重量法測定熱鍍鋅鐵合金鋼板鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量

供稿|張璨，吳鎮(zhèn)君

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈍化、耐指紋作為鍍鋅鋼板的化學(xué)表面后處理方式，增強了鍍鋅板的耐腐蝕性能。鈍化液或耐指紋液的涂覆量是鍍鋅板生產(chǎn)過程中必須控制的工藝參數(shù)之一，所以需對鍍鋅板的鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量進行分析測定。該論文研究了用重量法測定合金化熱鍍鋅鋼板的鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量。用配制好的剝離液將試樣中含有后處理膜的鍍鋅層剝離溶解，利用試樣前后的重量差和試樣表面積求出鍍鋅層和后處理膜層總質(zhì)量，再用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定鍍鋅層含量，進而求得鈍化膜、耐指紋膜的質(zhì)量。該方法檢測結(jié)果準確可靠，而且排除了鈍化液、耐指紋液成分波動的影響。

熱鍍鋅鐵合金板又稱作合金化熱鍍鋅板(GA 板)，其制造工藝是在鋅鍋之后啟用合金化爐，在對鋼板進行加熱的過程中，形成鋅鐵合金鍍層[1-2]。為了進一步增強鍍鋅鋼板的防銹和耐腐蝕性能，有諸如耐指紋、磷化、鈍化、涂油等多種化學(xué)表面后處理方式[3-5]，來增加其使用壽命。耐指紋鋼板因其具備良好的耐指紋性能、耐蝕性能和導(dǎo)電性能而被廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品等[6]。鈍化處理因其工藝簡單、防銹性能好、成本較低而同樣用途廣泛。如果鍍鋅板耐指紋膜或鈍化膜涂覆量過少，達不到預(yù)期的抗腐蝕性能，無法滿足客戶的需求；如果耐指紋膜或鈍化膜涂覆量過多，則會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，而且過量的耐指紋膜會導(dǎo)致鋼板導(dǎo)電性變差。因此，準確測定鍍鋅板鈍化膜、耐指紋膜的質(zhì)量十分重要。

據(jù)了解，測定鍍鋅板后處理膜質(zhì)量常見的方法有X 射線熒光光譜法，文獻[7-9]實質(zhì)上是應(yīng)用熒光法分別測定Cr 元素和Si 元素來確定鍍鋅板鈍化膜質(zhì)量；而針對耐指紋膜，文獻[10]應(yīng)用了熒光法測定Cr 元素和Zr 元素來計算出膜層質(zhì)量。由此可見，熒光法的實施需要掌握鍍鋅板所涂覆后處理液的元素組成并且依賴于后處理液化學(xué)成分的穩(wěn)定不變。鈍化劑、耐指紋劑生產(chǎn)制造商在實際生產(chǎn)中，不同批次的鈍化劑、耐指紋劑成分可能存在波動。測定后處理膜質(zhì)量最直接最可靠的是重量法，即采用某種試劑只將鈍化膜或耐指紋膜除去，利用試樣前后的質(zhì)量差和試樣面積即可求得鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量。但目前很難找到只溶解鈍化膜層或者耐指紋膜層而不腐蝕鍍鋅層的試劑。

研究表明，合金化熱鍍鋅板鍍層成分為鋅、鐵和少量的鋁元素[11]，GA 板鍍層中鐵質(zhì)量分數(shù)一般為8%～13%[12-13]。圖1 為合金化熱鍍鋅板結(jié)構(gòu)圖，已知熱鍍鋅生產(chǎn)線所用的鈍化劑、耐指紋劑成分中均不含鋅、鐵、鋁元素[14]，所以將包含后處理膜的鍍層溶解，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定鍍層質(zhì)量，用重量法即可計算得到鈍化膜、耐指紋膜的質(zhì)量，這樣就建立了一種測定熱鍍鋅鐵合金板鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量的方法，并且不受鈍化液、耐指紋液成分波動的影響。

試驗部分

主要試劑及材料

鹽酸，1.16 g/mL，優(yōu)級純；六次甲基四胺(C6H12N4)，分析純；剝離液：將3.5 g 六次甲基四胺溶解于500 mL 濃鹽酸中，用水稀釋至1000 mL；無水乙醇；鋅標準儲備溶液，質(zhì)量濃度為1000 mg/L；鐵標準儲備溶液，質(zhì)量濃度為1000 mg/L；鋁標準儲備溶液，質(zhì)量濃度為10 mg/L(由質(zhì)量濃度為1000 mg/L的鋁標準溶液稀釋100 倍而得)；實驗用水為純水機制備的超純水，電阻率≥18 MΩ·cm；脫脂棉；橡膠溶樣杯[15]，尺寸更改為可放置φ80 mm 圓片試樣的橡膠杯；玻璃器皿：容量瓶、量筒、移液管、大肚吸管、燒杯等。

儀器及工作參數(shù)

圓片沖床，可制取φ80 mm 的圓片試樣；電子分析天平，感量為0.1 mg；美國安捷倫公司Agilent 5110 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。發(fā)射光譜儀最佳工作條件：射頻發(fā)生器功率為1150 W；霧化氣流量為0.70 L/min；等離子體氣流量為12.0 L/min；輔助氣流量為1.00 L/min；泵速為12 r/min；提升延遲為20 s；使用快速泵；讀取時間為5 s；穩(wěn)定時間為15 s；采用徑向觀察模式，觀察高度為8 mm。純度高于99.99%的高純氬氣作為氣源。

