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    電鍍廠資訊：本文研究了電鍍鋅和鍍鋅層硅酸鹽無鉻鈍化工藝，主要研究內容包括以下幾個方面：

 

    以電鍍鋅工藝體系作為研究對象，對各種體系的優缺點進行了對比，并選擇氯化物鉀鹽鍍鋅。通過正交優化實驗確定了氯化鉀鍍鋅工藝的最佳工藝條：ZnCl2：80g/L;KCl：200g/L;H3BO3：35g/L;主光亮劑：2mL/L;載體光亮劑：10mL/L;輔助光亮劑：6mL/L;pH：5.0;電流密度：l～1.5A/dm2。確定了硅酸鹽鈍化工藝的最佳條件：Na2SiO3：20g/L;H2SO4：3g/L;H2O2：30g/L;添加劑：10mL/L;pH值：2.5;鈍化時間：60s。

 

    研究了各工藝因素對氯化鉀鍍鋅工藝中鍍層外觀質量的影響，試驗結果表明：鍍液中主光亮劑卞叉丙酮的含量過低則鍍層黯淡無光，表面粗糙，不平滑，含量過高則試片高電流密度區易燒焦，析氫現象嚴重，邊緣效應明顯;載體光亮劑含量過低則卞叉丙酮無法溶解，鍍層粗糙不平滑，含量過高則低電流密度區域發黑光亮范圍縮小;輔助光亮劑含量過低則光亮范圍小，低電流密度區域發黑，含量過高則邊緣效應明顯且鍍層表面發黃;鍍液pH值過低則析氫嚴重，pH值過高則鍍層表面發霧，光亮性變差，鍍液出現渾濁;鍍層厚度隨電鍍時間的變長而變厚。

 

    研究了影響鈍化膜耐蝕性的因素，結果表明，鈍化時間、溫度、pH值、鈍化液各組分含量對鈍化膜的耐蝕性影響很大，偏離了其最佳值鈍化膜的耐蝕就會明顯降低，其它工藝條件如老化時間、干燥方式對鈍化膜耐蝕性也有較明顯的影響，老化時間以24h最佳，干燥方式采用熱風干燥。而空氣中停留時間對耐蝕性影響很微弱，55較好。

 

    將硅酸鹽鈍化工藝與其它各種無鉻鈍化工藝進行了對比試驗，結果表明：硅酸鹽鈍化液具有良好的穩定性，硅酸鹽鈍化膜的耐腐蝕性明顯好與其他無鉻鈍化膜，該工藝在代替鍍鋅鉻酸鹽鈍化方面具有良好的應用前景。

 

    關鍵詞：鍍鋅：硅酸鹽鈍化：無鉻鈍化：耐蝕性

 

    第一章緒論

 

    1.1概述

 

    本文主要研究了電鍍鋅及鍍鋅層的無鉻鈍化工藝，重點研究了鍍鋅層在硅酸鹽鈍化體系下的工藝條件及耐蝕性。

 

    金屬腐蝕是自然界存在的一種現象，它是金屬與環境化學、電化學相互作用的自發破壞過程，也是一種人們不希望產生或有意制造的過程。鋼鐵在空氣中會生銹，鋁容器裝食鹽會穿孔，這都是常見的腐蝕現象。其根本原因是因為這些金屬在腐蝕介質中處于熱力學不穩定狀態[1]。

 

    隨著世界經濟的發展和環境污染程度的增加，金屬腐蝕損失的嚴重性越來越受到人們的重視。據統計，世界上每年因腐蝕而不能使用的金屬的質量，大約相當于金屬年產量的1/4～1/3。全世界每90s就有n鋼腐蝕成鐵銹，而煉制n鋼所需的能源則可供一個家庭用3個月[2]，根據英國近年來的年統計，每年因腐蝕損失的金屬價值達13億英鎊，占國民經濟總產值的3.5%。我國目前產鋼數億噸，每年因腐蝕消耗的鋼材近1000多萬噸，但實際上，由于腐蝕所造成的損失還遠遠不止這些，更重要的是金屬結構的破壞往往使機器無法使用，會中斷和打亂整個工作的流程，導致人力、物力、財力、和時間的損耗，這種損失是相當驚人的，腐蝕造成的間接損失往往是直接損失的若干倍或幾十倍。其損害往往無法給出一個準確的統計數字。另外，由于腐蝕引起的環境污染也相當嚴重，腐蝕會增加工業廢水和廢渣的排房量和處理難度，增加有害物資，造成自然界環境污染，破壞環境生態平衡，危害人體健康，影響國民經濟的可持續發展。因此，各國不得不采取各種措施，投入大量的人力和物力來解決金屬腐蝕問題。

