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不锈钢植酸钝化工艺及其耐腐蚀性能研究77不锈钢植酸钝化工艺及其耐腐蚀性能研究ReasearchonPhyticAcidPassivationTechnologyofStainlessStee1andCorrosionResistance王海人。,石日华。,屈钧娥,刘少波。,陈庚。,郭兴蓬(1华中科技大学化学与化工学院,武汉430074;2湖北大学材料科学与工程学院,武汉430062)————WANGHairen一,SHIRihua,QUJune。,LIUShaobo。,—CHENGeng,GUOXingpeng(1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2FacultyofMaterialsScienceandEngineering,HubeiUniversity,Wuhan430062,China)卜摘要:通过极化曲线,AFM和红外光谱测试,研究了钝化工艺参数对不锈钢植酸钝化膜耐腐蚀性能的影响,得到了最优的钝化处理工艺,获得了耐腐蚀性能更优良的钝化膜。该方法原料来源广泛、价格低廉,工艺操作方便,而且钝化过程中不产生有毒有害物质,是一种高效环保型的不锈钢钝化处理方法。关键词:不锈钢;耐腐蚀性;植酸;钝化;环保中图分类号:TG178文献标识码:A—文章编号:1OO1-4381(2012)11-007705—Abstract:Theeffectofprocessparametersofphyticacidpassivationonthecorrosionresistanceperformanceofthestainlesssteelpassivationfilmwasstudiedbypolarizationcurves,AFMandinfraredspectrumtesting.Andtheoptimalprocessparametersweredeterminedtoobtainpassivationfilmwith—excellentperformance.Forthephyticacidpassivationmethod,therawmaterialsiseasytobeobtainedwith1OWprices,andtheoperationisconvenient.Moreover,passivationprocessdoesnotproduce—poisonousandharmfulsubstances,SOitisakindofhighefficiencyenvironmentalfriendlypassivationtreatmentmethod.Keywords:stainlesssteel;corrosionresistance;phyticacid;passivation;environmentfriendly不锈钢良好的耐腐蚀性能基于其在空气中可自然形成一层钝化膜,钝化膜的存在已被很多的实验所证实Ll]。然而,这层钝化膜比较薄,致密性较差,在有些特殊情况下容易被破坏,从而限制了其应用。因此,有必要对不锈钢进行钝化处理l3]。传统的不锈钢钝化多采用铬酐或铬酸盐等六价铬化合物,其对不锈钢基体具有良好的保护作用]。但铬类化合物毒性较大且又具有强烈的致癌作用,目前世界各国对其使用和废水排放都做出了严格的限制,禁止使用铬类化合物已成发展趋势[5]。因此,采用环境友好的有机或无机物来取代铬类化合物已迫在眉睫。目前,国内外大多采用硅酸盐或聚硅酸盐,稀土元素,柠檬酸,纳米硅溶胶以及其他有机物等来钝化不锈钢,但它们大部分都存在种种缺陷而没有被大批量工业化应用C8],因此寻求切实可行的环保型钝化工艺及钝化剂显得尤为重要。—植酸由Preffer于1872年发现,1969年由Johnson和Tate等确定其分子结构,其学名为环己六醇六磷酸酯,分子式为CH。OP。,它含有能同金属配位的24个氧原子,12个羟基和6个磷酸酯基[1n]。因此,植酸可以在较宽的pH值范围内与金属离子形成多个螯合环,得到化学性质很稳定的配合物。