电镀锌硅酸盐钝化工艺及机理研究

【摘要】： 金属的腐蚀给人类带来巨大的经济损失和社会危害。电镀锌是提高钢铁抗腐蚀能力的有效途径,但是锌镀层在潮湿的环境中,镀层极易发生腐蚀,从而失去防护作用。为进一步提高镀锌层的耐蚀性,提高其表面质量,延长其使用寿命,需对其进行钝化处理。传统铬酸盐钝化处理毒性大,污染环境和危害人体健康。本论文对无毒、无污染的硅酸盐(Na_2SiO_3)工艺进行了深入研究,并探讨了镀锌层硅酸盐钝化膜的耐蚀机理与成膜机理,主要内容包括: 采用正交试验及单因素试验确定了硅酸盐钝化最佳钝化液组成:Na_2SiO_3·9H_2O15g/L,H_2SO_4 5ml/L,H_2O_2 10ml/L,HNO_3 5ml/L,添加剂3g/L。该钝化液稳定性好,使用寿命长,适应性强。采用正交试验确定了影响钝化膜耐蚀性的三个主要因素为:钝化温度、pH值、钝化时间;并用单因素试验法研究了各因素对钝化膜耐蚀性的影响,最终确定其最佳工艺条件为:钝化温度15～40℃,pH值2.0～2.8,钝化时间90s左右。 对钝化及未钝化镀锌层进行中性盐雾试验(NSS)、盐水浸泡试验及CuSO_4点滴试验。试验结果表明,硅酸盐钝化膜能显著提高镀锌层的耐腐蚀性能及抗白锈能力,其耐蚀性优于低铬酸盐钝化膜。 通过电化学测试等手段研究了钝化及未钝化镀锌钢板在5mass%NaCl溶液中的Tafel曲线、交流阻抗谱和开路电位—时间曲线,并运用计算机拟合方法求解腐蚀电化学参数。其中,硅酸盐钝化膜的电化学参数E_(corr)为-0.85736 V,I_(corr)为0.00012623Amp/cm~2,R_t值为580Ω·cm~2;而低铬酸盐钝化膜的电化学参数为:E_(corr)-0.9456V,I_(corr)0.00034980 Amp/cm~2,R_t 150Ω·cm~2。并结合试验结果,分析了硅酸盐钝化膜耐蚀机理,认为硅酸盐钝化膜提高镀锌层耐蚀性表现为三方面作用:(1)电化学作用;(2)隔离作用;(3)缓蚀作用。 采用SEM、EDAX及XPS等测试技术对硅酸盐钝化膜表面形貌进行了微观观察及成分分析,并采用电化学方法研究了镀锌层在硅酸盐钝化液中的钝化过程,对硅酸盐钝化膜成膜机理进行了探讨,认为硅酸盐钝化膜形成的过程包括:1)镀锌层的溶解;2)聚合物成膜沉积过程。 将硅酸盐钝化工艺进行工业扩大试验,研究了扩大规模后钝化液的稳定性及耐蚀性,结果表明,硅酸盐钝化工艺扩大试验后稳定性好,成膜均匀,耐蚀性良好。考察了硅酸盐钝化工艺应用于低铁Zn—Fe合金镀层所形成钝化膜的耐蚀性能,试验结果表明,Zn—Fe合金钝化膜耐蚀性良好,并优于镀锌钝化膜。 综上所述,镀锌硅酸盐钝化工艺稳定性能好,耐蚀性优于传统低铬钝化工艺,操作简单,成本低,无毒、无污染,可改善电镀锌行业环境污染的现状。因此,硅酸盐钝化工艺在代替传统含铬钝化、促进电镀行业实现绿色生产方面,具有广阔的应用前景。