 

    電化學保護技術是材料防腐蝕方法中常用的技術。表面處理技術包括電鍍、化學鍍、陽極轉化膜和化學轉化膜、滲鍍、浸鍍、宏觀噴涂、微觀噴涂，化學氣相沉積和物理氣相沉積等。電鍍技術具有設備簡單，操作容易，成本低廉等優點，因此成為種類繁多的表面處理技術中的一種常用的技術[3]，在金屬的腐蝕防護中占據著很重要的位置。

 

    鍍鋅是提高鋼鐵抗腐蝕能力的有效途徑，目前廣泛地應用于造船工業、機械工業、航空、建筑等許多領域中。但在潮濕的環境中，尤其在不通風的濕熱環境中，鍍鋅層極易發生腐蝕，表面形成暗灰色或白色疏松的腐蝕產物—白銹，影響外觀質量;時間長了會出現紅銹，從而失去防腐效果。為了提高鋅層的耐蝕性，幾乎所有的電鍍鋅、熱鍍鋅鋼板都進行鈍化處理[4-5]。而目前采用的鉻酸鹽的鈍化處理工藝[6]，但由于鉻酸鹽中六價鉻毒性高且易致癌，從保護生態環境及人類健康的角度出發，使用鉻酸鹽鈍化是不允許的，隨著環保意識的增強，政府將嚴格限制鉻酸鹽的使用、排放;并且強調把開發環境保護技術放在優先位置。因此鉻酸鹽鈍化技術將面臨嚴峻挑戰，而尋求和采用符合環保要求的無鉻鈍化技術是未來國內外發展的方向lvl。

 

    1.2電鍍鋅的國內外研究現狀與市場概況

 

    1.2.1國內外電鍍鋅工藝的研究現狀與發展趨勢

 

    電鍍經歷了一百多年的歷史，是歷史上最長，使用最多的濕法沉積金屬涂層的工藝。電鍍在金屬腐蝕的防護中占據著很重要的位置。由于我國鋅資源豐富，因此價格低廉;另外鋅的電極電位較鐵為負，對鋼鐵基體來說它是陽極性鍍層，能起到電化學保護作用，也就是以鋅的犧牲來保護鋼鐵基體。鍍鋅層經過后處理之后非但能得到漂亮的外觀，而且還能大大提高其抗腐蝕能力。所以鋅是電鍍金屬中用量最大的一種金屬，據粗略統計，它在電鍍總量中占據的份額要達到60%以止，是最量大面廣的一種鍍種。因此對該鍍層多作些研究是非常有意義的。

 

    生產上常用的鍍液主要有四大類型[8-9]，它們是氰化物鍍鋅、鋅酸鹽鍍鋅、氯化物鍍鋅和硫酸鹽鍍鋅。20世紀70年代以前，國內外使用的鍍鋅液主要是氰化物鍍液，約占95%。20世紀70年代起，由于環境保護意識的增強，科研工作者廣泛開展無氰電鍍，出現了多種鍍鋅工藝，它們在鍍液組成和操作條件上各不相同[10-13]。到90年代，氰化物鍍鋅僅占20%，酸性體系鍍鋅占50%，堿性鋅酸鹽鍍鋅占30%，而氰化物鍍鋅工藝也從高氰向中、低氰方向發展[14-17]。

 

