CN106282996A - 一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法，包括以下工艺、步骤：1)先除去钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥；2)将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与磷化液进行镀膜，磷化液包括以下组分：1～5g/L的磷酸、3～14g/L的氧化锌、8～12g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度145℃～185℃、通入惰性气体加压至1.4MPa～1.9MPa、时间10min～15min；3)将处理后的钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品；4)反应后产生的废液重新调整离子浓度返回前段2)工序使用。本发明方法可以使钢铁材料表面生成30～50g/m2的致密化学膜，能提高钢铁材料的耐腐蚀能力，同时还具有减摩润滑的作用，反应后的废液调节镀膜液浓度后可以循环使用。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面化学处理技术领域，具体涉及一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的化学镀膜方法。
背景技术
化学镀膜是钢铁材料以及有色金属常用的前处理技术，它主要是金属材料与镀膜液发生一系列化学与电化学反应形成化学转化膜，这层膜可以在一定程度上给基体金属提供保护，常用于金属涂漆前的打底以及金属冷加工中提供减摩润滑作用。镀膜技术的工业化应用至今已有近百年的历史，中国专利99107984.1公开了一种金属材料表面化学镀镍方法，所述的金属材料表面化学镀镍方法包括滚光除油、出光处理、浸Zn－Ni处理、浸渍保护液和化学镀镍。上述工序中，滚光除油在滚磨机上进行，出光处理是将样品放入出光液中，随后在浸Zn－Ni液中进行浸Zn－Ni处理，在化学镀镍前，将样品放入保护液中，加速镀镍时的沉积速度，最后在镀镍液中进行化学镀镍处理。采用本发明所述的方法可在金属材料表面获得性能优异的镀层。
但随着科学技术的不断进步，人们对金属材料防腐的要求越来越高，传统的镀膜工艺也越来越难以满足金属材料防腐的要求。传统镀膜工艺中，产生的膜重较低，生成的膜层致密度不高，对金属材料的防腐有着自己的瓶颈。同时反应后的废水必须经过处理后才能排放，增加了生产成本，污染环境。因此，磷化技术的未来发展方向主要集中在提高质量、减少环境污染和节省能源等方向。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题的问题，而提供一种经济、操作简单、镀膜效果好、表面减摩润滑性能优异且整个工艺实现了零排放的增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法采用以下技术方案：
本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法包括以下工艺、步骤：
1)先除去钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥；
2)将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与磷化液进行镀膜，所述磷化液包括以下组分：1～5g/L的磷酸、3～14g/L的氧化锌、8～12g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度145℃～185℃、通入惰性气体加压至1.4MPa～1.9MPa、时间10min～15min；
3)将处理后的钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品；
4)反应后产生的废液重新调整离子浓度返回前段2)工序使用。
其较优选方案为：所述磷化液包括以下组分：2～4g/L的磷酸、5～12g/L的氧化锌、9～11g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度150℃～180℃、通入惰性气体加压至1.5MPa～1.8MPa、时间10min～15min。
更优选的方案为：所述磷化液包括以下组分：2～4g/L的磷酸、6～10g/L的氧化锌、9～11g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度160℃～170℃、通入惰性气体加压至1.6MPa～1.75MPa、时间11min～14min。
本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法采用以上技术方案后，使钢铁材料与镀膜液发生物理化学反应使钢铁材料表面生成镀层，所生成的镀层具有致密度高，抗腐蚀性强，抗氧化性能优异，同时还具有废水零排放和环境友号等优点，且还具有材料表面减摩润滑的作用。
