CN105256296B

CN105256296B - 一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液及其制备方法

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Publication number: CN105256296B
Application number: CN201510772189.0A
Authority: CN
Inventors: 吕宇鹏; 姜葱葱; 肖桂勇; 朱瑞富
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: CN105256296A

Abstract

本发明公开了一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液及其制备方法，所述的转化液由以下重量百分比的成分组成：硝酸10～30％、磷酸5～15％、氧化锌15～25％、铁粉1～5％、复合促进剂5～10％，余量为水；所述的复合促进剂为柠檬酸和氯酸盐。制备方法：(1)将氧化锌溶解于硝酸和磷酸中；(2)然后加入复合促进剂溶解完全后加水；(3)将铁粉加入到步骤(2)得到的溶液中，熟化后将铁粉取出，并调节pH值为2.0～3.0，即得。本发明的35CrMnSi钢用常低温化学转化液不含有毒成分，使用方法简单、易于操作，能耗和生产成本较低，能在基体表面形成一层由约2～5um片状磷酸锌晶体组成的均匀致密转化膜，耐蚀性良好。

Description

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液及其制备方法

技术领域

本发明属于金属表面改性技术领域，涉及一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展和进步，金属加工件日趋向高参数、轻量化及大型化发展，对钢材的性能提出越来越高的要求。35CrMnSi合金钢由于性能优异和经济效益显著，已成为国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料，其产量约占钢铁总产量的10％。但合金钢耐蚀性和抗氧化性能低的缺陷限制了其应用。化学转化处理应用于工业领域己有百年历史，化学转化的主要目的之一就是给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀，提高其防护性能。

现有技术中，为了达到好的化学转化效果多采用中高温化学转化处理，但是该处理方法具有能耗高、易产生大量沉渣等缺点。目前市场上出现了一些低温或室温化学转化液，虽然可克服上述缺点，但用这种化学转化液所制备的化学转化膜具有膜层薄、耐蚀性差、化学转化时间长、化学转化速度慢等缺点。尤其对于35CrMnSi中碳合金钢来说，合金元素(Cr、Si、Mn等)的存在及高表面含碳量均对化学转化有很不利的影响。低碳钢易化学转化且形成的化学转化膜致密均匀，但是随着含碳量的升高，化学转化速度变慢且形成的化学转化膜晶粒粗大、耐蚀性差。

目前，有文献(A.Kumar,S.K.Bhola,J.D.Majumdar,Microstructuralcharacterization and surface properties of zinc phosphated medium carbon lowalloy steel)报道了BS970633M31中碳低合金钢表面磷酸锌转化膜的制备，其转化温度为90℃。

专利CN 103469188A公开了一种合金钢材料用磷化液及其磷化工艺。该合金钢材料的磷化工艺是通过水洗、除油脱脂、水洗、表面调整、磷化、水洗干燥得到磷化完成的合金钢材料。该磷化液中Zn(H₂PO₄)₂为70～90g/L，Ni(NO₃)₂为7g/L，Zn(NO₃)₂为80～100g/L，Mn(NO₃)₂为20～30g/L；同时调整该磷化液的游离酸为6～10，总酸度为55～70，温度为75～80℃。该发明提供的磷化液中含有镍金属离子，污染环境，同时也采用了温度为75～80℃的中高温磷化工艺。

专利CN103924229A专利公开了一种分级结构磷酸锌化学转化膜的制备方法，包括步骤如下：配制化学转化基础溶液A：氧化锌20-28g/L，硝酸25-35ml/L，磷酸10-15ml/L，硝酸钙5-20g/L，柠檬酸18-22g/L；向化学转化基础溶液中加铁粉，在室温条件下熟12-24h，配成熟化液A1；将不锈钢基体酸蚀、活化；把活化后的基体放入熟化液A1中，在65-75℃下，pH值为2.5-3.0，化学转化15-45min后，水冲洗，得到磷酸锌化学转化膜。该专利存在以下的缺点：该转化膜需要在中高温条件下才能形成，磷化液不稳定容易产生沉淀，该专利为在不锈钢基体上形成一层磷化锌转化膜，该膜具有分级结构，目的是利于生物应用，耐蚀性差，该专利针对的是具有钝化膜的医用不锈钢难以磷化的问题，不适合碳含量较高的合金。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液及其制备方法，无需加热即可使用，几乎不产生沉渣，且制备方法简单、易操作，适合工业化生产，同时能在基体表面快速形成一层磷酸锌转化膜，膜层致密均匀，耐蚀性良好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，由以下重量百分比的物质混合反应得到：硝酸10～30％、磷酸5～15％、氧化锌15～25％、还原铁粉1～5％、复合促进剂5～10％，余量为水；所述的复合促进剂为柠檬酸和氯酸盐。(优选氯酸盐为氯酸钠或氯酸钾)

