鍍鋅層鈦鹽鈍化的研究

左正忠， 崔 萍， 宋文超， 胡 哲， 周自強(qiáng)

(1.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072;2.武漢吉和昌化工科技有限公司，湖北武漢 430023;3.蘇州翡翠化工科技有限公司，江蘇蘇州 215144)

鍍鋅層鈦鹽鈍化的研究

左正忠1， 崔 萍1， 宋文超2， 胡 哲2， 周自強(qiáng)3

(1.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072;2.武漢吉和昌化工科技有限公司，湖北武漢 430023;3.蘇州翡翠化工科技有限公司，江蘇蘇州 215144)

介紹了一種鍍鋅層鈦鹽彩色鈍化的新工藝，并就鈍化液的溫度、pH、鈍化時(shí)間以及鍍鋅液的類型等對鈍化層耐蝕性的影響作了研究。鈍化后鋅層的陽極極化行為表明，鈦鹽鈍化的鍍鋅層有較高的溶解電勢、低的溶解電流密度和寬的超鈍化區(qū);其耐腐蝕性能與低濃度的Cr(Ⅵ)鈍化液相同，甚至更好。

電鍍;鍍鋅;鈦鹽鈍化

引 言

在我國電鍍工業(yè)領(lǐng)域，鍍鋅層的無毒、低污染的三價(jià)鉻鈍化工藝的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)了良好的發(fā)展趨勢，取得了相當(dāng)大的成績。然而，盡管三價(jià)鉻的毒性比Cr(Ⅵ)的低得多，但總是有毒性的;三價(jià)鉻有可能又被氧化為Cr(Ⅵ)了。例如某企業(yè)用三價(jià)鉻鹽鈍化的工件，剛出廠時(shí)鈍化膜上未檢測出Cr(Ⅵ)，但經(jīng)漂洋過海到美國幾個月后，已有明顯的Cr(Ⅵ)存在了。由此看來，對鍍鋅層采用三價(jià)鉻鈍化，雖有一定的優(yōu)點(diǎn)，但還不穩(wěn)定，不夠完美。如采用無鉻鈍化工藝，則就不會出現(xiàn)此種情況。

鈦鹽鈍化是無鉻鈍化工藝之一。此工藝研究，僅在一些文獻(xiàn)中偶爾提及［1-3］，未見有詳細(xì)的研究報(bào)告。20世紀(jì)70年代初，曾有廣州電器科研所、上海造船廠等單位對鈦鹽鈍化工藝進(jìn)行過研究和試用，并取得了一些積極的進(jìn)展;朱立群教授在2006年的一次內(nèi)部交流會議上介紹了近期研究的鍍鋅層鈦鹽藍(lán)白色鈍化工藝，據(jù)稱經(jīng)過封閉后，中性鹽霧試驗(yàn)可通過48h。此信息引起了與會者的很大興趣。

本文研究了一種鍍鋅層鈦鹽彩色鈍化工藝，膜層類似于三價(jià)鉻鹽彩色鈍化膜。特點(diǎn)是鈍化液性能穩(wěn)定、所得鈍化膜不需封閉其抗腐蝕能力可與低濃度Cr(Ⅵ)彩色鈍化工藝相比，甚至超過后者。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鈍化液的組分選擇

分別選擇了TiCl3、Ti(SO4)2、TiOSO4作為主鹽，以H2SO4為Ti鹽的助溶劑和成膜促進(jìn)劑，H2O2作為穩(wěn)定劑;還研制了增強(qiáng)膜層耐蝕性的添加劑G和穩(wěn)定H2O2的添加劑C等。鈍化液全部為蒸餾水或去離子水配制。

1.2 鍍鋅樣品的制備

1.2.1 鍍鋅電解液組成及操作條件

鍍鋅的基體材料為3.33cm×5.00cm的冷軋鋼片。

堿性鍍鋅液的組成:12g/L ZnO、130g/L NaOH、12～15mL/L 光亮劑、12～15 mL/L 輔助劑;

酸性鍍鋅液的組成:65g/L ZnCl2、200g/L KCl、25g/L H3BO3、15mL/L WD-87 光亮劑。

操作條件:Jκ為 2A/dm2，t為 25min，室溫，靜鍍。

1.2.2 鈍化液的組成

比較用的鈍化液組成為:5g/L CrO3、1mL/L H2SO4(98%)、5mL/LHNO3(65%)、0.5g/L KMnO4。

1.3 工藝流程

鍍鋅工藝流程如下:

工件→除油→熱水洗→冷水洗→鍍鋅→冷水洗→3%HNO3出光→水洗→鈍化→空氣中停5～10s→漂洗→甩干。

1.4 鍍鋅鈍化后的抗蝕試驗(yàn)

由于本實(shí)驗(yàn)室條件所限，加之鹽霧試驗(yàn)周期太長，故耐蝕試驗(yàn)選用了5%Pb(Ac)2·3H2O快速點(diǎn)滴計(jì)時(shí)法。每滴Pb(Ac)2·3H2O滴在試片上后，瞬時(shí)按下秒表，用放大鏡觀察。當(dāng)液滴內(nèi)出現(xiàn)了3～5個針尖大的黑點(diǎn)時(shí)，即為開始出現(xiàn)腐蝕，迅即停止秒表，讀記時(shí)間。每個試片有5個滴點(diǎn)，滴點(diǎn)在試片上的位置如圖1所示，取5個點(diǎn)腐蝕時(shí)間的平均值，與中性鹽霧試驗(yàn)對比推算，當(dāng)5%Pb(Ac)2·3H2O點(diǎn)滴出現(xiàn)腐蝕超過10s以上時(shí)，每增加1s，相當(dāng)于中性鹽霧試驗(yàn)通過1h，例如，當(dāng)Pb(Ac)2·3H2O試驗(yàn)達(dá)到20s時(shí)，實(shí)際中性鹽霧試驗(yàn)可達(dá)到10h;試驗(yàn)達(dá)到130s時(shí)，中性鹽霧試驗(yàn)可達(dá)到120h。

圖15 %Pb(Ac)2·3H2O點(diǎn)滴部位示意圖

1.5 5%NaCl溶液浸泡試驗(yàn)

用分析純的 NaCl、蒸餾水配制成 pH=6.5的5%NaCl溶液，將鈍化后的試片靜掛在溶液中，以測量試片的質(zhì)量損失及觀察外觀色變情況。

1.6 鍍鋅鈍化層的陽極極化行為的測試

在堿性鋅酸鹽鍍液中，將d=2mm，l=50mm的鐵絲，在 Jκ=2.0A/dm2下，電鍍 25min，清洗、出光后分別在低Cr(Ⅵ)彩色鈍化液和本研究的Ti鹽彩色鈍化液中鈍化15s，干燥后作研究電極。研究電極實(shí)際尺寸為d=2mm，l=10mm;其余部分絕緣。

測試儀器為:8511B型恒電位儀(延邊永恒電化學(xué)儀器)，3086型 X-Y函數(shù)記錄儀(重慶儀表四廠);測試對電極為0#鋅板，參比電極為飽和甘汞電極，電解質(zhì)為5%NaCl、pH=6.5 的溶液，θ=21℃，掃描速度為100mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈍化液組成對鈍化膜耐蝕性的影響

2.1.1 Ti鹽的影響

Ti鹽是成膜的主要成分。鈦鹽作為鍍鋅鈍化液的主鹽，成膜的厚度較薄卻有較好的抗蝕性，與鍍鋅層親和力好，柔軟性也很優(yōu)越。例如用Cr(Ⅵ)鹽鈍化鍍鋅層，常出現(xiàn)膜層脫落情況;而在同等條件下的鈦鹽鈍化，卻未見有此現(xiàn)象出現(xiàn)。無論 TiCl3、Ti(SO4)2以及TiOSO4都可作為主鹽，但是鈦的含量對鈍化膜的抗蝕性有較大的影響，含量低時(shí)，耐蝕性差些，隨著含量上升，耐蝕性隨之增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及成本比較，選用TiOSO4作為鈍化液的主鹽。鈍化液中除了以TiOSO4為主鹽外，還含有10mL/L H2SO4和60mL/L H2O2。表1為酸性鍍鋅層在Ti質(zhì)量濃度不同的鈍化液中鈍化后，用5%Pb(Ac)2·3H2O點(diǎn)滴，出現(xiàn)腐蝕時(shí)間的對比情況。

表1 ρ(TiOSO4)對鈍化膜耐蝕性的影響

由表1可以看出，Ti鹽質(zhì)量濃度低時(shí)，耐蝕性較差，但是鈦鹽質(zhì)量濃度過高，將會使其它組分也相應(yīng)地增加，成本上升，易使鈍化膜表面不均勻，產(chǎn)生霧斑。

2.1.2 H2SO4的影響

H2SO4在配制鈍化液時(shí)幫助TiOSO4溶解，但最主要的是促進(jìn)鈍化膜的生成。太低的質(zhì)量濃度，膜無光澤且不均勻，太高的質(zhì)量濃度又會促使膜的溶解。適宜濃度的H2SO4會使鈍化膜的色澤艷麗，且又有良好的附著力。一般說來，H2SO4與TiOSO4的為好。