    酸性鍍液主要有硫酸鹽體系和氯化物體系，堿性鍍液主要是鋅酸鹽體系。傳統的硫酸鹽鍍鋅分散能力差，鍍層結晶較粗糙，灰白不亮，只適宜于線材、管材、板材和帶材等外形簡單零件的電鍍，但由于其電流效率高，沉積速度快，加上生產成本低，因而應用較為廣泛，特別是線材和管材。隨著市場對產品質量要求的進一步提高，對線材、管材等不但要求防護性能優異，而且要求鍍層細致光亮，傳統硫酸鹽鍍鋅難以達到這一要求，因此工藝改革勢在必行，于是近年來一些新型硫酸鹽鍍鋅工藝相繼問世[18]。

 

    氯化物鍍鋅主要有氯化錢鍍鋅和氯化鉀鍍鋅兩大類。錢鹽鍍鋅是氯化物鍍鋅溶液中應用較早的鍍種，但是錢鹽鍍鋅溶液有強烈的氨氣味，分散能力和深鍍能力較差，廢水處理較困難，對設備腐蝕也較為嚴重，隨著鉀鹽鍍鋅的添加劑問題得到解決，該工藝近年己逐漸被鉀鹽鍍鋅所取代。氯化鉀鍍鋅溶液不含絡合劑，廢水處理較容易，另外還具有分散能力和深鍍能力好、對設備腐蝕性小、電流效率高、鍍層整平性和光亮度好、鍍液穩定等優點[19]，所以近20年來，該鍍種在國內外都得到了較快的發展。

 

    鋅酸鹽鍍鋅工藝的開發并取得成功，在電鍍鋅的歷史上也占有重要的地位。該工藝以較高含量的氫氧化鈉完全取代了氰化鈉，使鍍液變得無毒，而且分散能力和深鍍能力好。這種工藝是20世紀60年代發展起來的，我國僅比國外晚了幾年，但推廣應用得較快。該鍍液對鋼鐵幾乎無腐蝕性，可以采用鋼板焊接的鍍槽。另外，該鍍種廢水處理很簡單，因為將廢水的pH值調到8～9是很容易的，在這一pH值范圍內，鋅離子會以氫氧化鋅的形式生成沉淀，經過簡單的過濾后廢水就能回用或達標排放。該鍍種的缺點是電流效率較低，一般不超過80%。

 

    上述這三種體系各有優缺點，如表1.1所示：

 

 

 

    1.2.2鍍鋅的市場概況

 

    鍍鋅板在汽車、建筑和家電行業的應用愈來愈廣，應用范圍和數量不斷擴大，例如，鍍鋅板在汽車行業，已開拓了廣闊的應用領域，形成了巨大需求。在建筑行業方面，需求量一直呈上升趨勢。目前國際上鍍鋅板的竟爭達到白熱化，集中表現在鍍鋅板成本、質量和品種方面。

 

    近年來，國內鍍鋅板的消費迅猛增加，產能大幅度釋放，以2008北京奧運會為代表的各項建筑工程，直接或間接的促進了鍍鋅板的整體消費上升，由于需求旺盛，2003年之后中國的鍍鋅板供應出現短缺[20-23]。以另外，汽車工業用鍍鋅產品以前僅限于在天津夏利等少數幾個車型上使用，而近年則廣泛應用于風神2號、廣州本田、ToyotaNBCV、帕薩特、別克等車上。因此今后我國應加強鍍鋅產品的研制、開發、生產和應用，逐步實現汽車用鋼板品種的強度級別系列化，并使表面處理鋼板多樣化[24-25]。

 

    國外在發展汽車用熱鍍鋅板的初期，曾著重研究開發高性能、多功能、高成本的產品，但其結果導致總的生產成本增加，無法達到很好的經濟效益，現在就十分重視低成本的鍍鋅鋼板的應用。隨著汽車、家電、輕工等行業快速發展，薄鋼板消費逐年增加，國內生產的增長跟不上消費需求的增長，尤其是冷軋板、鍍鋅板、不銹鋼薄鋼板中薄規格的品種進口逐年增加，目前是全國鋼材消費總量中進口最多的品種，因此我們要以此為契機，大力發展鍍鋅工業，為國民經濟的發展服務[26]。但在大力發展鍍鋅工業時，也應充分考慮改造與創新的關系，一方面對企業而言利用現有設備進行改革，保證低成本擴張，另一方面企業、科研院所、高校進行橫向聯合，共同開發創新，實現掌握自有知識產權的專有技術，推動整個行業的發展。

