CN113529152B

CN113529152B - 一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法

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Publication number: CN113529152B
Application number: CN202010314521.XA
Authority: CN
Inventors: 吴玮巍; 王宝森; 周庆军; 祁庆琚; 刘明亮
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN113529152A

Abstract

本发明公开了一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，将需要处理的所述钢铁材料表面进行电解氧化处理，待所述钢铁材料脱水后再作湿润处理，然后再将所述钢铁材料进行脱水，使所述钢铁材料表面形成铁锈。本发明实现钢铁材料在经过处理后可迅速在其表面形成均匀锈层，该方法尤其适用于耐候钢表面的连续快速成锈处理。

Description

一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法

技术领域

本发明涉及钢材生产技术领域，更具体地说，涉及一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法。

背景技术

相对于碳钢、耐候钢具有良好的耐大气腐蚀性能，其主要原因是：经过长期大气暴晒，使其表面上形成了稳定、致密的保护性锈层，阻碍了腐蚀介质的进入；而碳钢表面形成的锈层往往较为疏松，且存在大量的微裂纹，对基体的保护性较差。研究表明，根据空气湿度、温度、降水、日照等情况的不同，通常在自然环境下，耐候钢表面形成均匀覆盖的锈层需要3个月至1年时间，形成稳定的保护性锈层则需要4年及以上的时间。耐候钢在形成均匀覆盖锈层前会出现颜色不均、大量淌黄锈、掉锈渣等现象，对环境造成污染。在锈层覆盖并逐步稳定化之后会有所改善。经过4年或更长时间，表面锈层稳定后，耐候钢能显现出具有很强的厚重感的深褐色或咖啡色外观。而且该颜色能经多年不变，很好的阻碍腐蚀介质的进一步深入，阻止腐蚀的发生。在一般性户外大气环境中，耐候钢能稳定使用80年以上。

针对该问题，人们开展了很多耐候钢锈层稳定化方面的研究，如下表1所示查询到的国内自1980年以来在该领域形成的发明专利。

表1相关专利列表

从表1中可以看出，专利主要集中于耐候钢快速成锈及锈层稳定化溶液配方领域，在该领域申报的专利多达20件。

其中，最多的是锈层稳定化溶液配方领域的专利，如CN86103534A所公开了一种能在耐候钢、碳素钢等材料表面快速形成耐候性防锈膜即辅助锈层稳定化的方法，该方法主要源于对日本已有方法的优化，采用栲胶替代了成本较高的单宁酸。如CN103173754A公开了一种耐候钢表面锈层稳定化处理剂及其制备方法，处理剂由25～45％的醇酸清漆、4～12％的焦磷酸铜、2～10％的铬酸钡、1～14％的Fe₃O₄、20～50％的、Fe₂O₃、1～10％的溶剂油和0.5～5％的分散剂组成。如CN102268663A所公开了一种耐候钢用表面稳定处理剂，处理剂是由主剂38～47，辅剂1.8～16，改性剂1～2，促进剂1～3，阻锈剂0.5～3，引发剂1～1.5，添加剂0.002～0.005，余量溶剂为乙醇组成的。但这类技术不能在耐候钢表面快速成锈，而是在耐候钢表面成锈后在锈层上方再涂覆成膜，用于阻挡锈层稳定前锈液的流淌和锈渣飞溅，由于需要成有机膜，往往需要使用有机溶剂，且过程复杂。而且有机膜在自然老化脱落过程中会形成碎片飞散、流挂，严重影响外观并对环境造成影响。