2.1.3 H2O2的影響

鈦鹽在水溶液中是極不穩(wěn)定的，易水解，尤其是當(dāng)溶液中存在其它輔加物時(shí)，溶液立即變?yōu)榘咨珳啙崆矣谐恋?。而H2O2則有助于鈦鹽的溶解，防止鈍化液發(fā)生渾濁沉淀，H2O2與 TiOSO4的為好。

2.1.4 (NaPO3)6的影響

鋅鍍層在僅有上述三種成分的溶液中是可較容易的得到鈍化膜，不過這種鈍化膜抗蝕能力極差，在上面滴5%的 Pb(Ac)2·3H2O溶液后，僅1～2s時(shí)間，液滴所覆蓋的膜層就會變黑。當(dāng)加入六偏磷酸鈉后，磷酸根能加速膜的形成，并與Ti可以形成一種復(fù)式鹽，這種復(fù)式鹽能有效地提高膜層的耐蝕性。然而，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如若加入磷酸或磷酸三鈉，膜層呈現(xiàn)出微綠色、模糊的外觀，且不均勻，透明性極差;而六偏磷酸鈉可部分克服上述缺陷，鈍化液中六偏磷酸鈉一般為8～12g/L即可。

2.1.5 抗蝕加強(qiáng)元素及添加劑

有了上述幾種成分，鈍化膜層的耐蝕性仍不理想。為此，曾試加了絡(luò)合劑、金屬鹽及稀土元素等。實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，絡(luò)合劑如檸檬酸、酒石酸、丁二酸、丹寧酸、葡萄糖酸或植酸等，對鈍化膜的抗蝕性并無提高作用。但檸檬酸有消除鈍化膜層白霧現(xiàn)象，而植酸卻使膜層外觀發(fā)花、白霧甚至脫膜。也曾試用了鈰、釤及鑭等稀土鹽及釩、鋯元素以及微米、納米尺寸的SiO，結(jié)果均不理想，還造成了鈍化液的渾濁沉淀。鑒于此，經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)比較，選擇了Ni鹽作為加強(qiáng)劑可有效地提高耐蝕能力;又研制了添加劑G和C。添加劑C能有效地減緩雙氧水的分解，消除膜層局部白霧現(xiàn)象，提高膜層的耐蝕能力。添加劑G有提高膜層的抗蝕作用，增加膜層的外觀色澤。

表2 為酸性鍍鋅層在4種鈍化液中鈍化后鍍層耐蝕性比較，其中基礎(chǔ)鈍化液的組成為:12g/L TiOSO4、10mL/L H2SO4、 100mL/L H2O2、 12g/L(NaPO3)6，pH=1.0，θ=22℃。經(jīng)鈍化干燥，用 5%Pb(Ac)2·3H2O點(diǎn)滴后開始出現(xiàn)腐蝕時(shí)間的比較。而在同一鍍液中，完全同一條件下的鍍鋅層，在低Cr(Ⅵ)彩色鈍化液中鈍化12s，其出現(xiàn)腐蝕時(shí)間平均為63.5s。

表2 不同的鈍化液所得鈍化膜的耐蝕性

2.2 其它條件對鈍化效果的影響

Ti鹽鈍化液的溫度、pH、鈍化時(shí)間、干燥方式及老化程度等因素對鈍化膜層的外觀、色澤及抗蝕性能均有較大的影響。但本研究的鈍化液的pH對抗蝕性能影響不大(見表3)，一經(jīng)配制好后，即在適宜的pH范圍內(nèi)(0.8～1.2)不需調(diào)整即可在常溫下使用。研究還表明，鍍鋅液的類型對耐蝕性有明顯的影響(見表4)。

表3 鈍化液pH對鈍化膜耐蝕性的影響

表4 兩種鍍鋅液所得鍍層鈍化后的耐蝕性對比

需要注意的是，Ti鹽鈍化膜其自身不具有自動修復(fù)的性能，因此，一定要保證工件基體及鍍鋅層的完整、均勻、無缺陷，方能保證鈍化膜的均勻、完好。此外，鈍化后的清洗、干燥方式不同也會影響膜層的抗蝕性。如圖2所示的5個點(diǎn)，開始出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)的時(shí)間有很大的不同，一般而言，試片的上部耐蝕時(shí)間長些;下部耐蝕時(shí)間短些，是由于使用手搖甩干機(jī)甩干的過程中，上下膜的厚度不均勻的結(jié)果。

