李洋洋,李敬芳,劉志昌,張馥,邢波,石磊, *,王曉敏,谷子豐,董曉君,陳逸飛
(1.山東建筑大學,山東 濟南 250101;2.亞薩合萊國強(山東)五金科技有限公司,山東 德州 253600; 3.朝陽師范高等??茖W校生化工程系,遼寧 朝陽 122000)
建筑門窗五金是建筑門窗的重要組成部件,常以低碳鋼作為基材。表面鍍層對建筑門窗的性能和使用壽命起著決定性作用。門窗是連接室內(nèi)和室外的樞紐,其五金件鍍層往往受到溫度、濕度、大氣環(huán)境等多種因素的共同影響,門窗的核心組件就十分容易受到外界環(huán)境的影響,從而降低門窗的使用性能,給人們帶來許多麻煩。
在工業(yè)生產(chǎn)中,為了提高建筑門窗五金的性能,工廠常常使用電鍍的方法在五金件表面覆上一層具有保護性的鍍層。鋅及鋅合金鍍層因在一般大氣中具有較好的防護性能而被廣泛應用,但是在工藝不當?shù)那闆r,其耐蝕性及與基體結合力會大打折扣。
某合資企業(yè)對門窗五金件電鍍鋅鐵合金,其工藝流程為:除油→水洗→除銹(質(zhì)量分數(shù)15% ~ 20%的鹽酸)→水洗→活化(質(zhì)量分數(shù)3% ~ 5%的稀鹽酸處理30 ~ 60 s)→水洗→電鍍(溫度20 ~ 25 °C,電流密度2 ~ 3 A/dm2,時間25 min)→水洗→出光(質(zhì)量分數(shù)3%的稀硝酸處理3 ~ 5 s)→水洗→鈍化(10 s)→水洗→吹干。本文將對其產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)的失效問題進行分析。
分別取失效件與正常件進行觀察,如圖1 所示。可以發(fā)現(xiàn)失效件上鍍層被大面積腐蝕,其中心部位的
鍍層已經(jīng)全部脫落,基體受到嚴重腐蝕,而且原有的裝飾性顏色也完全失去,五金件的美觀性和實用性都受到了極大程度的損壞。
圖1 失效(a)和正常(b)鍍鋅鐵合金五金件的外觀 Figure 1 Appearance of failed and normal Zn–Fe alloy coatings on hardware
對失效件進行剖面光學顯微鏡觀察(見圖2)后發(fā)現(xiàn)鍍層與基體結合處存在大量缺陷,鍍層與基體之間有裂紋,裂紋起源于鍍層一側(cè)。在結合處有大量缺陷迅速發(fā)展的情況下,鍍層的防護能力將降低。
圖2 失效件鍍層的金相顯微照片 Figure 2 Metallograph of coating on failed part
使用JSM-6380LA 掃描電鏡(SEM)觀察鍍件會發(fā)現(xiàn),鍍層上分布有大量的孔狀缺陷,這會嚴重影響鍍層的抗蝕能力。如圖3a、3b 所示,缺陷大部分集中分布在基體與鍍層的結合區(qū)域和表面區(qū)域;而從圖3c、3d 可見,鍍層表面整平性較差,厚度不均勻,裂紋大部分產(chǎn)生于表面和鍍層與基體的結合處。
圖3 缺陷鍍層不同位置的剖面掃描電鏡照片 Figure 3 Cross-sectional SEM images of coating with defects
進一步用Bruker D8 Advance 型X 射線衍射儀(XRD)檢測樣件,輻射源為Ni 過濾的Cu Kα,波長為1.505 9 ?。從圖4 可以看出,失效鍍層的主要組成元素為Zn,同時還有少量Fe、Co 元素。
對樣件進行電化學阻抗譜(ESI)測量,采用三電極體系(飽和甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極,暴露面積為1 cm2的樣件為工作電極),頻率從100 000 Hz 到1 Hz,振幅5 mV,起始電位為-0.97 V,電解液為3.5%的NaCl 溶液,結果如圖5 所示。正常件的阻抗為1 380 Ω,而失效件的阻抗僅為460 Ω,說明其鍍層已不能對基體提供有效防護。
