鋼鐵在進(jìn)行涂裝前通常需要進(jìn)行前處理,包括除油、除銹等工藝,化學(xué)前處理方法通常還要在鋼鐵的表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜,該轉(zhuǎn)化膜既有一定的防腐能力,可以避免零件在噴涂前短暫的時(shí)間內(nèi)返銹,也可以增加零件表面的粗糙度,增強(qiáng)涂料與基底的結(jié)合力。目前大部分采用的是磷化工藝,隨著節(jié)能減排的不斷推進(jìn),新型無(wú)磷轉(zhuǎn)化膜正在悄然取代傳統(tǒng)的磷化膜。

1磷化工藝

工件浸入磷化液(某些酸式磷酸鹽為主的溶液),在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)換膜的過程,稱之為磷化。按磷化膜的成分可分為鋅系、鋅鈣系、鋅錳系、錳系、鐵系、非晶相鐵系六大類。按處理溫度可以分為低溫型、中溫型、高溫型等。按磷化膜厚度(磷化膜重)分,可分為次輕量級(jí)、輕量級(jí)、次重量級(jí)、重量級(jí)四種[1]。磷化處理是目前鋼鐵涂裝前處理常用的處理方式。但因磷化液中重金屬含量較多,廢水處理的難度比較大,如果處理不當(dāng)就會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。當(dāng)前,磷化處理的研究方向主要是朝著提高成膜質(zhì)量、節(jié)能減排的方向發(fā)展。

2硅烷化處理工藝

硅烷化處理是以有機(jī)硅烷水溶液為主要成分對(duì)金屬或非金屬材料進(jìn)行表面處理的過程。

金屬表面硅烷化處理的機(jī)理:硅烷是一類含硅基的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化物,其基本分子式為:R′(CH2)nSi(OR)3。其中OR是可水解的基團(tuán),R′是有機(jī)官能團(tuán)。

硅烷在水溶液中通常以水解的形式存在:

-Si(OR)3+H2O→Si(OH)3+3ROH

硅烷水解后通過其SiOH基團(tuán)與金屬表面的MeOH基團(tuán)(Me表示金屬)的縮水反應(yīng)而快速吸附于金屬表面。

SiOH+MeOH=SiOMe+H2O

一方面硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價(jià)鍵。一般來(lái)說(shuō),共價(jià)鍵間的作用力可達(dá)700kJ,硅烷與金屬之間的結(jié)合是非常牢固的;另一方面,剩余的硅烷分子通過SiOH基團(tuán)之間的縮聚反應(yīng)在金屬表面形成具有Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜。該硅烷膜在烘干過程中和后道的電泳漆或噴粉通過交聯(lián)反應(yīng)結(jié)合在一起,形成牢固的化學(xué)鍵。這樣,基材、硅烷和油漆之間可以通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)固的膜層結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)的磷化處理相比,硅烷化處理具有以下優(yōu)點(diǎn):①不含重金屬和磷酸鹽,廢水處理簡(jiǎn)單,可以降低廢水處理的成本,減輕環(huán)境污染。硅烷化處理沉渣量少,甚至無(wú)渣,可以避免因沉渣導(dǎo)致設(shè)備維修保養(yǎng)費(fèi)用及誤工費(fèi)用。②不需表調(diào),也不需要亞硝酸鹽促進(jìn)劑等,藥劑用量少,可加快處理速度,提高生產(chǎn)效率,也減少了這類化學(xué)物質(zhì)的對(duì)環(huán)境污染。③可在常溫下進(jìn)行,不需加溫,減少能源消耗。④一種處理液可同時(shí)處理鐵、鋁等材料,不需更換槽液,降低生產(chǎn)成本。

3陶化工藝

陶化工藝是近兩年新興的一種處理工藝,它是以鋯鹽為基礎(chǔ)在金屬表面生成一層納米級(jí)陶瓷膜。陶化劑不含重金屬、磷酸鹽和任何有機(jī)揮發(fā)組分,成膜反應(yīng)過程中幾乎不產(chǎn)生沉渣,可處理鐵、鋅、鋁、鎂等多種金屬。該陶瓷膜可隨材質(zhì)、處理時(shí)間的長(zhǎng)短、pH值、槽液濃度的不同而呈現(xiàn)多種顏色,非常容易與底材顏色進(jìn)行區(qū)分。采用陶化工藝時(shí),可省掉磷化工藝中的表調(diào)工序,減少前處理藥劑的消耗。

陶化原理:(1)酸的侵蝕使金屬表面H+濃度降低:Fe-2e→Fe2+,2H++2e→2[H]

(2)納米硅促進(jìn)反應(yīng)加速:[Si]: ZrO2+4[H]→[Zr]+2H2O

式中[Si]為納米硅,[Zr]為還原產(chǎn)物,納米硅為反應(yīng)活化體,加快了反應(yīng)(1)的速度,進(jìn)一步導(dǎo)致金屬表面H+濃度急劇下降,生產(chǎn)的[Zr]成為成膜晶核。

(3)鋯酸根的兩級(jí)離解:H2ZrF+H+→ZrF+2H+

由于表面的H+濃度急劇下降,導(dǎo)致鋯酸根各級(jí)離解平衡向右移動(dòng),最終為ZrF。

(4)鋯酸鹽沉淀結(jié)晶成膜:當(dāng)表面離解出的ZrF與溶解中的金屬離子Fe2+達(dá)到溶度積常數(shù)Ksp時(shí),就會(huì)形成鋯酸鹽沉淀。

Fe2++ZrF +H2O→FeZrF6?2H2O

鋯酸鹽沉淀與水分子一起形成成膜物質(zhì),以[Zr]為膜晶核不斷堆積,晶核繼續(xù)長(zhǎng)大成為晶粒,無(wú)數(shù)個(gè)經(jīng)理堆積形成轉(zhuǎn)化膜。

硅烷化處理和陶化處理都可稱之為無(wú)磷成膜處理,目前市場(chǎng)上還有其它方式的無(wú)磷成膜處理方法,這些新技術(shù)與硅烷化或陶化處理有很多相似之處,一般都含有微量甚至不含重金屬和磷酸鹽,不需要表調(diào),可處理多種板材等,處理時(shí)間短,可以提高生產(chǎn)效率,在節(jié)能減排方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì),無(wú)磷成膜技術(shù)必將成為未來(lái)鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的主要處理方式。

4磷化工藝與無(wú)磷成膜工藝對(duì)比

5結(jié)語(yǔ)

硅烷化和陶化等無(wú)磷成膜技術(shù)的應(yīng)用,使鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)發(fā)生了重大變革。盡管這些轉(zhuǎn)化膜工藝尚未成熟,與磷化處理相比,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還存在一些難度,但我們相信,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,在不久的將來(lái),這些處理技術(shù)一定會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的磷化工藝,或者出現(xiàn)更為先進(jìn)的處理工藝。