11，如果总酸，游离酸都偏低，则适当补充开缸剂；如果都偏高，则排放适量液位，再补水稀释到原液位，重新化验；如果总酸偏高，游离酸正常或偏低，则排放2%液位，再补水稀释到原液位，适当降低通钢面积；如果游离酸偏高，总酸正常或偏低，则排放2%液位，再补水稀释到原液位，补充少量开缸剂并适当增加通钢面积。

生产过程中如电导率增加或降低过快，可以通过调节通钢面积解决。

电镀锌肖像镀的应用

掌握肖像镀技术，可以在线确认阳极板表面氧化铱镀膜的损伤程度。镀槽阳极板是电镀锌机组最重要的部件之一，阳极板由金属钛板表面上涂覆一层金属氧化物氧化铱构成。一般立式镀槽的阳极与带钢阴极距离很小，在7 mm左右(缩短距离，可减少溶液电阻能耗，提高电流效率)，在电镀锌生产过程中由于带钢板形不良、边浪、中浪等原因，会造成带钢表面与阳极板表面擦伤、放电烧伤，导致阳极板表面氧化铱膜损坏。同时，随着电镀锌生产时间增长，氧化铱膜也存在正常的消耗，所以镀锌槽阳极板需要定期进行修复。由于阳极板表面氧化铱涂膜质量关系到电镀锌机组镀锌电流效率、镀层均匀性，在每次定修之前的电镀锌生产结束时，要求通过肖像镀技术来确认阳极板的损坏情况，根据每个镀槽的肖像镀的完好程度，确定定修时是否对某个镀槽进行拆卸，离线更换阳极板。

之前因不掌握电镀锌肖像镀技术，必须拆解镀槽阳极箱才能确认阳极板表面氧化铱涂膜的损坏程度。这样工作量大，又不能及时发现阳极板表面是否损伤程度，不利于电镀锌较重生产和镀层质量控制。电镀技术与生产操作人员，通过学习、研究、实验，掌握了电镀锌肖像镀作业，自主设计编写运行程序，经过多次操练和生产实践，目前电镀锌机组已熟练运用肖像镀技术，为电镀锌机组长时间稳定运行打下坚实的基础。

磷化生产后清理方式的优化

磷化生产结束后，需要对磷化管路进行清理，否则生产其他产品时，磷化液会从喷梁滴落，导致磷化斑缺陷的产生。攻关前，机组需要停机，人工对喷梁管路进行清理，时间较长，大约需要8 h；攻关期间，机组根据清理要求和效果进行实验，最后采取了增加磷化喷梁的冷凝水清洗管路，在磷化生产结束后，不再需要停机，只需要1～2卷拉辊料，即可将磷化喷梁清洗干净，显著的降低了停机时间及过渡成本。

磷化质量提升的优化

磷化斑迹缺陷的消除

磷化生产过程中会出现磷化斑迹缺陷，严重影响磷化产品质量。经过跟踪查找，发现斑迹是由于活化槽和磷化槽的衔接处串液导致。为了解决串液问题，机组在活化槽和磷化槽之间增加挡板，并在下部增加隔离槽避免污染，消除了磷化斑迹缺陷。

磷化白条缺陷的消除

初期磷化生产时，磷化液刚喷洒投入时，带钢表面会出现断续无规律白条，这是由于活化与磷化挤干辊刚投入时挤干效果不良，第一段磷化液喷洒压力过大，导致磷化液和活化液在挤干辊处酸碱中和，出现白条。针对此问题，机组一方面每月定修对此处挤干辊进行拉线标高；另一方面将磷化一段的喷梁喷嘴型号缩小。通过这两方面控制，消除了白条缺陷。

磷化板面细腻度的优化

温度是成膜的关键因素。不同的配方有不同的温度要求。温度高时，磷酸二氢盐的离解度大，成膜离子浓度相应高些。

磷化温度控制在55 ℃左右，过高或过低都会导致磷化膜组织粗糙，导致表面呈现鳞片状。

为解决保温问题，机组自主在磷化循环罐和热水罐的罐体外表添加了一层防寒材料，来减缓由于气温低导致热量流失快的问题，并对蒸汽循环管路进行改造，缩短其加热时间。

结束语

通过磷化生产工艺的优化和设备的改造，磷化产品的合格率由60%提高到95%。颜色由黑暗提升至浅灰光亮，表面质量均匀无磷化条痕、斑迹等缺陷，膜厚稳定在1.6 g/m2左右，完全满足汽车板供货要求，为本钢电镀锌生产线生产磷化汽车板打下坚实的基础。