还有小部分专利涉及到让耐候钢表面快速形成均匀锈层覆盖的技术。这类技术多采用在耐候钢表面涂覆一种或多种盐溶液的方法使钢板表面铁元素被氧化成铁或亚铁盐，然后通过喷水促进铁盐水解成铁的氧化物沉淀，最后通过晾干使得沉淀脱水并最终快速成锈。如CN102925884A所公开了一种加速耐候钢表面锈层稳定化的喷液预处理方法，处理剂由0.1％～3％NaCl、0.3％～3％FeSO₄、0.1％～3％CuSO₄和0.3％～3％NaHSO₃与水混合搅拌均匀得到。如CN106435556A所公开了一种减轻耐候钢锈液流挂的稳定剂及喷淋方法，与上述的CN102925884A专利有相似之处，处理剂由0.1％～3％NaCl、0.3％～3％FeSO₄、0.1％～3％CuSO₄、0.2％～4％AlCl₃、0.1％～1％MnCl₂和0.3％～3％NaHSO₃组成。如CN107794523A公开了一种耐候钢板快速锈蚀方法，采用的处理液是2.4％NaCl溶液、2.4％CuSO₄溶液、3.2％FeSO₄溶液、3.2％NaHSO₃溶液的等体积混合液。此类方法的原理是通过在耐候钢表面涂覆含有氧化剂的盐，将耐候钢表面的铁氧化成铁盐，然后通过喷水促进铁盐水解成铁氧化物的水合物，最后通过晾干使之脱水变成铁锈。由于这类方法涉及使用的盐溶液对所有钢铁材料都会有一定的腐蚀性，用于连续钢铁材料的表面处理时，不可避免会对周边设备造成腐蚀破坏，因此无法应用于连续钢铁材料的表面处理。

如CN106555155A所公开了一种加速耐候钢表面锈层稳定化的预氧化处理方法，涉及通过特殊的处理工艺使耐候钢表面快速成锈，过程不涉及腐蚀性盐溶液的使用，可用于连续钢铁材料的处理。但该技术主张的方法需要先去除钢铁材料表面的氧化皮，然后还需在去除氧化皮后对钢材表面进行打磨，然后将钢材放入高温炉中在350～1000℃下保温0.5～2小时。该过程需要的时间长，且需要持续高温加热，能耗高，且可能对材料组织及性能产生影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，钢铁材料在经过处理后可迅速在其表面形成均匀锈层，该方法尤其适用于耐候钢表面的连续快速成锈处理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，所述表面处理方法包括以下步骤：

1)通过电化学阳极氧化的方法将待处理的钢铁材料表面的单质铁氧化成化合态，直至所述钢铁材料表面变为黄色或绿色；

2)待钢铁材料表面晾干后，在其表面涂覆水或盐溶液，促进铁盐水解成铁的氧化物或羟基氧化物的水合物；

3)再将所述钢铁材料自然晾干，使得形成的铁氧化物的水合物脱水，在所述钢铁材料表面形成铁锈。

所述步骤1)前，先将所述钢铁材料表面进行清洗处理，去除其表面油污。

在进行表面清洗前，先将所述钢铁材料表面进行去除氧化皮处理。

所述步骤1)中，将待处理的钢铁材料设为阳极，另一块不锈钢板、碳棒或其它金属作为阴极，二者间通过电解质溶液导通。

所述步骤1)中，对所述阳极施加电位为0.01～36V，阳极氧化的电流密度为10～10000A/m²。

所述电解质溶液为腐蚀性弱的电解质溶液。

所述电解质溶液为，活泼金属阳离子Na⁺、K⁺，与常规阴离子F^-、Cl^-、SO₄ ^2-组成的盐溶液。

重复所述步骤1)至所述步骤3)，直至所述钢铁材料表面生成均匀连续的锈层。

通过滚涂、刷涂、或喷涂方式在钢铁材料表面涂覆水或盐溶液。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，还具有以下几点有益效果：

1)可有效避免相关设备的腐蚀生锈，常规快速成锈方法利用含氧化剂的溶液实现待处理表面单质铁的氧化，如周边设备沾染溶液，则设备中的单质铁也会被氧化，进而一同“快速生锈”。本发明方法采用阳极氧化电化学方法加速钢材表面单质铁的氧化，只有被施加了阳极氧化电位的待处理表面的单质铁才会被氧化成铁盐，进而发生水解及脱水反应，变成铁锈；与被处理材料接触的生产设备由于没有被施加电位，因此不会被氧化，也不会被腐蚀生锈；

2)安全环保，本发明方法虽然涉及对钢材施加阳极电位进行氧化，但通常情况下施加在钢材上的阳极电位低于触电电压36V，因此不存在触电风险，不会对人体造成伤害；过程对于溶液没有特殊要求，只需要具有较好的导电性即可，反应只会在阴极产生少量的氢气，氢气会迅速逸散到空气中，不会对环境产生不良影响；

