建筑門窗五金表面鍍鋅鐵合金的失效分析

李洋洋，李敬芳，劉志昌，張馥，邢波，石磊, *，王曉敏，谷子豐，董曉君，陳逸飛

（1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.亞薩合萊國(guó)強(qiáng)(山東)五金科技有限公司，山東 德州 253600； 3.朝陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校生化工程系，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

建筑門窗五金是建筑門窗的重要組成部件，常以低碳鋼作為基材。表面鍍層對(duì)建筑門窗的性能和使用壽命起著決定性作用。門窗是連接室內(nèi)和室外的樞紐，其五金件鍍層往往受到溫度、濕度、大氣環(huán)境等多種因素的共同影響，門窗的核心組件就十分容易受到外界環(huán)境的影響，從而降低門窗的使用性能，給人們帶來(lái)許多麻煩。

在工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高建筑門窗五金的性能，工廠常常使用電鍍的方法在五金件表面覆上一層具有保護(hù)性的鍍層。鋅及鋅合金鍍層因在一般大氣中具有較好的防護(hù)性能而被廣泛應(yīng)用，但是在工藝不當(dāng)?shù)那闆r，其耐蝕性及與基體結(jié)合力會(huì)大打折扣。

某合資企業(yè)對(duì)門窗五金件電鍍鋅鐵合金，其工藝流程為：除油→水洗→除銹(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% ～ 20%的鹽酸)→水洗→活化(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% ～ 5%的稀鹽酸處理30 ～ 60 s)→水洗→電鍍(溫度20 ～ 25 °C，電流密度2 ～ 3 A/dm2，時(shí)間25 min)→水洗→出光(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的稀硝酸處理3 ～ 5 s)→水洗→鈍化(10 s)→水洗→吹干。本文將對(duì)其產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)的失效問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 失效特征

1.1 外貌觀察

分別取失效件與正常件進(jìn)行觀察，如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)失效件上鍍層被大面積腐蝕，其中心部位的

鍍層已經(jīng)全部脫落，基體受到嚴(yán)重腐蝕，而且原有的裝飾性顏色也完全失去，五金件的美觀性和實(shí)用性都受到了極大程度的損壞。

圖1 失效(a)和正常(b)鍍鋅鐵合金五金件的外觀 Figure 1 Appearance of failed and normal Zn–Fe alloy coatings on hardware

1.2 金相顯微鏡觀察

對(duì)失效件進(jìn)行剖面光學(xué)顯微鏡觀察(見(jiàn)圖2)后發(fā)現(xiàn)鍍層與基體結(jié)合處存在大量缺陷，鍍層與基體之間有裂紋，裂紋起源于鍍層一側(cè)。在結(jié)合處有大量缺陷迅速發(fā)展的情況下，鍍層的防護(hù)能力將降低。

圖2 失效件鍍層的金相顯微照片 Figure 2 Metallograph of coating on failed part

1.3 樣品表征

使用JSM-6380LA 掃描電鏡(SEM)觀察鍍件會(huì)發(fā)現(xiàn)，鍍層上分布有大量的孔狀缺陷，這會(huì)嚴(yán)重影響鍍層的抗蝕能力。如圖3a、3b 所示，缺陷大部分集中分布在基體與鍍層的結(jié)合區(qū)域和表面區(qū)域；而從圖3c、3d 可見(jiàn)，鍍層表面整平性較差，厚度不均勻，裂紋大部分產(chǎn)生于表面和鍍層與基體的結(jié)合處。

圖3 缺陷鍍層不同位置的剖面掃描電鏡照片 Figure 3 Cross-sectional SEM images of coating with defects

進(jìn)一步用Bruker D8 Advance 型X 射線衍射儀(XRD)檢測(cè)樣件，輻射源為Ni 過(guò)濾的Cu Kα，波長(zhǎng)為1.505 9 ?。從圖4 可以看出，失效鍍層的主要組成元素為Zn，同時(shí)還有少量Fe、Co 元素。

對(duì)樣件進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(ESI)測(cè)量，采用三電極體系(飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，暴露面積為1 cm2的樣件為工作電極)，頻率從100 000 Hz 到1 Hz，振幅5 mV，起始電位為-0.97 V，電解液為3.5%的NaCl 溶液，結(jié)果如圖5 所示。正常件的阻抗為1 380 Ω，而失效件的阻抗僅為460 Ω，說(shuō)明其鍍層已不能對(duì)基體提供有效防護(hù)。

圖4 失效鍍層表面的XRD 譜圖 Figure 4 XRD pattern of the surface of failed coating

圖5 正常和失效鍍層在3.5% NaCl 溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖 Figure 5 EIS plots of normal and failed coatings in 3.5% NaCl solution