 

    1.3無鉻鈍化工藝的研究現狀

 

    為了提高鋅層的耐蝕性，須對鍍鋅層進行鈍化處理。目前，廣泛采用的鈍化技術是鉻酸鹽鈍化，這是因為無論從膜層強度、耐蝕性、彩色功能、溶液的穩定性，還是從具有工藝簡單、成本低廉等優點來看都較好。而鉻酸鹽毒化處理可形成鉻/基體金屬的混合氧化物膜層，膜層中的鉻主要是以三價鉻和六價鉻形式存在，但由于鉻酸鹽中六價鉻毒性高且易致癌，隨著環保意識的增強，政府將嚴格限制鉻酸鹽的使用、排放;并且“十一五”計劃中強調把開發環境保護技術放在優先位置。因此鉻酸鹽鈍化技術將受到越來越嚴格的限制。雖然低鉻鈍化比起高鉻鈍化來，六價鉻的污染量要減少數十倍到數百倍，但鉻畢竟還是一種有毒害的元素，于是國內外的電鍍工作者，在試驗低鉻鈍化工藝同時，也開展了對無鉻鈍化工藝的研究[27]。近年來人們把目光轉向尋找無毒或低毒的鉻酸鹽替代物，采用過渡元素和稀土、硅酸鹽、植酸等來代替鉻酸鹽鈍化[28]。英國的功unghboroughuulverisity研究了鋁鎢的鈍化電化學特性[29-30]，日本一直在尋找鉻排放工藝和無鉻鈍化工藝。我國也對硅酸鹽鈍化膜、植酸和磷酸轉化膜等工藝進行了一些研究，但目前還沒有見到成功的應用報道[31-32]。所以，尋找一種具有良好外觀又具有較高耐蝕性的無鉻鍍鋅鈍化工藝具有重要的現實意義。下面簡要論述一下國內外鍍鋅層無鉻鈍化的研究進展。

 

    1.3.1硅酸鹽鈍化

 

    硅酸鹽具有成本低、鈍化液穩定性好、使用方便、無毒、無污染等優點，但耐腐蝕性還不如鉻酸鹽鈍化[33]。硅酸鹽保護膜是由水中帶正電的金屬離子和帶負電的硅酸根離子或二氧化硅膠囊作用而形成的吸附化合物[34]。為了增加膜層耐蝕性，鈍化時需在溶液中劑如有機促進劑，如烷基麟酸、硫脈等化合物。作為染色處理時，還在鈍化液中加入天然纖維染劑如三芳基甲烷染料(陽離子型)或混合染料，可以染成各種顏色[35]。韓克平、葉向榮等研究了鍍鋅層在硅酸鹽、有機磷酸和硫脈的混合溶液中鈍化處理所形成的化學轉化膜的耐蝕性以及膜層的組成和元素價態。硅酸鈉是一種完全無毒性沉淀型的緩蝕劑。韓克平等將鍍鋅的A3鋼片浸入到硅酸鹽鈍化液中處理，得到的硅酸鹽化學轉化膜經XPS和AES分析認為膜層表面和膜內鋅以不同形式存在，根據硅結合能上升的現象推斷可能是因為在膜層表面形成了保護膜。電化學試驗結果表明，在相同的陽極電位下，硅酸鹽鈍化后的鋅電極的腐蝕電流明顯小于空白鍍鋅片，并接近于鉻酸鹽鈍化后的鍍鋅片。

 

1.3.2鑰酸鹽鈍化

 