3)成本低，现有专利均涉及贵重金属盐的使用，如CuSO₄，还有的甚至涉及使用镍盐，需要较高的药剂成本。采用本发明方法对溶液无特殊要求，只需要导电即可，可节省大量药剂成本。本发明方法虽涉及使用直流电流，但由于电压极低，所产生的电费成本极低，如以10V100A计，每小时产生的电费支出小于1.5元，几乎可忽略不计；

4)对钢材表面要求低，现有专利方法都必须对钢材已有氧化皮进行酸洗或抛丸处理，因为钢材表面的黑色氧化皮会形成物理阻隔，妨碍氧化剂与钢材表面单质铁的反应。氧化皮酸洗不仅增加成本，而且存在废酸回收利用问题。抛丸处理存在物料消耗，且存在噪音粉尘污染。采用本发明方法，利用钢材表面黑色氧化皮本身的导电性，可对带有热轧氧化皮的钢材直接进行处理，在其表面形成均匀覆盖的锈层，无需去除氧化皮，不仅可大幅节约去除氧化皮的成本，同时还简化了工序，提高了效率。

附图说明

图1是本发明表面处理方法实施例的流程示意图；

图2是本发明表面处理方法实施例进行阳极氧化的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所提供的一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，将需要处理的钢铁材料表面进行电解氧化处理，待钢铁材料脱水后再作湿润处理，然后再将钢铁材料进行脱水，使钢铁材料表面形成铁锈。

本发明表面处理方法，具体步骤如下：

1)通过阳极氧化的方法将需要处理的钢铁材料表面的单质铁氧化成化合态，直至钢铁材料表面变为黄色或绿色；

2)待钢铁材料表面晾干后，通过滚涂、刷涂或喷涂方式在其表面涂覆水或盐溶液，促进铁盐水解成铁的氧化物或羟基氧化物的水合物；

3)再将钢铁材料自然晾干，使得形成的铁氧化物的水合物脱水，在钢铁材料表面形成铁锈。

在进行步骤1)前，即在进行阳极氧化方法前，先将钢铁材料表面进行清洗处理，去除其表面油污。

在进行步骤1)前，即在进行钢铁材料表面清洗前，还可通过酸洗、喷丸或机械打磨方式将钢铁材料表面进行去除氧化皮处理；也可不去除氧化皮，若不去除氧化皮，需要适当延长步骤1)中阳极氧化处理的时间。

在步骤1)中，待处理的钢铁材料为阳极，施加在其表面的阳极氧化的电位为0.01～36V，阳极氧化的电流密度为10～10000A/m²；处理时间为0.1～10分钟，根据待处理钢板面积、电流密度大小及表面情况(是否有黑色氧化皮)不同，处理时间也应有所选择，处理至钢板表面明显变绿且没有黑斑为宜；一旦出现黑斑则说明出现了过氧化，需要适当缩短处理时间；有黑色氧化皮的钢板一般需要处理更长时间，延长幅度以同样情况下没有黑色氧化皮钢板处理时间的1.5至3倍为宜。

在步骤1)中，阳极氧化所用的溶液没有特殊要求，采用常规的电解质溶液即可。但为了减轻可能对连续生产设备造成的腐蚀影响，电解质溶液较佳采用腐蚀性弱的电解质溶液，如活泼金属阳离子Na⁺、K⁺，与常规阴离子F^-、Cl^-、SO₄ ^2-组成的盐溶液。

可重复步骤1)至步骤3)，直至钢铁材料表面生成均匀连续的锈层。重复的次数越多，锈层越厚，颜色越深。

对钢铁材料表面进行清洗处理，目的是去除处理表面的灰尘、油污，提高表面清洁度以增强其导电性，为后续处理提供较好的表面状态。清洁可采用脱脂剂清洗，也可采用机械或电解清洗，只要能去除表面附着的灰尘、油污，获得清洁的表面即可。清洗完成后可通过水膜法检验清洗质量，需要能在待处理表面形成连续水膜。表面不清洗或清洗质量差，会影响后续锈层的均匀性，导致锈层颜色、厚度不均，甚至可能导致局部区域无法成锈。因此，该工序可作为推荐采用的工序，并非必需要工序，若材料本身表面状态保护良好，或不具备条件、对锈层均匀性要求不高，也可省略该工序。