与现有技术相比，本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法具有以下积极效果：
本发明提出了一种简单易行并且环保的压力镀膜处理工艺，通过钢铁材料与镀膜液在高温高压的条件下发生一系列化学与电化学反应形成化学转化膜，使钢铁材料表面生成30～50g/m2的膜层，能提高钢铁材料的耐腐蚀能力，同时还具有减摩润滑的作用，反应后的废液调节浓度后可以循环使用。生成的膜具有具有致密度高，抗腐蚀性强，抗氧化性能好，同时还具有材料表面减摩润滑的作用。该工艺实现了废水零排放和环境友好的特点，是制备机械行业中抗氧化构件的一种良好的方法。
其化学与电化学反应的基本原理为：钢铁材料在高温和高压(150℃～180℃、1.5～1.8MPa)的条件下，1)钢铁材料在磷酸的作用下发生电化学反应；2)电化学反应产生的Fe2+离子与HPO4 2-、PO4 3-反应产生沉淀附着在金属材料表面形成磷酸膜；3)Zn(H2PO4)2和Mn(H2PO4)2分解产生磷酸和沉淀附着在钢铁材料表面。体系中相关物理化学反应如下：
Fe+2H3PO4→Fe(H2PO4)2+H2↑
2Fe+6H+→2Fe3++3H2↑
Fe+2Fe3+→3Fe2+
Fe(H2PO4)2→FeHPO4↓+H3PO4
Fe+Fe(H2PO4)2→2FeHPO4↓+H2↑
3FeHPO4→Fe3(PO4)2↓+H3PO4
Fe+2FeHPO4→Fe3(PO4)2↓+H2↑
3Zn(H2PO4)2→Zn3(PO4)2↓+4H3PO4
3Mn(H2PO4)2→Mn3(PO4)2↓+4H3PO4
反应体系中高温、高压促进了反应速率，节省了反应时间。
反应后生成的膜在高压作用下膜致密度大大增加，提高了钢铁材料的抗腐蚀、抗氧化性能和表面减摩润滑的作用。
反应后产生的废液重新调整离子浓度可以返回前段工序使用，排放气体为氢气可以回收利用，整个过程比较环保。
综上所述，本发明提出了一种简单易行并且环保的压力磷化处理工艺，通过钢铁材料与镀膜液在高温高压的条件下发生一系列化学与电化学反应形成化学转化膜。生成的膜具有较高致密度，较强的抗腐蚀、抗氧化性能，同时还具有材料表面减摩润滑的作用。该工艺实现了废水零排放和环境友好的特点，并且制备方法工艺简单，成本相对较低，可以大规模生产。
附图说明
图1为本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法工艺流程图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合实施例，对本发明用一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法做详细说明。但本发明并不局限于实施例。
由图1可以看出，本发明一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法的实施工艺为：
1)先对钢铁材料进行预处理，除去钢铁材料表面污渍及氧化物(锈)，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥；
2)将干燥后的钢铁材料放入压力容器—压力釜中与磷化液进行镀膜处理；
3)将处理后的钢铁材料进行水洗、烘干后即得到成品；
4)反应后产生的废液重新调整离子浓度返回前段2)工序使用。
具体实施方式及工艺条件详见实施例1—实施例7。
实施例1
a.先采用碱洗和酸洗除去40Cr钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的40Cr钢铁材料进行干燥。
b.将干燥后的40Cr钢铁材料放入压力釜中反应。磷化液各成分组成包括：1g/L的磷酸、3g/L的氧化锌、8g/L的马日夫盐；反应条件为：pH值2.0(用磷酸或氨水调节)、温度150±5℃、压力(通入氩气加压)1.5±0.1MPa、时间10min。
c.将处理后的40Cr钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品。
实施例2：
a.先采用碱洗和酸洗除去Cr12钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的Cr12钢铁材料进行干燥。
b.将干燥后的Cr12钢铁材料放入压力釜中反应。镀膜液各成分组成包括：3g/L的磷酸、8g/L的氧化锌、10g/L的马日夫盐；反应条件为：pH值3.0(用磷酸或氨水调节)、温度160±5℃、压力(通入氩气加压)1.6±0.1MPa、时间12min。
c.将处理后的Cr12钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品。
实施例3：
a.先采用碱洗和酸洗除去4Cr13钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的4Cr13钢铁材料进行干燥。
