CN103741088B - 一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法 - Google Patents

一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法，属于钢铁材料防腐蚀技术领域。其中电解助镀剂组成成分为：氯化锌150～650g/L，氯化铵20～160g/L，氯化亚锡5～50g/L，氟铝酸钠0～30g/L，氟化钠0～30g/L，氯化铈0～20g，其余为水。本发明采用正交试验优选出适用于热浸镀锌铝合金的助镀剂，采用电解活化助镀能在试样表面电流沉积出一层均匀、厚度适中的复合盐膜，克服了传统溶剂助镀过程中依靠助镀剂盐溶液自然沉降过程而产生的盐膜不足的缺点，所得镀层表面平整、光亮，耐腐蚀性能好。

Description

一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法
技术领域
本发明涉及一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法，属于钢铁材料防腐蚀技术领域。
背景技术
热浸镀锌是延缓钢铁材料环境腐蚀的最有效手段之一，随着科学技术和现代工业的发展，对热浸镀锌产品提出了更高的要求。为了提高钢铁热浸镀锌件镀层的耐腐蚀性能，人们通常会在锌浴中加入一种或多种合金元素。热浸镀锌时，在锌浴中加入少量铝可减少锌液表面锌的氧化，获得表面平整、光亮的镀层。锌铝合金凝固时在382℃发生共晶反应，即该合金熔点较低，热浸镀时能耗较小，镀层中的共晶组织耐腐蚀性较好，适合于热浸镀锌生产，因此在锌浴中添加铝元素的技术得到了广泛应用。然而在热浸镀锌中铝元素的添加量大于0.06％时，会使常规氯化锌铵助镀剂失效从而导致镀件出现漏镀等问题，使热浸镀锌铝合金镀层在生产应用中受到很大限制。因此，研究开发适合于热浸镀锌铝合金、助镀效果稳定、耐腐蚀性能优异的助镀剂及其助镀工艺具有重要理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的在于解决合金镀层表面出现的漏镀及表面不均匀等问题，通过正交试验优选出适用于热浸镀锌铝合金的助镀剂，采用电解活化助镀在试样表面电流沉积一层均匀、厚度适中的复合盐膜，以便克服传统溶剂助镀过程中依靠助镀剂盐溶液自然沉降过程而产生的盐膜不足的缺点，所得镀层表面平整、光亮，耐腐蚀性能好。
为了实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂及其工艺方法，其中，电解助镀剂组成成分为：氯化锌150～650g/L，氯化铵20～160g/L，氯化亚锡5～50g/L，氟铝酸钠0～30g/L，氟化钠0～30g/L，氯化铈0～20g，其余为水。
优选地，电解助镀剂组成成分为：氯化锌550g/L，氯化铵100g/L，氯化亚锡20g/L，氟铝酸钠15g/L，氟化钠15g/L，氯化铈10g/L，其余为水。
采用上述电解助镀剂进行钢材热浸镀锌铝合金镀层的具体工艺流程过程为：
先用铁丝在磨制好的试样侧面钻孔处固定，以便在后续电解槽中吊挂；然后将试样放入质量分数为15％的热氢氧化钠溶液中进行脱脂处理，其中氢氧化钠溶液的温度为70～80℃，五分钟后取出放入纯水中清洗；再将清洗后的试样放入质量分数为5％的盐酸中进行去锈处理，该盐酸的温度为室温，两分钟后取出放入纯水中清洗；然后将清洗后的试样放入电解助镀剂中，电解活化助镀电流大小为0.2～0.8A，时间为40s～3min；助镀剂温度为60～80℃；电解助镀后取出放入干燥箱进行烘干处理，干燥箱温度为120℃，干燥时间为8～10分钟；试样烘干后将试样取出进行热浸镀锌，浸镀温度为445℃～455℃，浸镀时间为1min，试样浸镀后放入纯水中冷却。
电解助镀剂中主要成分的作用原理如下：