上述35CrMnSi钢用常低温化学转化液的制备方法，步骤如下：

(1)将氧化锌溶解于硝酸和磷酸中；

(2)然后加入复合促进剂溶解完全后加水；

(3)将铁粉加入到步骤(2)得到的溶液中，熟化(优选6～14h)后将铁粉取出，并调节pH值为2.0～3.0，即得。

上述35CrMnSi钢用常低温化学转化液的使用方法是：将经金相砂纸打磨、酸洗、活化后的35CrMnSi钢基体在常低温(10～30℃)条件下浸入化学转化液中3～10min，然后进行充分水洗、烘干。

经过上述转化液处理后的35CrMnSi钢在制备汽车、军工用品和电器中的应用。

本发明产生的有益效果：

本发明的35CrMnSi钢用常低温化学转化液不含有毒成分，使用方法简单、易于操作，能耗和生产成本较低，能在基体表面形成一层由约2～5um片状磷酸锌晶体组成的均匀致密转化膜，耐蚀性良好。

现有技术中在制备磷酸锌转化膜时，一般都是使用硝酸钙作为促进剂，由于硝酸钙是一种中温(50-75℃)锌系磷化促进剂，在配制溶液时易产生沉淀，降低转化液的稳定性。针对这一问题本发明创造性地使用了氯酸盐(特别是氯酸钠)作为促进剂，不但促使转化温度降低，室温转化即可，而且制备的转化液比较稳定，发明人发现即使在本发明中使用硝酸钙也不会起到促进剂的作用。

35CrMnSi是一种中碳合金钢，合金元素(Cr、Si、Mn等)的存在及高表面含碳量均对化学转化有很不利的影响。低碳钢易化学转化且形成的化学转化膜致密均匀，但是随着含碳量的升高，化学转化速度变慢且形成的化学转化膜晶粒粗大、耐蚀性差。目前中碳合金钢都是采用中高温的磷化工艺，且会用到一些含有重金属离子的促进剂，污染大。而本发明提供了一种室温且不含污染离子的磷酸盐化学转化方案。

中高温磷化产生沉渣，是因为温度的升高会促进磷化液的成分磷酸二氢盐的大量水解，从而形成磷酸铁沉淀，即沉渣。而常低温磷化仅发生磷酸二氢盐的适量水解，且磷化液中添加了柠檬酸作为降渣剂，可与Fe³⁺形成可溶性的稳定络合物，减少残渣的生成。

本发明利用常低温、快速、无渣的化学转化液，在35CrMnSi钢表面制备一层耐蚀性良好的致密磷酸锌转化膜，不仅能有效改善其表面防护性能，扩展其在工业、军事等领域的应用，同时降低能耗，避免大量沉渣的产生，环境效益显著。

附图说明

图1为实施例1制备的磷酸锌转化膜的X射线衍射图；

图2为实施例1制备的磷酸锌转化膜的场发射扫描电镜图；

图3为实施例1制备的磷酸锌转化膜与基体在3.5wt％的氯化钠溶液中的极化曲线。

具体实施方式

实施例1

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其组成包括如下重量份的成分：硝酸30份、磷酸10份、氧化锌25份、还原铁粉5份、复合促进剂7份，加水至1000份。所述的复合促进剂由柠檬酸、氯酸钠组成。

上述化学转化液的制备方法如下：首先将氧化锌、硝酸、磷酸依次加入到烧杯中，磁力搅拌至完全溶解；其次加入复合促进剂，搅拌至溶解完全，加水至1000份；最后将铁粉加入到溶液中，熟化14h后将铁粉取出，并调节pH值为2.75。