圖2 試片不同部位耐醋酸鉛的點(diǎn)滴時(shí)間

用本研究的鈍化液對鍍鋅層鈍化后，不必再進(jìn)行封閉工序即可有良好的抗蝕效果。實(shí)際上，某些封閉劑作用并不理想。因?yàn)樗苄苑忾]劑產(chǎn)生的保護(hù)膜，經(jīng)干燥后若再遭遇潮濕的環(huán)境，仍可被溶解、脫膜;而使用非水溶性有機(jī)封閉劑，往往產(chǎn)生的膜厚度不均勻，干燥后發(fā)皺，嚴(yán)重影響著鍍層的外觀，還會產(chǎn)生廢氣，造成新的污染。增加烘干設(shè)備需投資，生產(chǎn)也不安全。

2.3 NaCl溶液浸泡

兩組試片，一組為堿性鋅酸鹽鍍鋅，一組為酸性氯化鉀鍍鋅。每組5個試片，均在 Jκ=2.0A/dm2下靜鍍25min，清洗后在Ti鹽鈍化液中彩色鈍化15s，洗凈、干燥，室內(nèi)自然老化5天后懸掛在pH=6.5、5%的NaCl溶液中，室溫下60天，兩組試片質(zhì)量損失均為零，僅是鈍化膜的色澤有少許變暗(酸性氯化鉀鍍鋅試片要比堿性鋅酸鹽鍍鋅的試片色澤變暗程度大一些)。

2.4 鍍鋅鈍化層的陽極行為

圖3 為堿性鋅酸鹽鍍鋅層分別經(jīng)低Cr(Ⅵ)彩色鈍化和鈦鹽彩色鈍化后在5%的NaCl溶液中的陽極極化曲線。從圖3中可以看出，鈦鹽鈍化后膜層的電化學(xué)溶解起始電勢要比Cr(Ⅵ)鈍化的稍滯后，而且溶解電流密度也要低一些、鈍化電位范圍稍比Cr(Ⅵ)的寬一些。表明了鈦鹽鈍化膜的性能是可以與低鉻酸鈍化膜的性能相比的，是可以替代后者的。

圖3 鈍化膜在5%NaCl溶液中的陽極極化曲線

3 結(jié)論

1)鈦鹽鈍化的鍍鋅層色澤好，鈍化膜與鋅層間附著力好，耐蝕性較好;完全可以替代鉻酸或三價(jià)鉻鹽的鈍化。

2)鈦鹽鈍化液性能穩(wěn)定、操作方便，清洗容易，不需封閉，尤其避免了鉻對環(huán)境及水質(zhì)的污染。

3)鈦鹽鈍化液的組成及操作條件:10～12g/L TiOSO4、10～15g/L(NaPO3)6、8 ～10g/L NiSO4·6H2O、8～10g/L 添加劑 C、6～10g/L 添加劑 G、8～12mL/L H2SO4、60～100mL/L H2O2、θ為室溫，pH=0.8～1.2;t為酸性鍍鋅 10～20s，堿性鍍鋅 8～30s。

［1］ 沈品華，屠振密.電鍍鋅及鋅合金［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:181-187.

［2］ 于元春，李寧，胡會利，等.無鉻鈍化與三價(jià)鉻鈍化的研究進(jìn)展［J］.表面技術(shù)，2005，34(5):6-9.

［3］ 周金保.鍍鋅層無鉻鈍化工藝的新進(jìn)展［J］.電鍍與環(huán)保，1991，11(5):7-9.

Investigation on Titanium Salt Passivation of Zinc Coating

ZUO Zheng-zhong1，CUI Ping1，SONG Wen-chao2，HU Zhe2，ZHOU Zi-qiang3
(1.College of Chemistry＆ Molecular Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China;2.Wuhan Jadechem Chemicals Co.Ltd.，Wuhan 430023，China;3.Suzhou Feicui Chemical Engineering Co.Ltd.，Suzhou 215144，China)

In this paper，a titanium salt color passivation technology for zinc coating was introduced.The influences of temperature，pH value of passivation solution and type of zinc plating bath on the corrosion resistance of the passivation film were investigated.The results of anodic polarization curve tests show that the passivation film treated by titanium salt has a higher electrode potential，lower corrosion current density and wider transpassive region.The corrosion resistance of this passivation film is comparative or even better than that of film passivated by low Cr(Ⅵ)solution.

electroplating;zinc plating;passivation with titanium salt

TQ153.15

A

1001-3849(2010)11-0009-04

2010-05-28

2010-07-27