(1)氯化锌的作用：在高温热浸镀锌液状态下，氯化锌比氯化铵稳定，它自身对钢铁基体表面氧化物的溶解能力远小于氯化铵，但是助镀剂中的氯化锌，会在助镀后的工件表面形成结晶盐膜，这层盐膜在空气中具有良好的隔离作用，能够使工件表面在浸入锌液前较少发生氧化。同时氯化锌对锌液亦有净化作用，原因是氯化锌以液态的形式瞬间存在于锌液之中或锌液的表面，可与锌液中的浮渣FeZn13在较高温度下发生如下反应：FeZn13+ZnCl2=FeCl2+14Zn。
(2)氯化铵的作用：在200℃以上时，钢铁制品表面助镀液盐膜中的氯化铵在较高温度下分解成NH3和HCl，此时HCl与基体表面的氧化亚铁及锌液表面的氧化锌发生反应，使得铁与锌液相接触的界面得到充分的净化。反应方程式如下：FeO+2HCl+NH3=FeCl2(NH1)+H2O；ZnO+2HCl+NH3=ZnCl2(NH3)+H2O。可以看出，氯化铵的助镀作用是通过其分解产物净化和活化钢基体表面来实现的。在钢基工件浸镀锌液后，工件温度迅速升高，助镀剂在接触锌液后的反应式为：Zn+2NH4Cl=Zn(NH3)2Cl2+H2↑，即浸镀过程中反应生成的气体产生巨大的冲击力机械爆破去除基体表面的氧化膜、净化基体表面。
(3)氯化亚锡的作用：氯化亚锡的加入使锡元素与钢基体的铁发生置换反应，在工件表面析出一层薄薄的锡，并在锡层表面获得锌铁镀层，可以避免锌液中由于铝的加入而延缓锌铁合金的形成，避免漏键等问题，且氯化亚锡与镀液中的锌、铝发生置换反应降低了镀液与钢基间的表面张力，提高渡液与钢基的浸润性。
(4)氟铝酸钠的作用：现在工业中普遍应用电解冰晶石-氧化铝熔盐体系的方式生产铝。在电解助镀剂中添加氟铝酸钠既可以溶解氧化铝又可以在锌浴表面形成一层氧化物覆盖层，起到保护锌浴的作用。
(5)氟化钠的作用：加入少量的氟化钠可降低铝的氧化，保护钢基体表面不被氧化，改善基体与镀液的浸润性，与氯化物配合加入效果更明显。
(6)氯化铈的作用：热浸镀时，氯化铈不仅能使溶剂涂敷均匀，而且还可以促进溶剂的快速蒸发和有效地抑制溶剂与熔融合金中的铝反应，并降低AlCl3的生产量，从而达到改善镀层表面质量的目的。
本发明的有益效果在于：本发明采用正交试验优选出适用于热浸镀锌铝合金的助镀剂，采用电解活化助镀能在试样表面电流沉积出一层均匀、厚度适中的复合盐膜，克服了传统溶剂助镀过程中依靠助镀剂盐溶液自然沉降过程而产生的盐膜不足的缺点，所得镀层表面平整、光亮，耐腐蚀性能好。
附图说明
图1为本发明实施例1中1号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图2为本发明实施例1中2号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图3为本发明实施例1中5号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图4为本发明实施例1中6号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图5为本发明实施例1中7号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图6为本发明实施例1中9号助镀剂配方下的锌铝合金镀层表面形貌图。
图7为本发明实施例1中传统助镀剂对锌铝合金镀层施镀后被镀钢材表面形貌图。
图8为本发明实施例1中5号助镀剂对锌铝合金镀层施镀后被镀钢材表面形貌图。
图9为本实施例2中锌铝合金镀层横截面显微组织图(1000倍)。
图10为本实施例2中锌铝合金镀层横截面显微组织图(3000倍)。
图11为本实施例2中锌铝合金镀层的扫描电镜形貌图(标记1、2、3、4、5表示元素能谱分析不同位置点)。
图12为本实施例2中锌铝合金镀层各元素的能谱分析结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例1