1.4 失效原因分析

建筑門窗五金鍍層出現(xiàn)的問(wèn)題主要有：耐蝕性差，與基體結(jié)合力不強(qiáng)，開(kāi)裂。

基體的前處理不徹底往往是導(dǎo)致結(jié)合力下降的主要原因。應(yīng)加強(qiáng)鍍前處理中的除油及浸蝕工序，將基體表面的油污和銹蝕產(chǎn)物清除干凈。鍍層未進(jìn)行封閉處理是導(dǎo)致鍍層耐蝕性差的主要原因。鈍化之后的鍍件應(yīng)進(jìn)行有機(jī)物封閉[2]或者水封閉，將鈍化膜表面的孔隙填充起來(lái)，以延緩大氣腐蝕，并提高膜的耐磨性。鍍層開(kāi)裂可能緣于電鍍過(guò)程中不平衡結(jié)晶所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)工件受到外力作用時(shí)，內(nèi)應(yīng)力容易造成應(yīng)力腐蝕、開(kāi)裂等結(jié)果?？蓢L試控制鍍液溫度來(lái)降低鍍層內(nèi)應(yīng)力。

2 產(chǎn)線調(diào)查

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間對(duì)生產(chǎn)線的觀察后發(fā)現(xiàn)，鍍液的顏色由開(kāi)缸時(shí)的深綠色逐漸變淺，即使工人對(duì)鍍液成分進(jìn)行了補(bǔ)充，產(chǎn)品的壽命也較短。原因在于工人只是定時(shí)定量地對(duì)鍍液進(jìn)行補(bǔ)充，對(duì)鍍液當(dāng)時(shí)的情況并沒(méi)有準(zhǔn)確的判斷。鍍液的成分影響鍍層的性能。在五金件電鍍過(guò)程中由于鍍液成分大量消耗，得不到合理的補(bǔ)充，因此鍍層的組成在不斷改變，不能一直保持最佳狀態(tài)。其次，在電鍍過(guò)程中，電流密度和鍍液溫度未能得到穩(wěn)定的控制，而這會(huì)導(dǎo)致鍍層厚度不均勻，缺陷較多，在使用過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，且大多形成于鍍層一側(cè)。還發(fā)現(xiàn)在最后吹干的過(guò)程中，部分鍍件距離風(fēng)口過(guò)近，導(dǎo)致其局部受到高溫沖擊，鍍層因此而受到損害。

3 解決方案

基于上述結(jié)論，對(duì)鍍液成分的消耗進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)各添加劑的消耗主要來(lái)源于帶出及電解消耗(如陽(yáng)極氧化及陰極沉積)，柔軟劑A I、鐵絡(luò)合劑B Fe-C 和絡(luò)合劑X C 平均每10 000 A·h 的大致消耗量分別為1 ～ 3 L、0.1 ～ 0.2 L 和1 ～ 3 L。

每1 000 L 槽液的最佳試劑含量為：柔軟劑A I 25.0 kg，鐵絡(luò)合劑B Fe-C 24.2 kg，絡(luò)合劑X C 24.5 kg，鐵溶液Y Fe 26.1 kg，低電位促進(jìn)劑Z L 25.0 kg。

定期分析鍍液中Zn、Fe 和NaOH 的濃度，通過(guò)添加鐵絡(luò)合劑B Fe-C 來(lái)補(bǔ)充鐵的損失，1 mL 的鐵絡(luò)合劑B Fe-C 相當(dāng)于20 mg 的鐵及0.5 mL 的絡(luò)合劑X C。定期分析鐵的含量是必要的。絡(luò)合劑的消耗量需要用絡(luò)合劑X C 來(lái)補(bǔ)充。如果絡(luò)合劑的量夠，而槽液中鐵的含量又不斷下降，就需要添加鐵溶液Y Fe了。1 mL 的鐵溶液Y Fe 含有40 mg 的鐵?？梢岳梅止夤舛扔?jì)對(duì)Fe 和絡(luò)合劑 X C 的含量進(jìn)行分析。

配制2%的苯并三氮唑酒精溶液作為封閉劑，對(duì)鍍層進(jìn)行封閉處理。封閉溫度控制在35 °C，防止鍍層受到高溫沖擊而形成擴(kuò)散偶[3]，對(duì)鍍層性能造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果對(duì)鍍液成分進(jìn)行合理補(bǔ)充，通過(guò)測(cè)定而得出成分消耗的一般規(guī)律，可以防止鍍層性能因鍍液成分缺失而受到影響。

對(duì)鍍件進(jìn)行封閉處理可以提高鍍層的耐蝕性，進(jìn)一步延長(zhǎng)其使用壽命。

將鍍液溫度控制在27 °C，封閉溫度控制在35 °C，可以防止鍍層因受到高溫沖擊而損壞。