鍍鋅藍白無鉻鈍化工藝的研究

楊培霞, 崔 瑩, 劉 磊, 李迎青, 楊 朋, 安茂忠

（哈爾濱工業大學化工學院,黑龍江哈爾濱 150001）

鍍鋅藍白無鉻鈍化工藝的研究

楊培霞, 崔 瑩, 劉 磊, 李迎青, 楊 朋, 安茂忠

（哈爾濱工業大學化工學院,黑龍江哈爾濱 150001）

采用鉬酸鈉與有機酸復配,研究了鍍鋅藍白無鉻鈍化工藝。該鈍化液穩定性好且成本較低,鈍化處理工藝簡單,能夠在鍍鋅鋼板上形成光亮、均勻的藍白鈍化膜。通過CuSO4點滴實驗、鹽水浸泡實驗及電化學測試對鈍化膜的耐蝕性能進行了研究。結果表明:鉬酸鈉與有機酸復配形成的鈍化膜均勻、細致、不存在微孔及裂紋,其耐蝕性與鉻酸鹽鈍化膜的相當。該鈍化工藝有望在鍍鋅鈍化中替代鉻酸鹽鈍化工藝。

無鉻鈍化;鉬酸鈉;耐蝕性;電鍍鋅;復配

0 前言

電鍍鋅廣泛應用于汽車、建材、家用電器等領域,但鍍鋅層在濕熱環境中易發生腐蝕,為了進一步提高鍍鋅層的耐蝕性,必須對其進行鈍化處理。傳統的處理方法是采用鉻酸鹽鈍化,這種處理方法具有工藝簡單、膜結合力好、外觀美觀、耐蝕性高、有自修復能力等優點。但由于鉻酸鹽鈍化液中含有致癌物質六價鉻,對人和環境存在著嚴重的危害[1],因此近年來世界各國都在努力研究鍍鋅層的無鉻鈍化處理工藝,主要包括無機類鈍化和有機類鈍化。無機類鈍化工藝主要有鉬酸鹽鈍化[2]、鎢酸鹽鈍化[3]、硅酸鹽鈍化[4]、稀土金屬鹽鈍化[5]等;有機類鈍化工藝主要有植酸鈍化[6]、單寧酸鈍化[7]、二氨基三氮雜茂（BAT4）及其衍生物鈍化[8]、丙烯酸樹脂鈍化工藝[9]等。其中,鉬酸鹽鈍化工藝是無鉻鈍化的主要研究方向[10]。

本文致力于研究鍍鋅層無鉻藍白鈍化工藝,采用無機鹽-有機酸協同鈍化技術,以鉬酸鈉和磷酸鈉作為鈍化液的主鹽,并與有機酸進行復配。此鈍化液能夠在鍍鋅鋼板上形成藍白色鈍化膜,且鈍化膜的耐蝕性與鉻酸鹽鈍化膜的相當,有望在鍍鋅鈍化中替代鉻酸鹽鈍化。

1 實驗

1.1 實驗材料及工藝配方

基體材料采用低碳鋼片,鋅板作陽極。采用堿性鍍鋅體系,鍍液的工藝組成為:氫氧化鈉110～150 g/L,氧化鋅10～15 g/L,鍍鋅光亮劑5.5～6.0 mL/L,1.0～1.2 A/dm2,常溫 ,20 min。

1.2 鈍化液組成及配制方法

鈍化液組成為:鉬酸鈉10～50 g/L,磷酸鈉5～35 g/L,硫酸 1～10 mL/L,有機酸 10～30 g/L 。

先用蒸餾水溶解適量的鉬酸鈉及磷酸鈉,再加入有機酸,并用硫酸調節p H值至一定值,然后置于恒溫水浴鍋中加熱保溫至適當的溫度。鍍鋅片水洗后即放入鈍化液中,一定時間后取出干燥,得到外觀呈藍白色的鈍化膜。

為與鉻酸鹽鈍化膜進行對比研究,經查閱文獻[11]得到鉻酸鹽藍白鈍化工藝為:鉻酐2～5 g/L,三氯化鉻1～2 g/L,氟化鈉2～4 g/L,濃硝酸30～50 mL/L,濃硫酸 10～15 mL/L,濃鹽酸 10～15 mL/L,室溫 ,溶液中 2～5 s,空氣中 5～10 s。

1.3 測試方法

1.3.1 鈍化膜的形貌觀察

采用目測法對鈍化膜的外觀進行評估打分:（1）顏色藍白,均勻光亮,90～100分;（2）藍白色中有少量雜色,較均勻光亮,80～89分;（3）呈其他顏色,有較不均勻區,70～79分;（4）呈其他顏色,有大面積不均勻區,＜70分。