本发明实施中，该热浸镀Zn-Al合金成分配比按质量百分比为Zn：95％，Al：5％，即Zn-5％Al合金。本发明实施例的目的在于提供一种适用于热浸镀锌铝合金的电解活化助镀剂，该助镀剂组成成分为：氯化锌550g/L，氯化铵100g/L，氯化亚锡20g/L，氟铝酸钠15g/L，氟化钠15g/L，氯化铈10g/L。分别取几组含量差别较小的进行试验如表1所示，几种不同助镀剂配比镀出的镀层表面形貌如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。
从图1～6中可看出试样5(图3所示)镀层的表面质量最佳，即平整、光滑，无锌瘤、漏镀等缺陷，从而确定最佳助镀剂成分的配方为：氯化锌550g/L，氯化铵100g/L，氯化亚锡20g/L，氟铝酸钠15g/L，氟化钠15g/L，氯化铈10g/L。图7和图8分别为用传统助镀剂和本研究所得的5号助镀剂对锌铝合金镀层施镀后被镀钢材表面形貌的比较，显然后者的施镀效果要好的多。
表1助镀剂配方
实施例2
本发明实施例的目的在于利用实施例1中的上述助镀剂中的最佳配方，提供一种电解活化助镀工艺，试验方案如表2所示。
表2电解活化工艺试验方案
具体工艺流程为：先用铁丝在磨制好的试样侧面钻孔处固定，以便在后续电解槽中吊挂；然后将试样放入质量分数为15％的热氢氧化钠溶液中进行脱脂处理，其中氢氧化钠溶液的温度为70～80℃，五分钟后取出放入纯水中清洗；再将清洗后的试样放入质量分数为5％的盐酸中进行去锈处理，该盐酸的温度为室温，两分钟后取出放入纯水中清洗；然后将清洗后的试样放入电解助镀剂中，助镀温度为60℃～70℃，电解助镀2min后取出放入干燥箱进行烘干处理，干燥箱温度为120℃，干燥时间为8～10分钟；试样烘干后将试样取出进行热浸镀锌，浸镀温度为445℃～455℃，浸镀时间为1min，试样浸镀后放入纯水中冷却。
本发明利用扫描电镜、能谱仪、中性盐雾腐蚀实验和全浸腐蚀实验等手段分析了锌铝合金镀层的化学成分、显微组织及耐腐蚀性能等。图9和图10为锌铝合金镀层横截面显微组织图。图11为锌铝合金镀层的扫描电镜形貌图，图12为针对图11中各元素的能谱分析结果。表3为中性盐雾腐蚀实验结果，表4为全浸腐蚀实验结果。表5为针对图11中锌铝合金镀层各位置点的元素分布的能谱分析结果。
表3中性盐雾腐蚀实验结果
表4全浸腐蚀实验结果
表5图3中锌铝合金镀层各元素分布的能谱分析结果
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂，其特征在于：所述电解助镀剂组成成分为：氯化锌150～650g/L，氯化铵20～160g/L，氯化亚锡5～50g/L，氟铝酸钠0～30g/L，氟化钠0～30g/L，氯化铈0～20g，其余为水；
采用所述电解助镀剂进行钢材热浸镀锌铝合金镀层的具体工艺流程过程为：先用铁丝在磨制好的试样侧面钻孔处固定，以便在后续电解槽中吊挂；然后将试样放入质量分数为15％的热氢氧化钠溶液中进行脱脂处理，其中氢氧化钠溶液的温度为70～80℃，五分钟后取出放入纯水中清洗；再将清洗后的试样放入质量分数为5％的盐酸中进行去锈处理，该盐酸的温度为室温，两分钟后取出放入纯水中清洗；然后将清洗后的试样放入电解助镀剂中，电解助镀后取出放入干燥箱进行烘干处理，干燥箱温度为120℃，干燥时间为8～10分钟；试样烘干后将试样取出进行热浸镀锌，浸镀温度为445℃～455℃，浸镀时间为1min，试样浸镀后放入纯水中冷却；
所述电解助镀剂的电解活化助镀电流大小为0.2～0.8A，时间为40s～3min；助镀剂温度为60～80℃。
2.根据权利要求1所述的一种适用于钢材热浸镀锌铝合金镀层的电解助镀剂，其特征在于：所述电解助镀剂组成成分为：氯化锌550g/L，氯化铵100g/L，氯化亚锡20g/L，氟铝酸钠15g/L，氟化钠15g/L，氯化铈10g/L，其余为水。
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