    鋁與鉻同屬VIA族，可用于鋼鐵或有色金屬的緩蝕劑[36]和鈍化劑，但由于鋁酸鹽也有毒，因此其應用同樣受到了嚴格的限制。鋁酸鹽鈍化處理的方法主要有化學浸泡處理、陽極極化處理和陰極極化處理等。英國助Loughborough大學研究了鋁酸鹽鈍化處理過程中的電化學特性，還研究了鋅表面的化學浸泡處理。但結果表明：鋁酸鹽鈍化的效果不如鉻酸鹽鈍化，但可以明顯提高鋅、錫等金屬的耐蝕性[37][52]。K.Kurosa等研究了用0.lmol/L鉬酸鹽(磷酸調節pH值)處理鋼表面生成的鋁酸鹽鈍化膜，在處理后涂漆的情況下，經93天鹽霧試驗(按照標準JIS22371)，最好的膜可以達到10級[38]。方景禮腳]等人研究了在不銹鋼在鑰酸鹽液中獲得藍色膜層的條件、膜層的熱穩定性，并用光電子能譜測定了膜層的元素組成、價態及組成等。得出結論是：該膜層熱穩定性良好；膜層的元素組成為54.3%O，28.4.%Mo，12.1%P，5.2%Fe；在膜層內部則以MiO42-(或MoO3)與MoO2共存。王濟奎閱采用有機麟合鋁聚多酸鹽對鍍鋅層表面進行處理，用該膜與硅酸鹽膜和低鉻白鈍化膜相對比，結論是該膜的耐蝕性優于硅酸鹽膜和低鉻白鈍化膜。盧錦堂等人采用鋁酸鹽工藝對熱鍍鋅層進行鈍化處理，并對該鈍化膜耐蝕性進行進一步的研究[40-4l]，結果表明：鋁酸鹽能顯著提高鍍鋅層的耐蝕能力，在酸性腐蝕介質下優于鉻酸鹽鈍化；鋁酸鹽鈍化膜能阻礙鋅的腐蝕反映的陰極過程，從而阻礙鋅的腐蝕。肖鑫等成功研制了鋁酸鹽一氟化錯體系鈍化工藝，對鋅鍍層進行鈍化處理，通過該體系鈍化膜與鉻酸鹽鈍化膜極化曲線和浸泡試驗耐蝕性相比較，結果是：采用該工藝所形成的鈍化膜色澤鮮艷，附著力好，耐蝕性與硅酸鹽鈍化膜相當[42]，但沒有鉻酸鹽鈍化膜耐蝕性好。劉小虹國[36][43]等研究了鍍鋅層鑰酸鹽轉化膜及其耐蝕機理，提出成膜機理：鋁酸鹽在酸性介質中具有氧化性，金屬鋅暴露在鋁酸鹽的酸性介質中將還原成鑰酸根，形成一層由鋅的氧化物和鋁的化合物構成的鋁酸鹽轉化膜。隨著鋁酸鹽轉化膜的增厚，轉化膜會出現裂紋以釋放內應力，但新鮮的鋅層暴露后，新的鋁酸鹽轉化膜隨之在此鋅層處形成，從而形成均勻的鋁酸鹽轉化膜。耐蝕機理是轉化膜式樣由于表面鋁酸鹽轉化膜的存在，一方面機械地阻擋了Cr對鋅層的侵蝕，另一方面也阻礙了氧和電子的自由傳輸，抑制了鋅層的腐蝕反應。從而得出結論鋁酸鹽轉化膜能顯著提高鍍鋅層的耐腐蝕能力，該轉化膜還能影響腐蝕反應的陰、陽極過程，抑制鋅的腐蝕。而wharton等叫研究了電鍍鋅鎳合金經鋁酸鹽處理后生成的膜的情況，認為鋁酸鹽鈍化膜耐蝕性不如鉻酸鹽鈍化膜，并且不具有自修復作用。

 

    1.3.3鎢酸鹽鈍化

 

    鎢與Cr、MO同族，鎢酸鹽在作為金屬緩蝕劑方面與鋁酸鹽鈍化膜的耐蝕性有相似性，因而對鎢酸鹽鈍化也有研究。D.Bijimi[45-49]等研究了鋅、錫等在鎢酸鹽中形成鈍化膜的耐蝕情況，結果表明鎢酸鹽鈍化膜的耐蝕性要遜于鉻酸鹽鈍化膜。Cowieson[50-5l]等研究了鎢鈍化Sn-Zn合金的工藝方法，并研究了其抗鹽霧和抗濕熱性。試驗結果表明，鎢酸鹽鈍化膜抗鹽霧和抗濕熱循環試驗性能差于鋁酸鹽和鉻酸鹽鈍化膜。