對30 mm×30 mm的銅箔鍍鋅后進行鈍化處理。采用日本 Hitachi S4700型場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）對鍍鋅層及鈍化膜進行微觀形貌觀察。

1.3.2 鈍化膜的耐蝕性測試

（1）硫酸銅點滴實驗

在室溫下,用滴管滴1滴質量分數為3%的硫酸銅溶液至試樣表面,觀察試樣表面顏色變化情況,用秒表記錄表面變黑的時間,每個試樣取25個不同部位計算平均值。

（2）NaCl浸泡實驗

將試樣浸泡在質量分數為5%的NaCl溶液中（溶液的p H值控制在7左右）,24 h更換一次溶液,觀察試樣表面狀態的變化,記錄試樣表面出現白斑的時間,以此來評價試樣的耐蝕性。此方法同鹽霧實驗的結果有一致性。

（3）Tafel曲線外推法

對需要比較和研究的試樣進行電化學測試。電化學測試均采用三電極體系,研究試樣為工作電極,鉑片為輔助電極,飽和甘汞電極（SCE）為參比電極,測試面積為1 cm2,測試用介質為質量分數為3.5%的 NaCl溶液（室溫,p H值為 7）,以稀 HCl或稀NaOH水溶液調節p H值。使用CHI 630A型電化學工作站測試極化曲線,掃描速率為1 mV/s。測試后用計算機軟件擬合,求出自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（Jcorr）等電化學參數。

（4）交流阻抗法

采用CHI 750D型電化學工作站完成。所用正弦波激勵信號幅值為10 mV,頻率范圍為10-2～105Hz,測試電位為工作電極的開路電位。測試前需靜置10 min,以保證測試體系穩定。

2 結果與討論

2.1 鈍化液組分對鈍化膜的影響

鈍化液的主要成分為鉬酸鈉、磷酸鈉、有機酸和硫酸。采用L9（34）正交實驗表設計優化方案以確定各組分的用量,固定鈍化溫度為50℃,鈍化處理時間為30 s,考核指標為鈍化膜的耐蝕性及外觀。通過對鈍化膜的耐蝕性和外觀的比較,得出優化后的最佳鈍化液組成為:鉬酸鈉 30 g/L,磷酸鈉15 g/L,硫酸2 mL/L,有機酸10 g/L。

2.2 工藝參數對鈍化膜的影響

2.2.1 鈍化溫度

采用經正交實驗優化后的鈍化液組成,在鈍化時間為30 s的條件下,研究鈍化溫度對鈍化膜的成膜及耐蝕性的影響。結果表明:提高鈍化溫度能夠加快成膜,當鈍化溫度低于20℃時,不利于成膜;高于70℃時,由于成膜速率過快,造成鈍化膜很不均勻。因此,合適的鈍化溫度應為20～70℃,在此范圍內得到的鈍化膜,無論是外觀還是耐蝕性都是較優的。

2.2.2 鈍化處理時間

鈍化處理過程是膜的成長與溶解的動態平衡。鈍化時間越長,生成的鈍化膜越厚,顏色也越深。但若時間太長,會使鈍化膜表面的應力過大,導致表面的裂紋增多,耐蝕性下降。當鈍化溫度為50℃時,研究鈍化時間對鈍化膜的影響,實驗結果,如表1所示。

由表1可知:鈍化時間過短（不足10 s）時,鈍化膜薄,顏色淺,耐蝕性差;鈍化時間過長（超過70 s）時,耐蝕性又會下降。因此,較佳的鈍化時間是10～70 s,此時鈍化膜的外觀藍白,耐蝕性較好。

表1 鈍化時間對鈍化膜的影響

2.3 鈍化膜的耐蝕性能

2.3.1 NaCl浸泡實驗

在室溫下,水溶液中有氯離子存在時,會與鋅離子形成配合物而加速鋅的腐蝕。配制質量分數為5%的NaCl溶液,將鍍鋅試樣、鉬酸鹽復合鈍化試樣及鉻酸鹽鈍化試樣分別浸泡于300 mL該NaCl溶液中,實驗結果,如表2所示。

表2 NaCl溶液浸泡實驗結果

由表2可知:鉬酸鹽復合鈍化膜的耐蝕性與鉻酸鹽鈍化膜的相近,遠好于鍍鋅試樣的。

2.3.2 Tafel曲線

分別將3種試樣浸泡在質量分數為3.5%的NaCl溶液中一段時間,待測試系統穩定后進行測量。圖1為3種試樣的 Tafel曲線,表3為 Tafel曲線的計算機擬合結果。

