CN110616392B - 一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属表面工程领域，具体涉及一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法。本发明主要是将可锻铸铁件埋入碳酸氢钠粉末床中，使可锻铸铁件置于氧化性气氛中进行表面氧化预处理，达到有效抑制铸铁件表面硅的活性的目的。与未预处理的可锻铸铁相比，预处理可锻铸铁件不同部位的镀层厚度差与其平均厚度值显著减小，镀层质量得到明显提高，在镀锌工业中有广阔的应用前景。

Description

一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法
技术领域
本发明属于金属表面工程领域，特别涉及一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法。
背景技术
在传统制造行业中，热浸镀锌方法发展历史悠久，作为一种技术较成熟的保护措施，被广泛应用于暴露在野外的高压线塔、城市大气环境下的路灯灯杆等金属制件的表面腐蚀防护。
热浸镀锌可锻铸铁通常被应用于热镀锌管件，热镀锌管件包括镀锌弯头，镀锌法兰，镀锌弯管，镀锌异径管，镀锌管帽封头等。热浸镀过程中，管件基体与锌液或锌合金液发生合金热力学及动力学反应，形成耐腐蚀且结构紧密的锌-铁合金层。合金层与纯锌层、铁基体融为一体，故其具有较强的耐腐蚀能力。热镀锌铸铁管件主要用于输送天然气、煤气、暖气等管道工程，如管道的管体部分需要进行镀锌防腐处理，连接管件也要进行镀锌处理。
研究表明，由于可锻铸铁件的硅含量较高(1.4～1.8％)，在热浸镀锌时存在明显的硅反应性，导致镀层厚度增加和镀层厚度不均匀且锌损较为严重。目前，可锻铸铁热镀锌工艺与国外的镀锌工艺存在明显的差距，一是热镀锌液的温度偏高，一般在600℃左右，而国外为460℃左右；二是可锻铸铁件的镀锌层偏厚，镀层厚度均匀性差，锌耗明显增大。一般说来，被镀的可锻铸铁零件碳硅含量越低，且铸件表面质量越好时，则锌与铁越容易结合而降低镀锌温度。反之，则要采用较高的镀锌温度，此时锌-铁反应加剧，镀锌液中铁的含量增加，形成锌渣，增大了镀锌液的粘度，合金液流动性明显降低，因而镀锌层偏厚。因此，有必要对可锻铸铁件进行适当的表面预处理，降低热镀锌过程中的硅反应性，最终实现减少镀层厚度和增加镀层厚度均匀性的目的。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，采用碳酸氢钠或碳酸氢钾粉末在一定温度下对可锻铸铁件进行表面预处理，降低硅的活性，目的是有效减小可锻铸铁件镀层厚度、显著增加可锻铸件镀层厚度的均匀性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，包括如下步骤：
将可锻铸铁件埋入碳酸氢钠和/或碳酸氢钾粉末床中，然后加热至分解出二氧化碳气体，进而进行表面预处理。
其中，预处理温度优选200～400℃，更进一步优选300℃。表面预处理时间优选30～100分钟，更进一步优选60分钟。
具体的，提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法还包括如下步骤：将经表面预处理后的可锻铸铁件，依次进行碱洗、水洗、酸洗、水洗、助镀及干燥后，浸入锌合金液中进行热浸镀锌；所述锌合金液的温度控制在460℃±10℃，热浸镀时间为3～5分钟。
本发明的原理如下：
一般来说，可锻铸铁中硅含量通常在1.4～1.8％，在进行热浸镀锌操作时会发生剧烈的硅反应性现象，从而导致镀锌层厚明显增加且均匀性较差。因此，降低可锻铸铁件表面硅的活性，将有利于获得厚度较薄且均匀的热浸镀锌层。
采用碳酸氢钠粉末对可锻铸铁件进行表面预处理时，由于碳酸氢钠在270℃时受热分解，在铸件周围形成二氧化碳气氛，借助高温下二氧化碳的氧化性，使可锻铸铁件表面层中的硅元素发生氧化，形成活性较低的SiO2，在酸洗和碱洗过程中SiO2溶入溶液中，可有效降低可锻铸铁件表面硅元素的含量。表面预处理后，有效抑制可锻铸铁件在镀锌时的硅反应性。
相比与现有技术，本发明所取得的技术效果为：采用碳酸氢钠粉末在高温下对可锻铸铁进行表面预处理后，由于镀锌时硅反应性的降低，使可锻铸铁件镀锌层厚度明显减小、镀层均匀性得到明显改善。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：以下实施例中定量金相分析误差在百分之五以内。
图1为未经碳酸氢钠表面预处理的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
图2为经碳酸氢钠粉末在200℃处理60分钟的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
图3为经碳酸氢钠粉末在300℃处理60分钟的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
图4为经碳酸氢钠粉末在400℃处理60分钟的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
图5为经碳酸氢钠粉末在300℃处理30分钟的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
图6为经碳酸氢钠粉末在300℃处理90分钟的可锻铸铁样品热镀锌后镀层的金相照片。
在相同的预处理时间(60分钟)时，随着预处理温度的升高，可锻铸铁件镀锌层平均厚度先减少然后增加，在300℃预处理后镀层平均厚度最小；此外，随着预处理温度的升高，可锻铸铁件不同部位的镀锌层厚度差值逐渐减少。
在相同的预处理温度(300℃)时，随着预处理时间由30分钟增加到60分钟，可锻铸铁件镀锌层平均厚度和不同部位的镀锌层厚度差值增加较少，但当预处理增加到90分钟后，可锻铸铁件镀锌层平均厚度和不同部位的镀锌层厚度差值明显增加。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
本实施例采用的具体助镀剂和助镀工艺为：助镀剂为热浸镀锌用的常规助镀剂，成分为27wt.％NH4Cl、23wt.％ZnCl2、5wt.％SnCl2、2wt.％K2ZrF6,其余为水。助镀工艺为：将经过预处理的可锻试样在70～80℃助镀溶液中浸泡5min，取出后干燥10min，然后进行镀锌处理。
对比实施例：
作为参比热浸镀锌样品，将尺寸为10mm×10mm×4mm的可锻铸铁试样进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥等镀锌前处理，热浸镀锌合金液成分为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃，将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟。定量金相分析表明，可锻铸铁试样镀层平均厚度为102μm，最厚处与最薄处的镀层厚度差为148.6μm。