b.将干燥后的4Cr13钢铁材料放入压力釜中反应。镀膜液各成分组成包括：5g/L的磷酸、14g/L的氧化锌、12g/L的马日夫盐；磷化反应条件为：pH值4.0(用磷酸或氨水调节)、温度180±5℃、压力(通入氩气加压)1.8±0.1MPa、时间15min。
c.将处理后的4Cr13钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品。
表1列示的是压力磷化与传统磷化法处理后钢材的膜与抗氧化性能对比。
从表1可以看出，与传统镀膜方法相比，采用本发明压力镀膜法，镀膜后的钢铁材料的抗氧化性能及膜重，都显示出十分突出的技术效果。不仅能提高钢铁材料的耐腐蚀能力，同时还具有减摩润滑的作用，反应后的废液调节镀膜液浓度后可以循环使用。
表1压力磷化与传统磷化法处理后钢材的膜与抗氧化性能对比
实施例4：40Cr钢铁材料，所述磷化液包括以下组分：2g/L的磷酸、6g/L的氧化锌、9g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为3.0、温度160℃、通入惰性气体加压至1.6MPaMPa、时间12min。
实施例5：40Cr钢铁材料，所述磷化液包括以下组分：所述磷化液包括以下组分：4g/L的磷酸、10g/L的氧化锌、11g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为4.0、温度170℃、通入惰性气体加压至1.7MPa、时间11min。
实施例6：Cr12钢铁材料，所述磷化液包括以下组分：3g/L的磷酸、8g/L的氧化锌、10g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.5、温度165℃、通入惰性气体加压至1.7MPa、时间13min。
实施例7：4Cr13钢铁材料，所述磷化液包括以下组分：3g/L的磷酸、8g/L的氧化锌、10g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为3.0、温度160℃、通入惰性气体加压至1.7MPa、时间12min。
实施例4-7中，镀膜后的钢铁材料的抗氧化性能皆十分优良，磷化表面轻微锈蚀或基本不锈蚀，膜重在35～50之间g/m2；其中实施例6、实施例7镀膜后的钢铁材料的磷化表面肉眼很难看到锈蚀现象，膜重分别为44、47g/m2，镀膜效果十分显著。
Claims (3)
1.一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法，其特征在于包括以下工艺、步骤：
1)先除去钢铁材料表面污渍及氧化物，然后将表面清理好的钢铁材料进行干燥；
2)将干燥后的钢铁材料放入压力釜中与磷化液进行镀膜，所述磷化液包括以下组分：1～5g/L的磷酸、3～14g/L的氧化锌、8～12g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度145℃～185℃、通入惰性气体加压至1.4MPa～1.9MPa、时间10min～15min；
3)将处理后的钢铁材料进行清洗、干燥后即得到成品；
4)反应后产生的废液重新调整离子浓度返回前段2)工序使用。
2.如权利要求1所述的一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法，其特征在于：所述磷化液包括以下组分：2～4g/L的磷酸、5～12g/L的氧化锌、9～11g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度150℃～180℃、通入惰性气体加压至1.5MPa～1.8MPa、时间10min～15min。
3.如权利要求1所述的一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力镀膜法，其特征在于：所述磷化液包括以下组分：2～4g/L的磷酸、6～10g/L的氧化锌、9～11g/L的马日夫盐；反应条件为：用磷酸或氨水调节pH值为2.0～4.0、温度160℃～170℃、通入惰性气体加压至1.6MPa～1.75MPa、时间11min～14min。
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| CN103451638B (zh) * | 2013-09-02 | 2015-10-28 | 东南大学 | 一种增强钢铁材料表面抗氧化能力的压力磷化法 |
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2016
- 2016-08-30 CN CN201610788843.1A patent/CN106282996A/zh active Pending
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