 

    1.3.4稀土金屬鹽

 

    稀土金屬飾、斕和憶等的鹽被認為是鋁合金等在含氯溶液中的有效緩蝕劑[51]。Hinton等對含飾溶液處理鋅表面做了一些研究，認為CeCl3能在鋅表面生成了一層黃色氧化膜，有效地降低0.lmol/LNaCl中鋅表面的陰極點處氧還原的速度[52]，還提出了稀土轉化膜耐蝕性的陰極抑制機理，認為稀土轉化膜的存在，尤其是膜對陰極反映活性部位的覆蓋，阻礙了氧氣和電子在金屬表面和溶液之間的轉移和傳遞。近年來研究還發現，在一定條件下，稀土轉化膜還能抑制陽極反應[53]。

 

    有文獻報道[54]對鍍鋅層表面進行了混合氯化稀土鈍化的研究，在促進劑濃度(H2O2)60ml/L，混合稀土鹽濃度(50%Ce，28%La，8.7%Pr，13.3%Nd)80g/L，溫度30℃，pH值4.0，浸漬時間60s的條件下，利用混合氯化稀土溶液處理鍍鋅層，可獲得金黃色的轉化膜，膜層的耐蝕性優于硅酸鹽轉化膜，接近低鉻酸白鈍化膜。提出轉化膜形成的可能機理，是Zn2+與稀土離子一起以氫氧化物的形式沉積于Zn層表面形成轉化膜，加入H202促進了轉化膜的形成。

 

    龍晉明[56]等在硝酸亞飾加氯化飾混合水溶液中對鋅表面作鈍化處理，可形成良好的稀土轉化膜，能明顯提高鋅層耐蝕性，與鉻酸鹽鈍化膜相當，與未處理的相比腐蝕速度降低10倍左右。但同時還提出，用該工藝得到的轉化膜所用時間過長，不利于實用。在用硝酸亞飾水溶液中對金屬鋅處理后，研究了該膜的的相組成為CeO2、Ce2O3和ZnO等氧化物，提出該轉化膜的耐蝕性與普通的鉻酸鹽轉化膜相當或優于鉻酸鹽膜[55]。但由于稀土金屬鹽價格高昂，經濟性差。

 

    1.3.5有機物鈍化處理

 

    研究表明，某些有機物可用于金屬表面的鈍化處理，有效提高金屬表面的耐蝕性能。單寧酸是一種多元酸衍生物，它無毒且易溶于水，水解后溶液為酸性。當鍍鋅及其合金層與單寧酸溶液接觸時，單寧酸的梭基與鍍層反應并通過離子鍵形成鋅化合物，而且單寧酸的大量狡基經配位鍵與鍍zn層表面生成致密的吸附保護膜。研究證明，隨著單寧酸溶液濃度的增加，膜層變厚，顏色加深，耐腐蝕性能增加臥}。國外專利中關于單寧酸鈍化配方很多。例如：(1)單寧酸40g/L，添加劑20g/L，HNO35ml/L；(2)單寧酸0.1%～20%，用于處理鍍鋅鋼板，以提高抗蝕性和與油漆的結合力；(3)含有鋯、氟化物的單寧酸鈍化溶液[57]。

 

    有文獻認為，對鍍鋅層來說，最有希望替代鉻酸鹽鈍化的是一些特別的鋅的鰲合處理，因為它能在鋅層表面形成一層不溶性的有機金屬化合物，提供了極好的耐蝕性[58]。合物薄膜，增強了膜的抗蝕性。K.WiPPermann等利用多種三氮雜茂衍生物來抑制鋅的腐蝕，如二氨基三氮雜茂BAT4、BT、AHT及其衍生物等。試驗發現AHT在酸和弱堿溶液中是極好的腐蝕抑制劑，而BAT4則具有最好的抗腐蝕效率。另外采用電容電位曲線法和XPS分析發現，鋅鍍層上生成了一層最大厚度為3nm的保護性三氮雜茂鋅膜(Zn-BAT4)，加強了有機物三氮雜茂的緩蝕性能，膜中鋅和三氮雜茂環的化學計量比為1：2。其中三氮雜茂分子的溶解性、吸附性、排水性和Zn-三氮雜茂復合物膜層的穩定性是影響三氮雜茂衍生物抑制腐蝕效率的最重要因素。

