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钢铁防腐刷镀

高耐蚀锌-镍合金电刷镀技术及其应用

发布时间:2019-05-26 15:44:41    来源:费敬银原创

高耐蚀锌-镍合金电刷镀技术及其应用

 

费敬银

西北工业大学 710072

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Mobile: 13991120876

摘要

本文介绍了阳极性镀层的种类及其耐蚀特性。与阴极性镀层不同,即使阳极性镀层本身存在表面缺陷(如孔隙、裂纹等),如果缺陷的尺寸不大,阳极性镀层仍具有保护基体金属免遭腐蚀的能力。FJY防腐刷镀技术中包括刷镀锌、镉、锌-镍合金、镉-镍合金等阳极性镀层材料,该系列镀层经钝化和适当的表面改性后,可广泛用于大型构件的室内。外防腐工程。

关键词:镀锌 镀镉 锌-镍合金 镉-镍合金 防腐工程 海洋防腐 FJY刷镀

 

1.前言

一般认为,因金属的腐蚀而造成的直接损失相当于世界钢铁年产量的30%,即使其中2/3的废旧钢铁可以回收再利用,仍有约10%的钢铁因腐蚀而白白浪费了。因腐蚀破坏引发的停工、停产、灾难性事故所带来的间接经济损失更是难以估量。

为了防止或减轻金属的腐蚀,人们采用了各种各样的防腐蚀方法,如研制并使用新型耐蚀材料、采用涂(镀)层防腐蚀技术、缓蚀剂防腐蚀技术、阴极保护技术、阳极保护技术、完善结构设计等。无论采用哪一类现代防腐蚀技术,从本质上讲,所有防止或减缓金属腐蚀的措施均在于破坏形成腐蚀微电池所必须满足的四个基本条件之一、或减缓电化学腐蚀过程进行的速率。

在生产实践中,最常用的防腐蚀方法是镀层防腐技术。这些用于延长钢铁基体使用寿命的耐蚀性镀层可以是纯金属镀层、合金镀层,也可以是金属基复合镀层,每一种镀层都以其特有的方式保护基体金属免遭腐蚀。尽管耐蚀性镀层多种多样,但是,从其作用机理上看,依据镀层金属在腐蚀性环境中与基体金属之间的电偶序关系,可以将其简单地分为两大类——阴极性镀层和阳极性镀层。

 

1.1 阴极性镀层

对于钢铁基体金属而言,阴极性镀层(如铜、锡、镍镀层等)是以形成机械保护膜的方式将腐蚀性环境与基体金属隔开,从而保护钢铁基体免遭腐蚀,阴极性镀层本身在其所处的腐蚀性介质中有较高的稳定性。但是,如果阴极性镀层本身存在缺陷(如孔隙、裂纹、磨损等),其保护作用就会显著降低,甚至还有加速基体金属腐蚀的可能性。因此,对于阴极性镀层而言,镀层的完整性及其在腐蚀性介质中的稳定性是决定其耐蚀性高低的关键因素。

1.2 阳极性镀层

对于钢铁基体金属而言,阳极性镀层(如锌、镉镀层等)是以机械保护或以牺牲自己保护基体(自身优先腐蚀)的双重保护方式防止基体金属发生腐蚀。当镀层无缺陷时,镀层对基体起机械保护作用;当镀层有破损时,阳极性镀层则代替基体金属优先发生阳极溶解、或减缓基体金属发生阳极溶解的速率,从而阻止基体金属的腐蚀或减缓基体金属腐蚀的速率。因此,阳极性镀层在腐蚀介质中的电化学特性、腐蚀产物的稳定性、致密性是决定其耐蚀性好坏的重要因素。

与阴极性镀层不同,即使阳极性镀层本身存在表面缺陷(如孔隙、裂纹等),如果缺陷的尺寸不大,阳极性镀层仍具有保护基体金属免遭腐蚀的能力。正因为如此,人们总是希望选用阳极性镀层作为钢铁材料的保护层。对于钢铁材料而言,最常用的阳极性镀层是锌镀层和镉镀层。

1.3 锌镀层

早在20世纪20年代,人们就开始使用氰化镀锌工艺或酸性镀锌工艺进行工业化镀锌生产。由于镀锌层本身是阳极性镀层、经过钝化处理的镀锌层具有更好的耐蚀性、镀锌生产成本低廉等一系列优点,直到如今,钢铁镀锌仍然是最常用的防止黑色金属发生腐蚀的方法之一。