試驗方法

樣品制備

將鈍化GA 板或耐指紋GA 板用圓片沖床制取φ80 mm 的圓片樣品(試樣單面面積A=50.265 cm2)，沖制過程中應(yīng)避免待測后處理膜受到破壞。為了去除圓片表面的油污，可用脫脂棉蘸取無水乙醇，輕輕擦拭后吹干。

鍍鋅層和后處理膜層總質(zhì)量的測定

用分析天平進行稱重，精確至0.0001 g，記錄圓片樣品的原始質(zhì)量W1(g)。將圓片樣品待測面朝上，放入橡膠溶樣杯中，壓實圓片邊部與橡膠杯緊密貼合。用量筒量取20 ml 剝離液至溶樣杯中的圓片樣品上，當氣泡不再冒出時，溶解過程結(jié)束，將溶樣杯中的剝離液倒入1000 ml 容量瓶中，用水輕輕沖洗圓片表面及溶樣杯內(nèi)壁若干次并將沖洗液全部倒入1000 ml 容量瓶中，用水定容并搖勻，用于測定鍍鋅層質(zhì)量。將圓片取出并吹干，再次用分析天平稱量，精確至0.0001 g，記錄剝離鍍鋅層及后處理膜層后的樣品質(zhì)量W2(g)，則鍍鋅層和后處理膜層總質(zhì)量W如式(1)所示。

鍍鋅層質(zhì)量的測定

(1)校準溶液的配制和酸度匹配

根據(jù)熱鍍鋅機組GA 板生產(chǎn)工藝中的鍍鋅量范圍確定校準曲線各點的濃度，本文以單面鍍鋅量為30～90 g/m2、其中鐵的質(zhì)量分數(shù)以8%～13%來計算。準備6 個100 ml 容量瓶，按照表1 所示，依次準確移取鋅、鐵、鋁標準儲備溶液，再用量筒分別量取2 ml 剝離液于每個容量瓶中進行酸度匹配以排除酸效應(yīng)的影響，用水定容后搖勻，配制成具有濃度梯度的系列混合校準溶液。

表1 校準溶液中各元素的濃度

(2)發(fā)射光譜譜線的選用和校準曲線的擬合

綜合考慮待測元素光譜強度的信噪比和所測溶液中各元素之間的光譜干擾情況，選擇光譜干擾小、背景低、靈敏度好的譜線作為分析譜線。將ICP 光譜儀的各工作參數(shù)設(shè)定至最佳條件，點火并穩(wěn)定后，依次對各校準溶液進行發(fā)射光譜強度的測定，依次以溶液中所含Zn、Fe、Al 元素的質(zhì)量為橫坐標，對應(yīng)的發(fā)射光譜強度作為縱坐標，進行曲線擬合。所選用的發(fā)射光譜譜線波長和校準曲線的相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 各元素的分析譜線和校準曲線的相關(guān)系數(shù)

(3)圓片試樣鍍鋅量的測定

將已定容至1000 ml 的鍍層溶液用ICP 光譜儀進行測定，得出圓片試樣的鍍層中Zn、Fe、Al 元素的質(zhì)量，分別記作WZn、WFe、WAl，鍍鋅圓片的鍍層質(zhì)量記作W3，單位為g，則有：

后處理膜層質(zhì)量的計算

使用式(3)計算GA 板鈍化膜或耐指紋膜質(zhì)量W4，單位為g/m2。

結(jié)果與討論

準備若干鈍化GA 板和耐指紋GA 板試樣，先用X 射線熒光光譜法分別測定鈍化膜、耐指紋膜的質(zhì)量，再用本方法進行測定，比對數(shù)據(jù)見表3。從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，本方法測定結(jié)果與X 射線熒光光譜法(XRF)的分析結(jié)果基本一致。采用獨立雙樣本t檢驗來判斷，由統(tǒng)計學(xué)t檢驗臨界表查得，雙側(cè)的顯著性水平為5%、自由度為7 時的t值為2.365，2 種方法鈍化膜測定數(shù)據(jù)t值為0.075、耐指紋膜測定數(shù)據(jù)t值為0.142，均小于t0.05(7)(2.365)，說明與X 射線熒光光譜法比較，重量法的測定結(jié)果差別不顯著；鈍化膜測定數(shù)據(jù)P值為0.47、耐指紋膜測定數(shù)據(jù)P值為0.44，均大于0.05，說明結(jié)果無差異。

表3 熱鍍鋅鐵合金板后處理膜質(zhì)量測定數(shù)據(jù)表 g/m2

結(jié)論

(1)建立了一種測定熱鍍鋅鐵合金板鈍化膜、耐指紋膜質(zhì)量的方法，檢測結(jié)果準確可靠。

(2)與X 射線熒光光譜法相比，采用重量法一方面不需要去深究鈍化膜、耐指紋膜的組分構(gòu)成，另一方面排除了鈍化液、耐指紋液成分不穩(wěn)定導(dǎo)致檢驗結(jié)果出現(xiàn)偏差的影響。