 

    植酸既是金屬優良緩蝕劑，又是金屬表面處理理想的鰲合劑。經植酸表面處理的金屬不僅能抗蝕，而且還能改善同有機涂層的粘接性[59]。植酸(phyticacid)分子量為660.4，分子式為C5H18O24P6，由于植酸分子中含有六個磷酸基，故它易溶于水，具有較強的酸性。并且分子中具有能同金屬配合的24個氧原子，12個輕基和6個磷酸基，植酸是一種少見的金屬多齒鰲合劑；當與金屬絡合時，易形成多個整合環，所形成的絡合物穩定性極強，即使在強酸性環境中，植酗能形成穩定的絡合物。因此植酵在金屬表面同金屬絡臺時，易在金屬表面形成一層致密的單分子保護膜，一能有效地阻止O2等進入金屬表面，從而抵抗了金屬的腐蝕。植酸處理后的金屬表面由于形成的單分子有機膜層同有機涂料具有相近的化學性質，同時還由于膜層中含有的輕基和磷酸基等活性基團能與有機涂層發生化學作用，因此植酸處理過的金屬表面與有機涂料有更強的粘接能力。試驗證明，植酸用于無鉻鈍化中，防腐性能優于各種烴基麟酸[60]。

 

    鋁酸鹽能與多種組分復合，借分子間協同緩蝕作用提高耐蝕效率。陳旭俊等提出了有機鋁系鈍化，即依靠有機分子內的官能團、基團和鋁酸根離子間的協同作用，及膜形成時的分子基團與金屬陽離子的作用形成長鏈鰲合結構來提高耐蝕性[61][63]。他們用乙醇胺與鋁酸鹽合成的乙醇胺鋁酸鹽對低碳鋼鍍鋅層進行了處理，結果發現，鍍層耐蝕性明顯優于相同條件下經Na2MoO4或乙醇胺或前兩者的混合物的處理效果，且緩蝕作用隨分子內經乙基的增多而增強，表明分子內的醇胺基團與鋁酸根有明顯的協同緩蝕效應；且低碳鋼在乙醇胺鋁酸鹽溶液中的電化學阻抗明顯高于在Na2MoO4溶液中的電化學阻抗，表明其劃傷后的修復能力增強。

 

    龔潔等瞬[62][64]用烯胺DTA為原料，與鋁酸按一定摩爾比混合后，經冷卻、洗滌、過濾、提純、干燥得到了無色晶體有機烯胺鋁酸鹽MDTA，其緩蝕性良好，鈍化膜內的有機及無機基團有明顯的協同緩蝕作用，主要抑制腐蝕的陽極過程。在MDTA成膜過程中，由于有機官能團的引入，在鐵的表面形成了較穩定的雙五元環鰲合物，形成致密的屏蔽層，從而提高了耐蝕性。但是有機物鈍化對環境和人體有害，且成本較大不具有經濟性。

 

    1.4金屬鈍化膜的成膜與耐蝕機理

 

    實際上到目前為止關于鈍化的理論目前還未統一，存在幾種不同的解釋，其中較為公認的有兩個，即薄膜理論和吸附理論。

 

    1薄膜理論

 

    這種理論認為，金屬的鈍化是由于金屬和介質作用時，在金屬表面生成一種非常薄的、致密的、覆蓋性能良好的不溶產物的結果。這種產物形成的保護膜通常是氧和金屬的化合物。在用電化學方法進行陽極鈍化過程中，金屬表面就可生成氫氧化物或氧化物薄膜。

 

    金屬表面形成的保護膜使金屬耐腐蝕的原因有以下三種：

 

    (l)金屬完全和腐蝕介質隔離。這時金屬的電極電位已不再能用普通的方法測定。

 

    (2)主要是陰極過程受到阻滯，例如阻礙了氧的擴散。在這種情況下，電極電位變化很小。

 