根据镀锌液中是否含有氰化物,可将镀锌技术分为有氰镀锌和无氰镀锌两大类。虽然有氰镀锌工艺所得的镀锌层具有较好的综合工艺性能、镀液易于维护、生产成本低等特点,但是,基于环境保护和安全生产的考虑,人们一直在致力于无氰镀锌技术的开发与应用研究。目前,除军工产品及少数具有特殊性能要求的工业产品外,大多数镀锌生产已不再选用有氰镀锌工艺。特别是在20世纪70年代,许多发达国家相继制定了更为严格的环境保护法案,对有氰镀锌工艺的使用范围进行了限制。此后,多种多样的无氰镀锌工艺、代锌电镀工艺应运而生,并在生产中得到推广应用。

1.4 镉镀层

在中性的大气腐蚀环境中,虽然镀锌层、特别是经过钝化处理的镀锌层,对钢铁基体有较好的防腐蚀性能,但是在更为苛刻的腐蚀性环境中(如海洋性大气环境等)服役的装备,或对耐蚀性有极高要求零部件的电镀加工(如飞机起落架等),人们倾向于选用具有更好耐蚀性的镉镀层作为钢铁基体的防腐蚀镀层。由于镀镉液大多含有剧毒的氰化物(虽然有关于无氰镀镉工艺的研究报道,但工艺尚不完善,不具备实际应用价值),且镉及镉的化合物都是剧毒物质,其毒副作用程度与汞、砷相类似,所以与食物、饮品或人体相接触零部件的防腐绝对不能使用镀镉防腐技术。镀镉层只能用在锌镀层不能满足耐蚀要求、且不与人体或食物相接触的场合。镉及其化合物昂贵的价格也是镀镉工艺的应用范围受到限制的重要原因之一。因此,近年来很少看到关于镀镉工艺研究与应用的新报道,而代镉电镀技术与工艺的研究报道却日益增多,其中锌基合金镀层被公认为是具有广泛应用前景的代镉镀层。

2.锌基合金镀层基本特点

为了研制出耐蚀性比锌高,毒性比镉小的无毒或低毒代锌、代镉镀层,自20世纪80年代起,以锌作为主要组成元素的锌基合金电镀工艺及其耐蚀性的研究方兴未艾。结果表明,作为阳极性防腐镀层,锌基合金镀层有可能成为最有希望的代锌、代镉镀层,其中,锌-铁合金、锌-钴合金、锌-镍合金镀层是研究最多的三类锌基合金镀层。

2.1 锌-铁合金镀层

近年来,关于锌-铁合金电镀工艺及其性能的研究报道越来越多,一般认为含铁15-25wt%的锌-铁合金镀层具有好的可焊性和良好的耐蚀性。作为表面喷漆之前的中间层,锌-铁合金镀层已在汽车工业等领域得到广泛的应用。

由于锌-铁合金电镀液中的二价铁离子易氧化成三价铁离子,并在镀层中形成铁氢氧化物的夹杂物,降低了锌-铁合金镀层本身的耐蚀性,并导致镀层出现脆性,镀层与基体之间的结合力下降等不良现象。因此,很多研究工作的重点集中在锌-铁合金镀液稳定性的研究上。另外,由于锌-铁合金镀层本身的腐蚀产物呈铁锈色,所以,很少有人将其作为零部件的表面镀层使用,而将其用作表面喷漆之前的中间层。

2.2 锌-钴合金镀层

与锌-铁合金相比,关于锌-钴合金镀层电沉积特性及其耐蚀行为的研究报道较少。可是越来越多的研究结果证明,含钴量很少(小于1wt%)的锌-钴合金镀层就已经具有较好的耐蚀性。因此,锌-钴合金镀层制备方法及其耐蚀特性的研究正逐步被人们所关注。Sard等人研究发现,含钴为0.6-0.8wt%锌-钴合金镀层的耐蚀性比纯锌镀层高出一倍以上。Shear在详细研究锌-钴合金镀层组成与其耐蚀性之间的关系时指出,含钴15wt%的锌-钴合金镀层具有最好的耐蚀性。也许是由于钴价昂贵的原因,较少见到关于锌-钴合金应用情况的报道。

2.3 锌-镍合金镀层

到目前为止,锌-镍合金是锌基合金镀层中研究最多、应用最广的锌基合金镀层。虽然早在1905年就有关于锌-镍合金电镀工艺研究的报道,但是直到20世纪40年代后期,才有一种商品名称叫作Coronizing的锌-镍合金镀液投放市场。进入20世纪80年代后期,发达国家开始大规模地将锌-镍合金镀层用于钢铁材料的表面保护。日本是最早在汽车工业领域大规模应用锌-镍合金镀层的国家。在90年代初期,美国和欧洲的一些发达国家也相继在汽车壳体的生产中使用了锌-镍合金镀层。试验研究和实际应用结果均表明,锌-镍合金镀层的耐蚀性是纯锌镀层的6-10倍,是镉镀层的3-4倍。适当的钝化处理还可以进一步提高锌-镍合金镀层的耐蚀性。