在金属表面与金属发生配位反应时,易在金属表面形成一层致密的单分子保护膜,能有效地阻止O等腐蚀介质渗入金属表面,从而起到抵制金属腐蚀的作用['12--14]。此外,所形成的钝化膜层中含有的磷羟基和酯基等活性团可与有机涂料中的极性基团形成氢78材料工程/2012年11期键或发生化学反应,故植酸处理过的金属表面与有机涂层粘接性能良好,也就是说植酸处理技术还可以作为金属表面涂漆前打底Ell13]。因植酸具有独特的分子结构和很强的螯合作用及在金属表面很好的成膜性能,且无毒无污染,原料来源广泛,可以直接从废弃谷壳中提取,其作为金属表面处理剂已引起广泛关注。。近年来,国内外有研究人员进行了一些植酸用于金属钝化的研究,Shimakurall等采用植酸盐复配作钝化剂和硅烷偶联剂作附着力促进剂,研究了A3钢无铬钝化得到的植酸钝化膜的耐腐蚀性能接近低铬钝化。Wippermann_】]和Manov_1等研究了植酸对镀锌层的钝化作用和机理。梁红野口等研究表明,铝及其合金经植酸钝化处理后,耐腐蚀性能得到了提高。PANF.S.[2o3等研究了植酸对AZ61Mg的钝化处理,可以明显提高基体的耐腐蚀性。但有关植酸用于不锈钢钝化的研究很少,不锈钢特别是不含Ni的430由于其价格比起含Ni的不锈钢低得多,其用量非常大;然而,430不锈钢在不锈钢家族中是最不耐腐蚀的一个品种,容易腐蚀生锈,这一缺点限制了它在高端商品中的应用。本工作就430不锈钢试样在含植酸的混合液中钝化工艺参数和钝化膜的耐腐蚀性能及形貌等进行了研究。1实验及测试1.1制备不锈钢试样实验材料为430不锈钢,其化学成分见表1。将不锈钢片加工成为边长为6mm,厚度为0.4ram的试样。对试样进行除油,蒸馏水清洗,再依次用240,400,600,800,1000,1200,1500,2000目的砂纸打磨至光亮,然后室温超声清洗3min,以除去打磨时黏附在不锈钢试样上的研磨剂粒子,用蒸馏水和无水乙醇清洗,吹干备用。表1430不锈钢的化学成分(质量分数/%)Table1Chemicalcompositionof430stainlesssteel(massfraction/)1.2钝化处理配置含35g/L的NaSiO。(AR,上海试剂二厂),5g/L的H。SO(AR,中平能化集团开封东大化工有限公司试剂厂),35g/L的HO(AR,国药集团化学试剂有限公司),5g/L的HNO。(AR,河南省信阳市化学试剂厂),0.5g/L的若丁(AR,济南金辉化工有限公司)的基础溶液四份,再分别加入2,4,6,8mL的植酸(AR,国药集团化学试剂有限公司),然后加入适量的蒸馏水配成200mL溶液,得到植酸浓度分别为10,20,30,40mL/L的四种不同钝化液,钝化液分别放置℃在55,65,75,85的恒温水浴槽中恒温,每组试样在钝化液中处理时间为5,10,15,20min,取出并室温干燥,即得所需的钝化膜试样。1.3测试分析采用武汉科思特仪器有限公司CS300电化学工作站,在三电极体系中研究试样的耐腐蚀性能,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂电极,工作电极为聚四氟乙烯封装的圆形不锈钢试片,其有效暴露℃面积为lcm。。实验介质均为25的3.5的NaC1水溶液,并通过极化曲线拟合出相应的电化学数据。采用AVATAR360型红外光谱仪分析钝化处理试样和空白样的表面化学成分,其波数范围是500~4500cm,分辨率为2cm。采用SolverP47NanoscopeIll型原子力显微镜(AFM)分析钝化试样的表面形貌。2结果和讨论2.1工艺参数对钝化膜腐蚀性能的影响2.1.1植酸浓度的影响℃通过控制钝化温度为75,钝化处理时间为15min,基础钝化液中植酸的加入量分别为10,20,30mL/L和40mL/L,分别测试试样的极化曲线,如图1所示,相关电化学参数如表2所示。由图1和表2可以看出,在不同植酸浓度下钝化处理的试样的自腐蚀电位和点蚀电位都要比空白试样的要高,这说明植酸起到了一定的的钝化效果。在一定的浓度范围内,随着植酸的浓度的增加自腐蚀电位和点蚀电位有所提高,这是由于植酸浓度增加导致了钝化膜较厚,从而耐腐蚀性能更好。