本發(fā)明屬于金屬材料表面化學(xué)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的化學(xué)鍍膜方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)鍍膜是鋼鐵材料以及有色金屬常用的前處理技術(shù)，它主要是金屬材料與鍍膜液發(fā)生一系列化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，這層膜可以在一定程度上給基體金屬提供保護(hù)，常用于金屬涂漆前的打底以及金屬冷加工中提供減摩潤滑作用。鍍膜技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用至今已有近百年的歷史，中國專利99107984.1公開了一種金屬材料表面化學(xué)鍍鎳方法，所述的金屬材料表面化學(xué)鍍鎳方法包括滾光除油、出光處理、浸Zn－Ni處理、浸漬保護(hù)液和化學(xué)鍍鎳。上述工序中，滾光除油在滾磨機(jī)上進(jìn)行，出光處理是將樣品放入出光液中，隨后在浸Zn－Ni液中進(jìn)行浸Zn－Ni處理，在化學(xué)鍍鎳前，將樣品放入保護(hù)液中，加速鍍鎳時(shí)的沉積速度，最后在鍍鎳液中進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理。采用本發(fā)明所述的方法可在金屬材料表面獲得性能優(yōu)異的鍍層。
但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)金屬材料防腐的要求越來越高，傳統(tǒng)的鍍膜工藝也越來越難以滿足金屬材料防腐的要求。傳統(tǒng)鍍膜工藝中，產(chǎn)生的膜重較低，生成的膜層致密度不高，對(duì)金屬材料的防腐有著自己的瓶頸。同時(shí)反應(yīng)后的廢水必須經(jīng)過處理后才能排放，增加了生產(chǎn)成本，污染環(huán)境。因此，磷化技術(shù)的未來發(fā)展方向主要集中在提高質(zhì)量、減少環(huán)境污染和節(jié)省能源等方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題的問題，而提供一種經(jīng)濟(jì)、操作簡單、鍍膜效果好、表面減摩潤滑性能優(yōu)異且整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)了零排放的增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法采用以下技術(shù)方案：
本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法包括以下工藝、步驟：
1)先除去鋼鐵材料表面污漬及氧化物，然后將表面清理好的鋼鐵材料進(jìn)行干燥；
2)將干燥后的鋼鐵材料放入壓力釜中與磷化液進(jìn)行鍍膜，所述磷化液包括以下組分：1～5g/L的磷酸、3～14g/L的氧化鋅、8～12g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2.0～4.0、溫度145℃～185℃、通入惰性氣體加壓至1.4MPa～1.9MPa、時(shí)間10min～15min；
3)將處理后的鋼鐵材料進(jìn)行清洗、干燥后即得到成品；
4)反應(yīng)后產(chǎn)生的廢液重新調(diào)整離子濃度返回前段2)工序使用。
其較優(yōu)選方案為：所述磷化液包括以下組分：2～4g/L的磷酸、5～12g/L的氧化鋅、9～11g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2.0～4.0、溫度150℃～180℃、通入惰性氣體加壓至1.5MPa～1.8MPa、時(shí)間10min～15min。
更優(yōu)選的方案為：所述磷化液包括以下組分：2～4g/L的磷酸、6～10g/L的氧化鋅、9～11g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2.0～4.0、溫度160℃～170℃、通入惰性氣體加壓至1.6MPa～1.75MPa、時(shí)間11min～14min。
本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法采用以上技術(shù)方案后，使鋼鐵材料與鍍膜液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)使鋼鐵材料表面生成鍍層，所生成的鍍層具有致密度高，抗腐蝕性強(qiáng)，抗氧化性能優(yōu)異，同時(shí)還具有廢水零排放和環(huán)境友號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，且還具有材料表面減摩潤滑的作用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法具有以下積極效果：
本發(fā)明提出了一種簡單易行并且環(huán)保的壓力鍍膜處理工藝，通過鋼鐵材料與鍍膜液在高溫高壓的條件下發(fā)生一系列化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，使鋼鐵材料表面生成30～50g/m2的膜層，能提高鋼鐵材料的耐腐蝕能力，同時(shí)還具有減摩潤滑的作用，反應(yīng)后的廢液調(diào)節(jié)濃度后可以循環(huán)使用。生成的膜具有具有致密度高，抗腐蝕性強(qiáng)，抗氧化性能好，同時(shí)還具有材料表面減摩潤滑的作用。該工藝實(shí)現(xiàn)了廢水零排放和環(huán)境友好的特點(diǎn)，是制備機(jī)械行業(yè)中抗氧化構(gòu)件的一種良好的方法。
其化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)的基本原理為：鋼鐵材料在高溫和高壓(150℃～180℃、1.5～1.8MPa)的條件下，1)鋼鐵材料在磷酸的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；2)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+離子與HPO42-、PO43-反應(yīng)產(chǎn)生沉淀附著在金屬材料表面形成磷酸膜；3)Zn(H2PO4)2和Mn(H2PO4)2分解產(chǎn)生磷酸和沉淀附著在鋼鐵材料表面。體系中相關(guān)物理化學(xué)反應(yīng)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