对钢铁材料表面进行去除氧化皮处理，目的是去除原本残留的热轧氧化铁皮，以避免氧化铁皮对后续电解氧化过程的干扰，提高电解氧化效率。由于热轧氧化铁皮主要由导电的四氧化三铁组成，因而其存在并不会显著影响电解氧化的进程，通过适当提高氧化电流、延长电解氧化时间，也可在黑色氧化皮表面形成均匀覆盖的锈层。因此，该工序也是并非必需要工序，根据环保和经济角度考虑，该工序可省略。

对钢铁材料表面进行阳极氧化，目的是通过在待处理表面施加一定的阳极电位，使得材料表面的单质铁氧化。如图2所示，过程中需要将待处理的钢铁材料3作为阳极，碳棒或其它金属电极4作为阴极，二者间通过电解质溶液2导通。进行处理时，通过直流电源1在待处理钢铁材料3表面施加低于36V的安全电压并保持恒电流，直至其表面的单质铁被氧化成化合态的铁离子，使得表面呈现黄色或绿色。施加的电流越大，则上述过程进行的越快。但电流过大容易引起发热，同时容易过烧导致形成黑色产物影响成锈质量。过程中作为阳极的钢材表面的电极反应如下：

阳极反应：Fe-2e＝Fe²⁺

阴极发送的反应根据选取电解质溶液的不同而可能存在差异。如电解质溶液为Cu、Ag等不活泼金属的盐，则发生的反应为Mⁿ⁺+ne＝M，会在阴极表面形成不活泼金属的镀层。如电解质溶液是Na、K等活泼金属的盐，则发生的反应为2H⁺+2e＝H₂，会产生少量氢气逸出。

该工序使待处理钢材表面的铁由单质形式变成化合态，是整个快速成锈过程的关键必选工序。

反复的对钢铁材料表面进行湿润和脱水，目的是使电解氧化产生的化合态铁离子不断水解变成铁的氢氧化物沉淀在钢材表面，然后不断脱水并和空气中的氧发生反应，最终以铁锈的形式沉积在钢材表面并不断生长。

过程涉及到的主要反应如下：

Fe²⁺的水解：Fe²⁺+2H₂O＝Fe(OH)₂↓+2H⁺

氧化脱水：2Fe(OH)₂+1/2O₂＝2FeOOH+2H₂O

该工序是整个快速成锈过程的关键必选工序，需要根据具体情况反复进行，直到钢材表面形成所需要的均匀锈层。

实施例1

取边长0.1米的BC550耐候钢热轧黑皮钢材，按下述步骤进行快速成锈处理，具体步骤如下：

1)表面酸洗：将浓度为36％的工业浓盐酸与去离子水按体积比1：1混合后加热至70℃，然后将钢材放入混合溶液中浸泡，直至表面黑色氧化皮全部去除；

2)清洗：采用70℃、2％的帕卡SC-364S脱脂剂(碱性)溶液对钢材表面进行充分的脱脂清洗，去除表面油污。之后用大量清水清洗表面，使钢材表面形成均匀连续水膜。

3)去除水分：采用压缩空气方式去除样板表面残余水分。

4)电解氧化：将待处理的钢材做阳极，另一块不锈钢板做阴极，二者间充满10％的KCl溶液，在二者间通过3kW大功率直流电源，施加20A的阳极电流，持续1分钟。之后发现待处理的钢材表面变成深绿色。

5)脱水：断开连接，将钢材至于空气中自然晾干，成深绿色膜。

6)湿润：在钢材表面喷洒纯水，用海绵将多余的水分吸干。待钢材表面自然干透后再反复喷水并晾干4到5次，直至钢材表面长出均匀的锈层。

实施例2

1)清洗：采用70℃、2％的帕卡SC-364S脱脂剂(碱性)溶液对钢材表面进行充分的脱脂清洗，去除钢材表面油污。之后用大量清水清洗表面，使钢材表面形成均匀连续水膜。