由图1可以看出，该膜层的物相组成为磷酸锌(Zn₃(PO₄)₂·4H₂O)和磷酸锌铁(Zn₂Fe(PO₄)·4H₂O)。磷酸锌具有良好的耐蚀性，磷酸锌铁由于其良好的稳定性，有利于提高膜层整体的耐腐蚀性；图2的SEM图表明，该膜层是由致密、均匀的片状晶体(2～5um)组成，膜层完整地覆盖了基体，从而防止腐蚀介质对基体的侵蚀，从而起到提高耐蚀性的作用；图3的极化曲线证实了膜层的耐蚀性能，经过转化处理的试样较未处理试样具有较高的腐蚀电压和较低的腐蚀电流，显著提高了钢基体的耐蚀防护性能。

实施例2

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其组成包括如下重量份的成分：硝酸25份、磷酸5份、氧化锌20份、还原铁粉3份、复合促进剂10份，加水至1000份。所述的复合促进剂主要由柠檬酸、氯酸钠组成。

上述化学转化液的制备方法如下：首先将氧化锌、硝酸、磷酸依次加入到烧杯中，磁力搅拌至完全溶解；其次加入复合促进剂，搅拌至溶解完全，加水至1000份；最后将铁粉加入到溶液中，熟化10h后将铁粉取出，并调节pH值为2.5。

实施例3

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其组成包括如下重量份的成分：硝酸15份、磷酸15份、氧化锌20份、还原铁粉3份、复合促进剂7份，加水至1000份。所述的复合促进剂主要由柠檬酸、氯酸钠组成。

上述化学转化液的制备方法如下：首先将氧化锌、硝酸、磷酸依次加入到烧杯中，磁力搅拌至完全溶解；其次加入复合促进剂，搅拌至溶解完全，加水至1000份；最后将铁粉加入到溶液中，熟化6h后将铁粉取出，并调节pH值为2.0。

实施例4

一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其组成包括如下重量份的成分：硝酸10份、磷酸15份、氧化锌15份、还原铁粉1份、复合促进剂5份，加水至1000份。所述的复合促进剂主要由柠檬酸、氯酸钠组成。

上述化学转化液的制备方法如下：首先将氧化锌、硝酸、磷酸依次加入到烧杯中，磁力搅拌至完全溶解；其次加入复合促进剂，搅拌至溶解完全，加水至1000份；最后将铁粉加入到溶液中，熟化14h后将铁粉取出，并调节pH值为3.0。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其特征是：由以下重量份的物质混合反应得到：硝酸10～30份、磷酸5～15份、氧化锌15～25份、铁粉1～5份、复合促进剂5～10份，加水至1000份；所述的复合促进剂为柠檬酸和氯酸盐；所述转化液需要将上述物质按照以下的步骤混合：

(1)将氧化锌溶解于硝酸和磷酸中；

(2)然后加入复合促进剂溶解完全后加水；

(3)将铁粉加入到步骤(2)得到的溶液中，熟化6～14h后将铁粉取出，并调节pH值为2.0～3.0，即得。

2.如权利要求1所述35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其特征是：由以下重量份的物质混合反应得到：硝酸25份、磷酸5份、氧化锌20份、铁粉3份、复合促进剂10份，加水至1000份；所述的复合促进剂为柠檬酸和氯酸盐。

3.如权利要求1或2所述35CrMnSi钢用常低温化学转化液，其特征是：所述氯酸盐为氯酸钠或氯酸钾。

4.权利要求1或2所述35CrMnSi钢用常低温化学转化液的使用方法，其特征是：将经金相砂纸打磨、酸洗、活化后的35CrMnSi钢基体在常低温条件下浸入化学转化液中，然后进行水洗、烘干。

5.如权利要求4所述的使用方法，其特征是：所述常低温为10～30℃。

6.如权利要求4使用方法，其特征是：将活化后的35CrMnSi钢基体在常低温条件下浸入化学转化液中3～10min。

7.经过权利要求1或2所述的转化液处理后的35CrMnSi钢在制备汽车、军工用品和电器中的应用。