反應(yīng)體系中高溫、高壓促進(jìn)了反應(yīng)速率，節(jié)省了反應(yīng)時(shí)間。
反應(yīng)后生成的膜在高壓作用下膜致密度大大增加，提高了鋼鐵材料的抗腐蝕、抗氧化性能和表面減摩潤滑的作用。
反應(yīng)后產(chǎn)生的廢液重新調(diào)整離子濃度可以返回前段工序使用，排放氣體為氫氣可以回收利用，整個(gè)過程比較環(huán)保。
綜上所述，本發(fā)明提出了一種簡單易行并且環(huán)保的壓力磷化處理工藝，通過鋼鐵材料與鍍膜液在高溫高壓的條件下發(fā)生一系列化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。生成的膜具有較高致密度，較強(qiáng)的抗腐蝕、抗氧化性能，同時(shí)還具有材料表面減摩潤滑的作用。該工藝實(shí)現(xiàn)了廢水零排放和環(huán)境友好的特點(diǎn)，并且制備方法工藝簡單，成本相對(duì)較低，可以大規(guī)模生產(chǎn)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
為進(jìn)一步描述本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明用一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法做詳細(xì)說明。但本發(fā)明并不局限于實(shí)施例。
由圖1可以看出，本發(fā)明一種增強(qiáng)鋼鐵材料表面抗氧化能力的壓力鍍膜法的實(shí)施工藝為：
1)先對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行預(yù)處理，除去鋼鐵材料表面污漬及氧化物(銹)，然后將表面清理好的鋼鐵材料進(jìn)行干燥；
2)將干燥后的鋼鐵材料放入壓力容器—壓力釜中與磷化液進(jìn)行鍍膜處理；
3)將處理后的鋼鐵材料進(jìn)行水洗、烘干后即得到成品；
4)反應(yīng)后產(chǎn)生的廢液重新調(diào)整離子濃度返回前段2)工序使用。
具體實(shí)施方式及工藝條件詳見實(shí)施例1—實(shí)施例7。
實(shí)施例1
a.先采用堿洗和酸洗除去40Cr鋼鐵材料表面污漬及氧化物，然后將表面清理好的40Cr鋼鐵材料進(jìn)行干燥。
b.將干燥后的40Cr鋼鐵材料放入壓力釜中反應(yīng)。磷化液各成分組成包括：1g/L的磷酸、3g/L的氧化鋅、8g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：pH值2.0(用磷酸或氨水調(diào)節(jié))、溫度150±5℃、壓力(通入氬氣加壓)1.5±0.1MPa、時(shí)間10min。
c.將處理后的40Cr鋼鐵材料進(jìn)行清洗、干燥后即得到成品。
實(shí)施例2：
a.先采用堿洗和酸洗除去Cr12鋼鐵材料表面污漬及氧化物，然后將表面清理好的Cr12鋼鐵材料進(jìn)行干燥。
b.將干燥后的Cr12鋼鐵材料放入壓力釜中反應(yīng)。鍍膜液各成分組成包括：3g/L的磷酸、8g/L的氧化鋅、10g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：pH值3.0(用磷酸或氨水調(diào)節(jié))、溫度160±5℃、壓力(通入氬氣加壓)1.6±0.1MPa、時(shí)間12min。
c.將處理后的Cr12鋼鐵材料進(jìn)行清洗、干燥后即得到成品。
實(shí)施例3：
a.先采用堿洗和酸洗除去4Cr13鋼鐵材料表面污漬及氧化物，然后將表面清理好的4Cr13鋼鐵材料進(jìn)行干燥。
b.將干燥后的4Cr13鋼鐵材料放入壓力釜中反應(yīng)。鍍膜液各成分組成包括：5g/L的磷酸、14g/L的氧化鋅、12g/L的馬日夫鹽；磷化反應(yīng)條件為：pH值4.0(用磷酸或氨水調(diào)節(jié))、溫度180±5℃、壓力(通入氬氣加壓)1.8±0.1MPa、時(shí)間15min。
c.將處理后的4Cr13鋼鐵材料進(jìn)行清洗、干燥后即得到成品。
表1列示的是壓力磷化與傳統(tǒng)磷化法處理后鋼材的膜與抗氧化性能對(duì)比。
從表1可以看出，與傳統(tǒng)鍍膜方法相比，采用本發(fā)明壓力鍍膜法，鍍膜后的鋼鐵材料的抗氧化性能及膜重，都顯示出十分突出的技術(shù)效果。不僅能提高鋼鐵材料的耐腐蝕能力，同時(shí)還具有減摩潤滑的作用，反應(yīng)后的廢液調(diào)節(jié)鍍膜液濃度后可以循環(huán)使用。
表1壓力磷化與傳統(tǒng)磷化法處理后鋼材的膜與抗氧化性能對(duì)比
實(shí)施例4：40Cr鋼鐵材料，所述磷化液包括以下組分：2g/L的磷酸、6g/L的氧化鋅、9g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為3.0、溫度160℃、通入惰性氣體加壓至1.6MPaMPa、時(shí)間12min。
實(shí)施例5：40Cr鋼鐵材料，所述磷化液包括以下組分：所述磷化液包括以下組分：4g/L的磷酸、10g/L的氧化鋅、11g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為4.0、溫度170℃、通入惰性氣體加壓至1.7MPa、時(shí)間11min。
實(shí)施例6：Cr12鋼鐵材料，所述磷化液包括以下組分：3g/L的磷酸、8g/L的氧化鋅、10g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2.5、溫度165℃、通入惰性氣體加壓至1.7MPa、時(shí)間13min。
實(shí)施例7：4Cr13鋼鐵材料，所述磷化液包括以下組分：3g/L的磷酸、8g/L的氧化鋅、10g/L的馬日夫鹽；反應(yīng)條件為：用磷酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為3.0、溫度160℃、通入惰性氣體加壓至1.7MPa、時(shí)間12min。
實(shí)施例4-7中，鍍膜后的鋼鐵材料的抗氧化性能皆十分優(yōu)良，磷化表面輕微銹蝕或基本不銹蝕，膜重在35～50之間g/m2；其中實(shí)施例6、實(shí)施例7鍍膜后的鋼鐵材料的磷化表面肉眼很難看到銹蝕現(xiàn)象，膜重分別為44、47g/m2，鍍膜效果十分顯著。