2)去除水分：采用压缩空气方式去除钢材表面残余水分。

3)电解氧化：将待处理的钢材做阳极，另一块不锈钢板做阴极，二者间充满10％的NaCl溶液，在二者间通过3kW大功率直流电源，施加20A的阳极电流，持续2分钟。

4)脱水：断开连接，将钢材至于空气中自然晾干，在黑色氧化皮上形成深绿色的铁盐的膜。

5)湿润：在钢材表面喷洒0.1％NaCl稀溶液，用海绵将多余的水分吸干。待表面自然干透后再反复喷0.1％NaCl稀溶液并晾干2到3次，直至钢材表面长出均匀的锈层，之后再喷洒纯水并晾干1到2次，将钢材表面吸附残留的盐清洗去除。

实施例3

取边长0.1米的Q345热轧黑皮钢材，按下述步骤进行快速成锈处理，具体步骤如下：

1)表面酸洗：将浓度为36％的工业浓盐酸与去离子水按体积比1：1混合，然后将钢材放入混合溶液中浸泡，直至钢材表面黑色氧化皮全部去除。

2)清洗：采用70℃、2％的帕卡SC-364S脱脂剂(碱性)溶液对钢材表面进行充分的脱脂清洗，去除钢材表面油污。之后用大量清水清洗表面，使钢材表面形成均匀连续水膜。

3)去除水分：采用压缩空气方式去除钢材表面残余水分。

4)电解氧化：将待处理的钢材做阳极，另一块不锈钢板做阴极，二者间充满1Mol/L的K2SO4溶液，在二者间通过3kW大功率直流电源，施加20A的阳极电流，持续1分钟。之后发现待处理的钢材表面变成深绿色。

实施例4

1)清洗：采用70℃、2％的帕卡SC-364S脱脂剂(碱性)溶液对钢材表面进行充分的脱脂清洗，去除表面油污。之后用大量清水清洗表面，使钢材表面形成均匀连续水膜。

2)去除水分：采用压缩空气方式去除钢材表面残余水分。

3)电解氧化：将待处理的钢材做阳极，另一块不锈钢板做阴极，二者间充满1Mol/L的Na2SO4溶液，在二者间通过3kW大功率直流电源，施加20A的阳极电流，持续2分钟。

5)湿润：在钢材表面喷洒纯水，用海绵将多余的水分吸干。待钢材表面自然干透后再反复喷水并晾干4到5次，直至钢材表面长出均匀的锈层。

综上所述，本发明方法不涉及腐蚀性盐溶液的使用，可只对需要处理的钢铁材料表面进行处理，不会造成连续生产设备的腐蚀；方法成本低廉、绿色环保无有害排放；成锈迅速，可在一小时内在需要处理的钢铁材料表面形成均匀锈层，能满足连续生产的需要。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，用于耐候钢表面的连续快速成锈处理，其特征在于：

所述表面处理方法包括以下步骤：

3)再将所述钢铁材料自然晾干，使得形成的铁氧化物的水合物脱水，在所述钢铁材料表面形成铁锈，

重复所述步骤1)至所述步骤3)，直至所述钢铁材料表面生成均匀连续的锈层，

所述步骤1)中，将待处理的钢铁材料设为阳极，另一块不锈钢板、碳棒或其它金属作为阴极，二者间通过电解质溶液导通，

所述步骤1)中，对所述阳极施加电位为0.01～36V，阳极氧化的电流密度为10～10000A/m²，

所述电解质溶液为腐蚀性弱的电解质溶液，

2.如权利要求1所述的实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，其特征在于：所述步骤1)前，先将所述钢铁材料表面进行清洗处理，去除其表面油污。

3.如权利要求2所述的实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，其特征在于：在进行表面清洗前，先将所述钢铁材料表面进行去除氧化皮处理。

4.如权利要求2所述的实现钢铁材料快速生锈的表面处理方法，其特征在于：通过滚涂、刷涂、或喷涂方式在钢铁材料表面涂覆水或盐溶液。