实施例1：
将尺寸为10mm×10mm×4mm的可锻铸铁试样埋入碳酸氢钠粉末床中，在200℃下进行表面预处理60分钟，取出后对其依次进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥处理，然后将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟，热浸镀锌合金液成分同样为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃。200℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度测量结果见表1。定量金相分析表明，可锻铸铁镀层平均厚度为86.5μm，比未经预处理试样的镀层平均厚度减少了15.2％。最厚处与最薄处之间的镀层厚度差为118.4μm，比未经预处理试样最厚处与最薄处之间的镀层厚度差减少了20.3％，镀层均匀性得到了一定的改善。
表1 200℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度(μm)
Figure BDA0002245799320000051
实施例2：
将尺寸为10mm×10mm×4mm的可锻铸铁试样埋入碳酸氢钠粉末床中，在300℃下进行表面预处理60分钟，取出后依次对其进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥一系列处理，锌合金液然后将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟，热浸镀锌合金液成分同样为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃。300℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度测量结果见表2。定量金相分析表明，可锻铸铁镀层平均厚度为76.1μm，比未经预处理试样的镀层平均厚度减少了25.4％。最厚处与最薄处之间的镀层厚度差为71.8μm，比未经预处理试样最厚处与最薄处之间的镀层厚度差减少了51.7％，镀层均匀性得到了明显改善。
表2 300℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度(μm)
Figure BDA0002245799320000052
实施例3：
将尺寸为10mm×10mm×3mm的可锻铸铁试样埋入碳酸氢钠粉末床中，在400℃下进行表面预处理60分钟，取出后对其依次进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥一系列处理锌合金液，然后将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟，热浸镀锌合金液成分为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃。400℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度测量结果见表3。定量金相分析表明，可锻铸铁镀层平均厚度为81.3μm，比未经预处理试样的镀层平均厚度减少了20.3％。最厚处与最薄处之间的镀层厚度差为61.2μm，比未经预处理试样最厚处与最薄处之间的镀层厚度差减少了58.9％，镀层均匀性得到了更为明显的改善。
表3 400℃碳酸氢钠预处理60分钟前后可锻铸铁镀层厚度(μm)
Figure BDA0002245799320000061
实施例4：
将尺寸为10mm×10mm×4mm的可锻铸铁试样埋入碳酸氢钠粉末床中，在300℃下进行表面预处理30分钟，取出后对其依次进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥处理(处理步骤与实施例1相同)锌合金液，然后将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟，热浸镀锌合金液成分同样为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃。300℃碳酸氢钠预处理30分钟前后可锻铸铁镀层厚度测量结果见表4。定量金相分析表明，可锻铸铁镀层平均厚度为61.7μm，比未经预处理试样的镀层平均厚度减少了39.5％。最厚处与最薄处之间的镀层厚度差为67μm，比未经预处理试样最厚处与最薄处之间的镀层厚度差减少了55％，镀层均匀性得到了明显改善。
表4 300℃碳酸氢钠预处理30分钟前后可锻铸铁镀层厚度(μm)
Figure BDA0002245799320000071
实施例5：
将尺寸为10mm×10mm×4mm的可锻铸铁试样埋入碳酸氢钠粉末床中，在300℃下进行表面预处理90分钟，取出后对其依次进行碱洗－水洗－酸洗－水洗－助镀－干燥处理(处理步骤与实施例1相同)锌合金液，然后将可锻铸铁试样浸入锌合金液中浸镀4分钟，热浸镀锌合金液成分同样为Zn-0.05wt.％Al，锌合金液温度控制在460℃。300℃碳酸氢钠预处理90分钟前后可锻铸铁镀层厚度测量结果见表5。定量金相分析表明，可锻铸铁镀层平均厚度为95.9μm，比未经预处理试样的镀层平均厚度减少了6.0％。最厚处与最薄处之间的镀层厚度差为101.8μm，比未经预处理试样最厚处与最薄处之间的镀层厚度差减少了31.5％，镀层均匀性得到了一定改善。
表5 300℃碳酸氢钠预处理90分钟前后可锻铸铁镀层厚度(μm)
Figure BDA0002245799320000072
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，其特征在于：包括如下步骤：将可锻铸铁件埋入碳酸氢钠粉末床中，然后加热至分解出二氧化碳气体，进而进行表面预处理；
所述表面预处理的温度为300~400℃；
将经表面预处理后的可锻铸铁件，依次进行碱洗、水洗、酸洗、水洗、助镀及干燥；
所述表面预处理时间为30~60分钟。
2.如权利要求1所述的提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，其特征在于：所述表面预处理的温度为300℃。
3.如权利要求1所述的提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，其特征在于：所述表面预处理时间为60分钟。
4.如权利要求1至3中任一项所述的提高可锻铸铁热浸锌镀层质量的表面预处理方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：
将所述干燥后的可锻铸铁件浸入锌合金液中进行热浸镀锌，所述锌合金液的温度控制在460℃±10℃，热浸镀时间为3~5分钟。
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