鋼鐵在進行涂裝前通常需要進行前處理,包括除油、除銹等工藝,化學前處理方法通常還要在鋼鐵的表面形成一層化學轉(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間內(nèi)返銹,也可以增加零件表面的粗糙度,增強涂料與基底的結(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,新型無磷轉(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、輕量級、次重量級、重量級四種[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,如果處理不當就會對環(huán)境造成污染。當前,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硅烷水溶液為主要成分對金屬或非金屬材料進行表面處理的過程。

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

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基團與金屬表面的MeOH基團(Me表示金屬)的縮水反應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共價鍵。一般來說,共價鍵間的作用力可達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基團之間的縮聚反應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)反應結(jié)合在一起,形成牢固的化學鍵。這樣,基材、硅烷和油漆之間可以通過化學鍵形成穩(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:①不含重金屬和磷酸鹽,廢水處理簡單,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,甚至無渣,可以避免因沉渣導致設備維修保養(yǎng)費用及誤工費用。②不需表調(diào),也不需要亞硝酸鹽促進劑等,藥劑用量少,可加快處理速度,提高生產(chǎn)效率,也減少了這類化學物質(zhì)的對環(huán)境污染。③可在常溫下進行,不需加溫,減少能源消耗。④一種處理液可同時處理鐵、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,它是以鋯鹽為基礎在金屬表面生成一層納米級陶瓷膜。陶化劑不含重金屬、磷酸鹽和任何有機揮發(fā)組分,成膜反應過程中幾乎不產(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)、處理時間的長短、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行區(qū)分。采用陶化工藝時,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)納米硅促進反應加速:[Si]: ZrO2+4[H]→[Zr]+2H2O

式中[Si]為納米硅,[Zr]為還原產(chǎn)物,納米硅為反應活化體,加快了反應(1)的速度,進一步導致金屬表面H+濃度急劇下降,生產(chǎn)的[Zr]成為成膜晶核。

(3)鋯酸根的兩級離解:H2ZrF+H+→ZrF+2H+

由于表面的H+濃度急劇下降,導致鋯酸根各級離解平衡向右移動,最終為ZrF。

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

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)長大成為晶粒,無數(shù)個經(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磷成膜處理,目前市場上還有其它方式的無磷成膜處理方法,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,處理時間短,可以提高生產(chǎn)效率,在節(jié)能減排方面具有相當大的優(yōu)勢,無磷成膜技術(shù)必將成為未來鋼鐵表面化學轉(zhuǎn)化膜的主要處理方式。

4磷化工藝與無磷成膜工藝對比

5結(jié)語

硅烷化和陶化等無磷成膜技術(shù)的應用,使鋼鐵表面化學轉(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,在實際生產(chǎn)應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,這些處理技術(shù)一定會逐步取代傳統(tǒng)的磷化工藝,或者出現(xiàn)更為先進的處理工藝。