钢铁表面复合转化膜的制备(2)

2 结果与讨论

2. 1 成膜液各组分浓度及工艺条件对转化膜性能的影响

2. 1. 1 pH

固定氟锆酸、硝酸锰和KH-792 的加入量依次为5.5、2.0 和2.5 g/L，成膜温度为25 °C，不同pH 下所成膜的耐盐水浸泡时间如图1 所示。

成膜的启动反应是钢铁基体在酸性溶液中的阳极溶解，即反应(1)。

其中Me 为Fe2+或Mn2+。

接着便是成膜过程，即反应(2)，最后达到动态平衡。

处理液的pH 过低，即酸性过强，会抑制成膜反应(2)的进行，不能形成均匀致密的转化膜，导致其耐蚀性较差。但pH 过高不利于成膜启动反应(1)的进行，即阳极溶解反应非常缓慢，基体得不到充分活化，成膜不完整，甚至无法形成致密的转化膜，其耐蚀性也差。从图1 判断，最佳pH 为2.5 ～ 3.0。

2. 1. 2 硝酸锰的质量浓度

固定氟锆酸和KH-792 的质量浓度分别为5.5 g/L 和2.5 g/L，成膜液pH 为2.5，温度25 °C，改变硝酸锰的用量，结果如图2 所示。可见硝酸锰的质量浓度低于2.0 g/L 时，转化膜的耐蚀性较弱，随着质量浓度增大，耐蚀性增强。这是因为锰离子是主要的成膜物质，其反应如式(3)所示。

锰离子增多有利于提高膜的沉积量。但硝酸锰的质量浓度高于2.0 g/L 时，转化膜的耐蚀性反而随着硝酸锰质量浓度的增加而降低。这可能是由于锰离子增多影响了Fe2+进入转化膜。因此硝酸锰的最佳质量浓度为2.0 g/L。

图1 转化液的pH 对复合转化膜耐蚀性的影响Figure 1 Effect of pH of conversion solution on corrosion resistance of composite conversion film

图2 硝酸锰的质量浓度对复合转化膜耐蚀性的影响Figure 2 Effect of mass concentration of manganese nitrate on corrosion resistance of composite conversion film

2. 1. 3 氟锆酸的质量浓度

硝酸锰和KH-792 的质量浓度分别为2.0 g/L 和2.5 g/L，pH 为2.5，温度25 °C。氟锆酸的加入量对膜层耐蚀性的影响如图3 所示。氟锆酸是主要成膜物质之一，转化膜的耐蚀性随着氟锆酸质量浓度的增加先升后降。由反应式(1)可知，氟锆酸质量浓度太低时，生成的Me(HZrF6)2很少，不利于成膜反应(2)的进行，形成的转化膜太薄或基本不能成膜，耐蚀性较差。但氟锆酸加入量过多时，由于成膜反应太快，形成的转化膜较疏松且不牢固，一擦就掉，也不利于防腐，耐盐水浸泡时间明显缩短。氟锆酸加入量在5.5 g/L 为宜。

2. 1. 4 KH-792 的质量浓度

固定硝酸锰质量浓度、氟锆酸质量浓度、pH 和温度分别为2.0 g/L、5.5 g/L、2.5 和25 °C，考察了KH-792 加入量对转化膜耐蚀性的影响，结果如图4 所示。可见转化膜的耐蚀性先是随KH-792 的质量浓度 增大而增强，达到2.5 g/L 以后则相反。这说明增大主要成膜物质之一的KH-792 的质量浓度应对成膜有利，但浓度过大可能会影响MeZrF6·nH2O 沉积成膜。因此KH-792 的加入量在2.5 g/L 为宜。

图3 氟锆酸的质量浓度对复合转化膜耐蚀性的影响Figure 3 Effect of mass concentration of fluorozirconic acid on corrosion resistance of composite conversion film

图4 KH-792 的质量浓度对复合转化膜耐蚀性的影响Figure 4 Effect of mass concentration of KH-792 on corrosion resistance of composite conversion film

2. 1. 5 温度的影响

固定硝酸锰质量浓度、氟锆酸质量浓度、KH-792 质量浓度和pH 分别为2.0 g/L、5.5 g/L、2.5 g/L 和2.5，改变成膜液温度，结果如图5 所示。转化膜的耐蚀性在一定范围内随温度升高而增强，说明成膜反应是吸热反应。在25 ～ 35 °C 范围内得到的转化膜性能变化不大，说明温度可调范围比较宽松。但温度过高，成膜会太快，使转化膜变得疏松，而且影响KH-792 在基体表面的吸附成膜。因此当温度高于35 °C时，转化膜的耐蚀性急转直下。最佳成膜温度确定为25 ～ 35 °C。

图5 温度对复合转化膜耐蚀性的影响Figure 5 Effect of temperature on corrosion resistance of composite conversion film

2. 2 转化膜的形貌

从图6 可见，单独的锰-锆系转化膜为无定形沉积膜，表面有不均匀裂纹，平均膜厚为2.18 μm。而单独KH-792 硅烷吸附膜为很薄的条状膜，平均膜厚1.39 μm。复合转化膜是一种致密的球状堆积膜，平均膜厚3.00 μm。由此可见，两种体系的复合改善了转化膜的形态，提高了其厚度和耐蚀性。

2. 3 成膜过程中开路电位随时间的变化

从图7 可知，单独锰-锆体系与复合体系的成膜过程均分为3 个阶段：

第一阶段电位急剧负移。这表明首先进行H+对基体的腐蚀性电化学阳极溶解反应，促进钢铁表面活化，即反应式(1)。

文章来源：《钢铁》 网址: http://www.gtbjb.cn/qikandaodu/2021/0402/805.html