采用稀土化學(xué)活化處理的鋅粉制備滲鋅層及其耐蝕性

東曉林，黃燕濱*，時小軍，劉謙，巴國召，姬鵬飛

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

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采用稀土化學(xué)活化處理的鋅粉制備滲鋅層及其耐蝕性

東曉林，黃燕濱*，時小軍，劉謙，巴國召，姬鵬飛

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

為了改進(jìn)粉末滲鋅工藝和提高滲鋅層的耐蝕性，預(yù)先對鋅粉進(jìn)行稀土化學(xué)活化處理，活化配方為：鋅粉144 g，LaCl34 g，濃鹽酸5 mL，去離子水50 mL。對比研究了分別采用普通鋅粉、活化鋅粉和普通鋅粉+稀土鑭組成的滲鋅劑配方所得滲鋅層的外觀、表面形貌、厚度和耐蝕性。結(jié)果表明，采用稀土化學(xué)活化處理的鋅粉滲鋅時，不存在鋅粉粘結(jié)現(xiàn)象，所得滲鋅層均勻、致密。雖然滲鋅層的厚度較另外兩種小，但其耐蝕性更優(yōu)。

鋅粉；化學(xué)活化；鑭；滲鋅；耐蝕性

First-author's address: Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China

滲鋅是一種用于鋼材腐蝕防護(hù)的表面處理技術(shù)，是通過固態(tài)擴(kuò)散的方式，使鋅原子滲入基體金屬表面而形成合金層的方法。其基本原理是利用加熱狀態(tài)下金屬原子具有的滲透擴(kuò)散作用，在低于鋅的熔點(diǎn)和基體金屬相變的溫度條件下，將鋅原子滲入鋼材表面，形成不同比例的Zn-Fe合金保護(hù)層［1-3］。滲鋅工藝主要有包埋法、機(jī)械能助滲法和漿料法 3種方式。包埋法是一種傳統(tǒng)的滲鋅工藝，工藝路線相對成熟、簡單，對設(shè)備的要求也不高。機(jī)械能助滲法是近年來工業(yè)滲鋅的常用方法，能夠有效降低滲鋅過程中滲劑的粘結(jié)，顯著提高滲鋅的效率，所得滲鋅層也較均勻致密，但對設(shè)備的要求較高。漿料法是近年來出現(xiàn)在專利文獻(xiàn)中的一種方法，還未見應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的報(bào)道［4-6］，其工藝過程相對復(fù)雜，尤其是對結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的處理較為繁瑣。

經(jīng)滲鋅處理的鋼制零件，耐蝕性會得到很大的提高，而且滲鋅層有著優(yōu)良的耐磨性，有效地降低了防護(hù)層破損的風(fēng)險(xiǎn)，但是與達(dá)克羅、化學(xué)鍍等表面防腐處理技術(shù)相比，耐鹽霧時間并沒有顯著的優(yōu)勢，同時滲鋅工藝所需時間較長，效率較低［7-9］。在滲劑中添加稀土元素能夠顯著提高滲鋅層的耐蝕性和滲速［10-12］。本文先對普通鋅粉進(jìn)行稀土化學(xué)活化處理，再采用包埋法對45鋼進(jìn)行粉末滲鋅，對分別采用常用滲鋅劑配方和稀土改性的滲鋅劑配方所得滲鋅層的耐蝕性進(jìn)行對比，為滲鋅技術(shù)的改進(jìn)做出一些嘗試。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 基體材料和主要試劑

以80 mm × 20 mm × 2 mm的45鋼為基材，對其進(jìn)行如下預(yù)處理：砂紙打磨→堿洗（NaOH 50 ～ 80 g/L，Na2CO3·10H2O 15 ～ 20 g/L，Na3PO415 ～ 20 g/L，Na2SiO35 g/L，OP乳化劑1 ～ 2 g/L，80 ～ 90 °C，20 ～ 30 min）→酸洗（濃硫酸200 ～ 250 g/L，硫脲2 ～ 3 g/L，30 ～ 50 °C，15 ～ 20 min）→去離子水清洗→晾干。

主要原料：Zn粉，含量≥99.5%，300目；Al2O3粉，含量≥75%，100 ～ 200目；NH4Cl，含量≥99.5%，研磨至60目；LaCl3，含量≥98%，研磨至60目。