    (3)主要是陽極過程受到阻滯(陽極表面活性減小，鈍化變的容易)。保護膜的這種作用使電位顯著變正。

 

    從以上分析可知，并不是所有的氧化膜都能引起鈍化，例如某些比較活潑金屬(鋰、鈉)上的氧化膜就不能使該金屬進入鈍態。

 

    鈍態的發生只與在陽極區域進行陽極過程時直接形成的不溶性膜有關，只有這種保護膜才能選擇性阻滯陽極過程，它們才是真正的鈍化膜。

 

    大多數鈍化膜是由金屬氧化物組成。此外，在一定條件下，鉻酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽以及難溶的硫酸鹽和氯化物也可構成鈍化膜。

 

    2吸附理論

 

    這種理論認為，金屬的鈍化并不需要在金屬表面形成成相膜，而只要在金屬整個表面或部分表面上生成含氧粒子的吸附層就夠了。這一吸附層只有單分子層厚，它可以是原子氧或分子氧，也可以是OH-，還有人認為是在金屬表面吸附了一層氧原子，在氧原子層上吸附著氧分子。當然這些粒子在金屬表面吸附后，就改變了金屬熔液截面的結構，并使陽極反應的活化能顯著提高。由此可見，吸附理論與薄膜理論的基本區別在于:吸附理論認為，金屬的鈍化是金屬表面形成吸附層后金屬本身的反應能力顯著降低的結果，而不是膜的機械隔離作用。

 

    對應鈍化的吸附機理，目前存在著兩種不同的觀點:化學觀點和電化學觀點。

 

    A.化學觀點認為，金屬整個表面上原子的活性價鍵吸附了氧而達到飽和，因此形成了與吸附氧原子相關的金屬表面的不活潑層。某些研究工作者認為，為了使金屬鈍化，金屬表面所吸附的氧原子的單分子層，至少需要完全遮蓋表面。另一些研究者則認為，不一定需要完全遮蓋表面，而只要在最活性的、最先溶解的表面區域上，例如在金屬晶格頂角及邊緣上有氧的吸附就足夠了。顯然，從電化學的觀點來看，這些地方正好是腐蝕電池的陽極區。這種被吸附的單分子層(如氧的吸附層)與金屬表面形成的成相膜是具有不同性質的。例如，吸附的單分子層通常具有較高的化學穩定性。由于這一原因，在陰極極化時必須極化到比成相的氧化物一金屬系統的平衡電位更負的電位情況下，才可能被還原。

 

    B.電化學觀點認為，鈍化的發生不是由于金屬表面原子化學活性的降低，而是由于金屬陽極溶解過程受到電化學阻滯。他們認為，金屬表面吸附了氧以后，甚至是金屬表面個別地區的吸附氧原子，都會改變金屬與溶液間界面的雙電層結果。吸附在金屬上的氧原子由于被金屬電子離子化而形成電偶極。此時所形成的偶極的正端朝向金屬，而負端則朝向溶液中，形成雙電層，從而使金屬總的電位朝正方向移動。隨著吸附氧原子數目的增加，總電位向正方向移動越大，金屬離子進入溶液所需的能量增大，也就是說金屬變成離子進入溶液的傾向減小了。

 

    前面論述了金屬鈍化過程中目前較為公認的薄膜理論和吸附理論，可以看出鈍化過程是一個十分復雜的過程。

 

    對于無鉻鈍化工藝，國內外的專家學者們對此己經作了大量的研究，但是由于鈍化過程中的理論相對復雜，而大家研究的體系也是具有多樣性，所以目前還不能很確切地解釋各種無鉻鈍化工藝的成膜與耐腐蝕機理。不過根據大量文獻研究，對一致認為鈍化膜的成膜與耐腐蝕機理作個簡析。

 

    成膜機理指緩蝕劑與金屬作用生成鈍化膜，或者與介質中的離子反應生成沉積層而使金屬緩蝕，凡能生成不溶物沉淀的物質均能成膜，包括氧化物、鹵化物、硫化物、氫氧化物、磷酸鹽等[63]。