圖1 試樣在NaCl水溶液中的 Tafel曲線

表3 不同鈍化體系所得鈍化膜的腐蝕參數

由表3可知:鍍鋅層經鈍化處理后自腐蝕電流密度均變小,其中鉬酸鹽復合體系鈍化膜的自腐蝕電流密度比鉻酸鹽鈍化膜的還小,且其自腐蝕電位更正。因此,從 Tafel曲線的測試結果看,鉬酸鹽復合體系鈍化的耐蝕性優于鉻酸鹽鈍化的。

2.3.3 交流阻抗法

圖2為經不同鈍化工藝處理后所得的鈍化膜和鍍鋅層在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的 EIS譜圖。

圖2 不同鈍化工藝所得鈍化膜和鍍鋅層的EIS譜圖

由圖2可知:經鈍化工藝處理后得到的鈍化膜的容抗弧半徑都非常明顯地大于基體的容抗弧半徑,說明經鈍化后基體的腐蝕電阻增大,阻礙了腐蝕的進行。根據容抗弧半徑的大小可知腐蝕電阻由大到小的排列順序為:鉬酸鹽復合鈍化膜、鉻酸鹽鈍化膜、鍍鋅層,這與 Tafel曲線的測試結果相一致。

2.4 微觀形貌觀察

圖3為鍍鋅試樣及經鈍化處理后所得試樣的SEM照片。

圖3 鍍鋅層及鈍化膜的SEM照片

由圖3可知:采用鉬酸鹽復合體系得到的鈍化膜完全覆蓋了鍍鋅層,比鉻酸鹽鈍化膜更均勻、致密,而且不存在微孔及裂紋。

3 結論

確定了鍍鋅藍白無鉻鈍化液最佳組成及工藝條件為:鉬酸鈉30 g/L,磷酸鈉15 g/L,硫酸2 mL/L,有機酸10 g/L,20～70℃,10～70 s。該鈍化液低毒、穩定性好、成本低、鈍化工藝簡單,所得鈍化膜的顏色為藍白色,且耐蝕性能與鉻酸鹽鈍化膜的相當。

[1] 盧琳,李曉剛,宮麗,等.鍍鋅層無鉻（Ⅵ）鈍化的現狀與發展趨向[J].軋鋼,2007,24（5）:41-45.

[2] 盧錦堂,孔綱,陳錦虹,等.熱鍍Zn層鉬酸鹽鈍化工藝[J].腐蝕科學與防護技術,2001,13（1）:46-48.

[3] Cowieson D R,Scholefield A R.Passivation of tin-zinc alloy coated steel[J].Trans IMF,1985,63（2）:56-57.

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[5] 龍晉明,韓夏云,楊寧,等.鋅和鍍鋅鋼的稀土表面改性[J].稀土,2003,24（5）:52-56.

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[7] Mcconkey B H.Tannin-based rust conversion coatings[J].Corrosion Australasia,1995,20（5）:17-19.

[8] Chen Z W,Kennon N F,See J B,et al.Technigalva and other developments in batch hot-dip galvanizing[J].Journal of Management,1992,44（1）:22-26.

[9] 陳錦虹,許喬瑜,畢君,等.鍍鋅層有機物無鉻鈍化[J].電鍍與環保,2000,20（6）:7-10.

[10] 陳錦虹,盧錦堂,許喬瑜,等.鍍鋅層鉬酸鹽鈍化的研究進展[J].電鍍與環保,2000,20（1）:21-24.

[11] 張允誠,胡如南,向榮.電鍍手冊[M].北京:國防工業出版社,2006:262.

A Study of Chromium-Free Light Blue Passivation Process for Electrogalvanized Coating

YANG Pei-xia, CUI Ying, LIULei, LI Ying-qing, YANG Peng, AN Mao-zhong

（School of Chemical Engineering and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

The chromium-free light blue passivation process for electrogalvanized coating was studied by using a passivation solution compounded of sodium molybdate and organic acids.The passivation solution is good in stability,lower in cost,easy to operate,can form a bright and uniform light blue passivation coating on the surface of galvanized steel.The corrosion resistance of the passivation coating was tested with dropping,salt solution soaking and electrochemical methods.The results show that the corrosion resistance of the new chromium-free passivation coating is equal to that of chromate passivation coating.The coating is uniform and fine with no micropores and cracks.It can be expected that this new passivation technology will be able to substitute for chromate passivation technology in passivation of electrogalvanzied coating.

chromium-free passivation;sodium molybdate;corrosion resistance;electrogalvanized coating;compound

TG 174

A

1000-4742（2011）03-0030-04

2010-08-12