1. 2 鋅粉化學(xué)活化

將144 g鋅粉倒入由4 g LaCl3、5 mL濃鹽酸（36% ～ 38%）和50 mL去離子水組成的活化液中，室溫下采用玻璃棒攪拌均勻后靜置10 min，將糊狀滲鋅劑取出，烘干后將鋅粉研磨至300目。

1. 3 粉末滲鋅

分別采用普通鋅粉、活化鋅粉和普通鋅粉+稀土鑭配制得到不同滲鋅劑，在深圳市良誼實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司的SX2-4-10箱式電阻爐（溫控精度± 1 °C）中對45鋼進(jìn)行粉末滲鋅，溫度為400 °C，時間為3 h，滲后置于空氣中冷卻即可，不必進(jìn)行鈍化處理。

由普通或活化鋅粉組成的滲鋅劑配方為：鋅粉72%（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），NH4Cl 2%，Al2O326%。普通鋅粉+氯化鑭的滲鋅劑配方為：普通鋅粉72%，NH4Cl 2%，LaCl32%，Al2O324%。

1. 4 性能測試

使用TT260覆層測厚儀（時代集團(tuán)公司）測量滲層厚度，每種方案制成的試片上測10個點(diǎn)，最后取平均值；利用FEI公司的QUANTA 200掃描電鏡（SEM）觀察滲鋅層的表面形貌。依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6073-1992《金屬涂覆層 實(shí)驗(yàn)室全浸腐蝕試驗(yàn)》，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液，進(jìn)行全浸腐蝕試驗(yàn)，使用上海精科儀器有限公司的TG-328A分析天平稱量浸泡75 h和150 h后的腐蝕失重，計(jì)算腐蝕失重速率。

2　結(jié)果與討論

2. 1 外觀

圖1是采用不同滲鋅劑制備的滲鋅試片的照片。由圖1a和圖1b可以看出，采用普通鋅粉和普通鋅粉+氯化鑭時，滲鋅試片表面都存在鋅粉熔化和粘結(jié)現(xiàn)象，試片表面的光整度較低。從圖1c可知，采用活化鋅粉時，滲鋅試片表面未出現(xiàn)鋅粉熔化的現(xiàn)象，整體較光整。

圖1 采用不同滲鋅劑時所得試片外觀Figure 1 Appearance of sample plates obtained from different sherardizing solutions

鋅的熔點(diǎn)是419.6 °C，雖然本工藝的滲鋅溫度是400 °C，低于鋅的熔點(diǎn)，但采用普通鋅粉或普通鋅粉+氯化鑭滲鋅劑制備滲鋅層時，依然出現(xiàn)了鋅粉熔化的現(xiàn)象。圖2a是滲鋅劑粘結(jié)的照片。由圖2a可以看出，鋅粉熔化引起滲鋅劑的粘結(jié)，對滲鋅過程的正常進(jìn)行影響較大。圖2b是用125 mm（L） × 33 mm（R）數(shù)碼顯微鏡（德風(fēng)華電子科技有限公司）拍攝的熔化粘結(jié)的滲鋅劑的微觀形貌（放大400倍）。由圖2b可以看出，熔化的鋅粉與Al2O3粉的顆粒團(tuán)聚在一起，使得滲鋅劑固化，導(dǎo)致滲鋅劑與滲件的接觸面積減小，活化的鋅原子不易擴(kuò)散到滲件表面。

2. 2 表面形貌

圖3是采用不同滲鋅劑制備的滲鋅層的表面形貌。由圖3a可以看出，采用普通鋅粉時，滲鋅層表面存在較多的孔隙，甚至出現(xiàn)溝槽狀的縫隙，可能會對滲鋅層的耐蝕性造成不利影響。由圖3b可以看出，滲鋅劑中添加稀土鑭后，滲層表面的孔隙減少，無溝槽狀的縫隙存在，但存在少許微裂紋，說明稀土鑭能夠在一定程度上改善滲層表面的缺陷。由圖3c可以看出，采用稀土活化的鋅粉時，滲鋅層表面的孔隙最少，整體較光滑、均勻和致密，說明采用稀土活化鋅粉對改善滲層表面的缺陷有著非常好的效果。

圖2 熔化粘結(jié)的鋅粉Figure 2 Caked zinc after melting

圖3 采用不同滲鋅劑時滲鋅層的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of sherardized coatings obtained from different sherardizing solutions