但是植酸浓度超过30mL/L时,耐腐蚀效果会变差,这是由于钝化液中的酸度随着植酸浓度的升高而增加,会对试样有一不锈钢植酸钝化工艺及其耐腐蚀性能研究79g0。DscE,v图1430不锈钢在不同浓度钝化液中钝化处理的极化曲线Fig.1Thepassivationdisposalpolarizationcurvesof430stainlesssteelinpassivationsolutionsofdifferentc0ncentration表2430不锈钢在不同浓度钝化液中钝化处理的极化曲线参数(75 ̄C。15min)Table2Thepolarizationcurvestestsparametersofstainlesssteelindifferentconcentrationspassivationsolution定的腐蚀作用,同时植酸浓度过高时形成的钝化膜虽然厚度增加但较疏松(见图5),导致钝化效果反而下降,因此植酸浓度对钝化效果影响很大。2.1.2钝化处理温度的影响钝化处理时间都为15min,钝化液中植酸的加入量都为30mL/L时,钝化液的温度分别控制在55,℃65,75和85 ̄C,分别测试试样的极化曲线,曲线如图2所示,相关电化学参数如表3所示。一———0.8-0.7・0.60.5-0.40.3-0.20.1O.00.1scE,v图2430不锈钢在不同温度的钝化液中钝化处理的极化曲线Fig.2Thepassivationdisposalpolarizationcurvesof430stainlesssteelatdifferentpassivationtemperatures表3430不锈钢在不同温度下的钝化液中钝化处理的极化曲线参数(30mL/L,15min)Table3Thepolarizationcurvestestsparametersofstainlesssteelatdifferentpassivationtemperatures由图2和表3可以看出,在一定的温度范围下,随着钝化温度的提高钝化效果越来越好,这是由于在较高温度下,反应速度比较快,形成的钝化膜的致密性较好,从而耐腐蚀性能得到了提高。但是当温度超过75。C时,耐腐蚀性能有所下降,这可能与在较高温度下钝化膜的溶解速度大于沉积速度有关,由此可以看出适当的钝化温度对钝化效果是至关重要的。2.1.3钝化处理时间的影响钝化液中植酸的加入量都为30mL/L,钝化液的℃温度都控制在75,钝化处理的时间分别控制在5,10,15,20min,分别测试试样的极化曲线,曲线如图3所示,相关电化学参数如表4所示。EScE/V图3430不锈钢在不同钝化时间下钝化处理的极化曲线Fig.3Thepassivationdisposalpolarizationcurvesof430stainlesssteelindifferentpassivationtime表4430不锈钢在不同钝化时间下的钝化处理极化曲线参数(75。C,30mL/L)Table4Thepolarizationcurvestestsparametersofstainlesssteelindifferentpassivationtime不锈钢植酸钝化工艺及其耐腐蚀性能研究表5430不锈钢钝化处理后的红外光谱特征吸收峰参数(75 ̄C,30mL/L,15min)Table5Infraredspectrumcharacteristicabsorptionpeaksparametersofpassivationtreatment430stainlesssteel——由图6和表5可知,钝化膜中存在OH,CH,—(OH)。PO等植酸分子结构中所拥有的官能团,显然,植酸已经参与钝化膜的形成过程,并已在不锈钢表面成膜。其具体作用机理有待进一步研究。3结论(1)在一定的植酸浓度,反应温度和钝化时间范围下,钝化膜的耐腐蚀性能会随着酸浓度的增加,反应温度的提高和钝化时间的延长都有所提高,但超过这个范围,耐腐蚀性能反而会下降。(2)AFM测试得到的试样表面平均粗糙度R与电化学测试得到的试样自腐蚀电位和点蚀电位有着很好的一致性。———(3)钝化膜中存在OH,CH,(OH)。