锌-镍合金镀层耐腐蚀性的高低主要取决于镀层中的含镍量。由于研究者所采用的测试手段及评估方法各种各样,所以不同作者报道的锌-镍合金镀层耐蚀性与镀层中镍含量之间的相互关系并不完全相同。尽管如此,多数研究者认为,含镍量在11-14wt%之间的锌-镍合金镀层具有较好的耐蚀性,含镍量为13wt%的锌-镍合金镀层具有最好的耐蚀性。虽然国内有人从事过锌-镍合金电镀工艺的研究,但未见到大规模成功应用锌-镍合金电刷镀技术的案例介绍。本文主要介绍FJY系列高耐蚀锌-镍合金电刷镀技术及其应用情况。

3. FJY系列锌-镍电刷镀技术应用实例及说明

西北工业大学电刷镀技术研究中心长期开展的功能性电刷镀技术的研究与应用,已经解决了制约电刷镀技术发展的“五大”国际难题(如在无氰镀金、无氰镀银、铬面刷镀、自补偿刷镀、高稳定镜面镀锡等方面解决了关键问题)。近年来,关于“高耐蚀锌-镍合金电刷镀技术及其应用研究”取得了突破性进展,并在多个领域得到推广应用。实际应用效果说明,采用FJY系列锌-镍合金电刷镀技术代替传统的镀层防腐蚀刷镀技术,可以显著提高在线设备的使用寿命,为创建环保型、资源节约型社会奠定了基础,特殊应用实例如下:

3.1锌-镍合金电刷镀技术在高压电力传输中的应用

高压电力传输线路的安全性、可靠性直接关系到工农业生产和人民的日常生活,08年雪灾造成的危害就是一个很好的例证。在雨雪环境中,电线塔架腐蚀倒塌、绝缘子腐蚀疲劳断裂是电力传输系统的重大故障。以前对于塔架的防腐多采用热浸锌或喷锌(锌-铝合金)防腐工艺,对于绝缘子防腐多采用镀锌工艺。08年雪灾之后,我校和有关单位协助,首先对绝缘子采用FJY系列刷镀锌-镍合金防腐技术,取得成功应用经验之后,将该项技术用于其它电力设备的生产制造。图2是绝缘子电刷镀锌-镍合金防腐镀层施工现场照片。

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1 电力传输设备表面防腐

3.2锌-镍合金电刷镀技术在印钞设备制造中的应用

货贝的防伪性能主要取决于印钞母板的精细程度。为了提高人民币的防伪能力,需要进一步提高印钞母板的加工精度。然而在母版的精加工过程中,需要在腐蚀性溶液中对母版进行抛光。抛光液腐蚀电磁吸合平台一直是困扰印钞机械加工者的难题。采用FJY系列锌-镍合金表面防腐刷镀技术可以减缓腐蚀介质对电磁平台的腐蚀作用,为提高电磁平台的加工精度、使用寿命提供了一种行之有效的解决办法。图3是电磁平台刷镀耐蚀性锌-镍合金的现场施工图片。

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2 印钞机母版加工设备表面防腐

3.3锌-镍合金电刷镀技术在军品加工中的应用

为了延伸洲际导弹的打击距离,通常把洲际导弹的发射地选址在沿海附近隐蔽的区域。众所周知,潮湿、含盐的海洋性气候对钢铁的腐蚀危害远大于一般大气的腐蚀作用。传统的海洋环境防腐方法是使用镀镉防腐技术,但是镉脆(氢脆)、镉污染、以及镉原料昂贵的价格等问题限制了镀镉技术的应用。已有的研究结果证明,锌-镍合金镀层是取代镉镀层的最佳选择,因此,在海洋性腐蚀环境中使用的装备(如舰船、鱼雷、水上飞机等)正逐步采用锌-镍合金表面防腐技术。图4是某远程导弹发射装置表面电刷镀FJY系列锌-镍合金防腐镀层现场施工照片。

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3 军品加工设备表面防腐          

4. 结论

从耐蚀性镀层的研究进展可知,锌-镍合金以其优异的耐腐蚀特性表现出了代替传统耐蚀性镀层的潜力。本文通过列举特殊应用实例的方式说明了采用FJY系列高耐蚀锌-镍合金电刷镀技术解决特殊表面防腐问题的可行性。该技术的广泛应用对提高设备的使用寿命、节约资源、解决环保问题有积极意义。

 

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