2. 3 滲層厚度

滲層厚度可以間接反映滲鋅層的耐蝕性，一般情況下，滲鋅層的厚度越大，耐蝕性越好，但是兩者之間的對應(yīng)關(guān)系存在不確定性。磁性測厚法是一種快速測量涂層厚度的無損方法，在滲鋅的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，但磁性測厚法的測量結(jié)果受試樣表面粗糙度、測量頭壓力等因素的影響，測量結(jié)果可能會存在一定偏差。本文依據(jù)歐洲磁性檢測厚度標(biāo)準(zhǔn)（EN ISO 1460），在試片上測10個點(diǎn)并取平均值作為最終的測量厚度，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，在滲鋅劑中添加稀土鑭能夠增大滲鋅層的厚度；采用活化鋅粉時，滲鋅層的厚度明顯低于采用普通鋅粉和普通鋅粉+稀土鑭時所得滲鋅層的厚度。滲鋅技術(shù)被廣泛應(yīng)用在螺紋緊固件等存在配合的零部件的腐蝕防護(hù)中，這些應(yīng)用對滲層厚度有著明確的限定。因此，制備高性能的薄滲鋅層有著十分重要的意義，采用活化鋅粉滲鋅可能更滿足這一要求。

表1 不同方案制備的滲鋅層厚度Table 1 Thickness of sherardized coatings obtained from different sherardizing solutions

2. 4 耐蝕性

表2為采用不同滲鋅劑制備的滲鋅層在5% NaCl溶液中浸泡75 h和150 h的腐蝕失重速率，其中各滲鋅層的厚度與表1相近。從表2可知，在鹽水中浸泡75 h時，采用活化鋅粉制備的滲鋅層的腐蝕速率最大，添加普通鋅粉+氯化鑭制備的滲鋅層次之，采用普通鋅粉制備的滲鋅層的腐蝕失重速率最小，表明在腐蝕前期，采用活化鋅粉制備的滲鋅層作為犧牲陽極保護(hù)基體的作用最為明顯。在鹽水中浸泡150 h時，采用普通鋅粉制備的滲鋅層的腐蝕失重速率上升至0.091 5 g/（m2·h），而采用活化鋅粉制備的滲鋅層的腐蝕失重速率下降至0.086 4 g/（m2·h），表明采用活化鋅粉制備的滲鋅層能夠?yàn)榛w提供更為長效的防護(hù)作用。

表2 不同滲層在5% NaCl溶液中的腐蝕速率Table 2 Corrosion rete of different sherardized coatings in 5% NaCl solution

3　結(jié)論

（1） 采用經(jīng)稀土鑭化學(xué)活化的鋅粉制備滲鋅層時，不存在鋅粉粘結(jié)現(xiàn)象，所得滲鋅層比采用普通鋅粉或普通鋅粉+氯化鑭制備的滲鋅層更加均勻、致密。

（2） 與普通鋅粉或普通鋅粉+氯化鑭制備的滲鋅層相比，采用活化鋅粉制備的滲層厚度雖有所減小，但其耐蝕性更優(yōu)異。

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［ 編輯：周新莉 ］

Preparation and corrosion resistance of sherardized coating using zinc powder chemically activated by rare earth salt

DONG Xiao-lin， HANG Yan-bin*， SHI Xiao-jun， LIU Qian， BA Guo-zhao， JI Peng-fei

To improve the sherardizing process and corrosion resistance of sherardized coating， the zinc powder were chemically pre-activated in a solution composed of 144 g zinc powder， 4 g LaCl3， 5 mL concentrated hydrochloric acid and 50 mL deionized water. The appearance， surface morphology， thickness and corrosion resistance of the sherardized coatings obtained from sherardizing solutions containing common zinc powder， activated zinc powder and common zinc powder plus rare earth lanthanum respectively were comparatively studied. The results showed that no caking occurs to zinc powder during the sherardizing process when using the zinc powder chemically activated with rare earth， and the sherardized coating obtained is uniform and compact， and its corrosion resistance is better though it's thinner than that of the other two coatings. Keywords: zinc powder； chemical activation； lanthanum； sherardizing； corrosion resistance

TG174.4

A

1004 - 227X （2016） 11 - 0571 - 04

2016-02-27

2016-04-12

東曉林（1991-），男，吉林白山人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槁菁y緊固件的腐蝕防護(hù)。

黃燕濱，教授，（E-mail） hyb1961@126.com。