圖4 失效鍍層表面的XRD 譜圖 Figure 4 XRD pattern of the surface of failed coating
圖5 正常和失效鍍層在3.5% NaCl 溶液中的電化學阻抗譜圖 Figure 5 EIS plots of normal and failed coatings in 3.5% NaCl solution
建筑門窗五金鍍層出現(xiàn)的問題主要有:耐蝕性差,與基體結合力不強,開裂。
基體的前處理不徹底往往是導致結合力下降的主要原因。應加強鍍前處理中的除油及浸蝕工序,將基體表面的油污和銹蝕產(chǎn)物清除干凈。鍍層未進行封閉處理是導致鍍層耐蝕性差的主要原因。鈍化之后的鍍件應進行有機物封閉[2]或者水封閉,將鈍化膜表面的孔隙填充起來,以延緩大氣腐蝕,并提高膜的耐磨性。鍍層開裂可能緣于電鍍過程中不平衡結晶所產(chǎn)生的內(nèi)應力,當工件受到外力作用時,內(nèi)應力容易造成應力腐蝕、開裂等結果??蓢L試控制鍍液溫度來降低鍍層內(nèi)應力。
經(jīng)過一段時間對生產(chǎn)線的觀察后發(fā)現(xiàn),鍍液的顏色由開缸時的深綠色逐漸變淺,即使工人對鍍液成分進行了補充,產(chǎn)品的壽命也較短。原因在于工人只是定時定量地對鍍液進行補充,對鍍液當時的情況并沒有準確的判斷。鍍液的成分影響鍍層的性能。在五金件電鍍過程中由于鍍液成分大量消耗,得不到合理的補充,因此鍍層的組成在不斷改變,不能一直保持最佳狀態(tài)。其次,在電鍍過程中,電流密度和鍍液溫度未能得到穩(wěn)定的控制,而這會導致鍍層厚度不均勻,缺陷較多,在使用過程中易產(chǎn)生裂紋,且大多形成于鍍層一側(cè)。還發(fā)現(xiàn)在最后吹干的過程中,部分鍍件距離風口過近,導致其局部受到高溫沖擊,鍍層因此而受到損害。
基于上述結論,對鍍液成分的消耗進行測定,發(fā)現(xiàn)各添加劑的消耗主要來源于帶出及電解消耗(如陽極氧化及陰極沉積),柔軟劑A I、鐵絡合劑B Fe-C 和絡合劑X C 平均每10 000 A·h 的大致消耗量分別為1 ~ 3 L、0.1 ~ 0.2 L 和1 ~ 3 L。
每1 000 L 槽液的最佳試劑含量為:柔軟劑A I 25.0 kg,鐵絡合劑B Fe-C 24.2 kg,絡合劑X C 24.5 kg,鐵溶液Y Fe 26.1 kg,低電位促進劑Z L 25.0 kg。
定期分析鍍液中Zn、Fe 和NaOH 的濃度,通過添加鐵絡合劑B Fe-C 來補充鐵的損失,1 mL 的鐵絡合劑B Fe-C 相當于20 mg 的鐵及0.5 mL 的絡合劑X C。定期分析鐵的含量是必要的。絡合劑的消耗量需要用絡合劑X C 來補充。如果絡合劑的量夠,而槽液中鐵的含量又不斷下降,就需要添加鐵溶液Y Fe了。1 mL 的鐵溶液Y Fe 含有40 mg 的鐵。可以利用分光光度計對Fe 和絡合劑 X C 的含量進行分析。
配制2%的苯并三氮唑酒精溶液作為封閉劑,對鍍層進行封閉處理。封閉溫度控制在35 °C,防止鍍層受到高溫沖擊而形成擴散偶[3],對鍍層性能造成影響。
根據(jù)化驗結果對鍍液成分進行合理補充,通過測定而得出成分消耗的一般規(guī)律,可以防止鍍層性能因鍍液成分缺失而受到影響。
對鍍件進行封閉處理可以提高鍍層的耐蝕性,進一步延長其使用壽命。
將鍍液溫度控制在27 °C,封閉溫度控制在35 °C,可以防止鍍層因受到高溫沖擊而損壞。