PO等植酸分子所拥有的官能团,这说明植酸已经参与钝化膜的形成过程,并已在不锈钢表面成膜。(4)本实验的最佳钝化工艺是植酸浓度为3OraL/℃L,温度为75,时间为15min。[1]E2]I-3]E4]参考文献夏浩,周栋,丁毅,等.304不锈钢环保型酸洗钝化工艺及其性能—研究口].表面技术,2009,38(4):4749.陈海燕.不锈钢镀铬预处理新型活化液的电化学特性[J].材料保—护,2006,39(3):810.王新喜,邢福祥,杨庆平.不锈钢设备的酸洗钝化技术[J].舰船科—学技术,2008,3O(6):192195.王成,江峰,王福会.304不锈钢在硝酸盐及硫酸溶液中的钝化—[J].腐蚀科学与防护技术,2003,15(6):334336.[5]任凤英.不锈钢钝化处理技术的应用与实验方法[J].五金科技,—2005,(5):2223.[6]丁宝峰,吴荫顺,汪轩义,等.316L不锈钢无铬钝化工艺研究[阳.腐蚀与防护,2001,22(12):520521.[7]李贤成,不锈钢光亮酸洗及钝化[J].电镀与环保,2008,28(4):43—44.[8]唐亚陆,汪文兵.不锈钢柠檬酸钝化工艺研究[J].表面技术,—2008,37(5):6870.[9]胡会利,程瑾宁,李宁,等.植酸在金属防护中的应用现状及展望—[J].材料保护,2005,38(12):3941.[1o]胡胜,范烘波,付朝阳.植酸类缓蚀剂的研究现状及展望[J].材—料保护,2006,39:1819.[11]张洪生.无毒植酸在金属防护中的应用[J].电镀与精饰,2000,—22(1):14.[12]林继兴,牛丽媛,高光亮,等.镁表面防腐蚀植酸处理方法[J].轻—合金加工技术,2008,36(9):3639.[13]陈东初,吴建峰,龚伟慧,等.AZ91D镁合金表面植酸转化膜的正—交实验优化研究[J].兵器材料科学与工程,2009,32(2):57.[14]胡会利,李宁,程瑾宁.镀锌植酸钝化膜耐蚀性的研究[J].电镀与环保,2005,25(6):2125.[15]翟海涛.环保型缓蚀剂的制备及其在金属防腐中的应用研究—[D].合肥:合肥工业大学硕士学位论文,2008.1824.——[16]SHIMAKURAT,SASAKIM,YAMASOEK,eta1.Nonchro——matemetallicsurfacetreatingagent,methodforsurfacetreatmerit,andtreatedsteelmaterial[P],SAPatent:6475300,2002—1105.—[17]wIPPERMANNK,SCUIZEJW,KESSELR,eta1.Theinhibi—tionofzinccorrosionbybisanunotriazoleandothertriazolederi—batives[J].CorrosionScience,1991,32(2):205207.[18]MANOVS,LAMAZOUEREAM,ARIESL.Electrochemical—studyofthecorrosionzinctreatedwithaneworgaicchelatingin—hibitor[J].CorrosionScience,2000,42(5):12351248.[19]梁红野,陈彦泽.金属表面植酸钝化处理试验研究[J].石油化工腐蚀与防护,2004,21(6):57.[20]PANFS,YANGX,ZHANGDF.ChemicalnatureofphyticacidconversioncoatingonAZ61magnesiumalloy[J].AppliedSurface—Science,2009,255:83638371.—收稿日期:2012-0302;修订日期:20120825作者简介:王海人(1966),男,教授,从事彩色不锈钢方面的研究和生产工作,联系地址:湖北省武汉市武昌区友谊大道368号湖北大学材料—科学与工程学院(430062),Email:whr9999whr@163.corn
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