CN112176376B - 一种金属表面的处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面的处理工艺，其主要步骤为以下几步：将金属工件放入除氧化膜池浸泡60～80秒后取出，放入清水池清洗，并烘干；将金属工件进行电镀，在金属工件的表面电镀一层锌板；将电镀后的金属工件放入钝化液中进行钝化，25～40℃下浸泡1～3分钟，将取出的金属工件在清洗池中进行清洗10～15分钟。本发明通过加入自制的钝化液，并限制钝化液的原料重量比，摩尔比等条件使得处理后的金属工件获得了优异的耐腐蚀性、耐指纹性和润滑性。
Description
技术领域
本发明涉及表面处理领域，尤其涉及一种金属表面的处理工艺。
背景技术
表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。对于金属铸件，我们比较常用的表面处理方法是，机械打磨，化学处理，表面热处理，喷涂表面，表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。
金属制品的强度高，耐磨损，导热性能优越，是现今世界上应用量最大，应用范围最广泛的材料；另外，金属制品容易回收，环保性好。但是金属材料在使用过程中，因为与外界环境的直接或间接接触，以及金属材料的易氧化特性，每年，因为金属材质的腐蚀而产生的损失均以百亿美元计，而且还造成能源的浪费，这样因为金属的腐蚀而引起的损失是无法计量的。现有技术是通过对金属材料进行喷漆、电镀、阳极氧化和物理气相沉积(PVD)。其中，喷漆的作业场所空气中苯浓度相当高，对喷漆工人危害极大，长期接触苯会引起慢性中毒，造成白细胞减少，血小板降低，骨髓造血功能发生障碍等疾病产生，而且得到的金属表面质感单一。电镀通常是氰化物电镀，而氰化物有剧毒，对人体和环境危害较大，另外，电镀产生的废水和废气也污染环境；而且电镀还可能会由于处理不当，加快腐蚀，产生氢脆，致使硬度降低。
但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术(CN201610383775.0)研究了一种环保型金属表面处理工艺，公开了一种环保型金属表面处理工艺，具体步骤如下：将金属件放置于含有除油剂的除油槽中，除油槽中除油剂的浓度为4～6％，温度为25～65℃，浸泡时间为2～4min，每天清理除油槽表面油脂，一个季度清理除油槽底部残渣；采用除油剂对浸泡完成后的金属件进行喷淋，喷淋时间为2～5min，除油剂的浓度为3～5％，温度为15～65℃， pH值为10；对喷淋后的金属件的表面进行水洗两次；将水洗完成后的金属件放置于含有固膜剂的固膜槽中，固膜槽中固膜剂的浓度为 2～3％，pH值为8～9，常温下再采用固膜剂进行喷淋1～3min；吹水，烘干。表面处理工艺简单，只是简单对金属表面除油，通过喷淋对金属件再次清洁；处理的清洁效果低，防腐蚀效果差，金属表面因氧化腐蚀而粗糙不平影响正常使用。
因此，需要研发一种全面的金属表面处理工艺，使得处理过后的金属表面具有良好的润滑性，抗腐蚀性。
发明内容
为了解决上述问题本发明提供了一种金属表面的处理工艺，包括以下几个步骤：(1)表面物理清洁：将金属工件放入超声波清洗机中清洗15～30分钟，去除金属工件的表面灰尘；(2)表面油脂清洁：将步骤(1)中清洗的金属工件放入碱性处理池，浸泡10～15分钟；(3) 除氧化膜处理：将步骤(2)处理的金属工件放入除氧化膜池浸泡 60～80秒后取出，放入清水池清洗，并烘干；(4)电镀处理：将金属工件进行电镀，在金属工件的表面电镀一层锌板；(5)防腐处理：将电镀后的金属工件放入钝化液中进行钝化，25～40℃下浸泡1～3分钟，将取出的金属工件在清洗池中进行清洗10～15分钟，并烘干。
作为一种优选的方案，所述碱性处理池为氢氧化钠水溶液处理池，氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的质量分数为8～11％；所述除氧化膜池的浸泡原料为草酸、磷酸、醋酸、磷酸一钾中的至少一种或多种。
作为一种优选的方案，所述钝化液的原料包含以下重量份：铬源 8～15份，反应酸10～20份，助剂1～8份，稀释剂30～50份，添加剂 1～5份，络合剂3～8份。
作为一种优选的方案，所述铬源为硫酸铬、硝酸铬、磷酸铬、氯化铬中的至少一种或多种；所述反应酸为磷酸、亚磷酸、硫酸、亚硫酸、亚硝酸、磷酸一钾中的至少一种或多种；所述助剂为硅胶细粉、特氟龙粉末、膨润土、炭黑、白炭黑中的至少一种或多种；所述稀释剂为水和乙醇的混合溶液，其中乙醇的质量分数为9～13％；所述添加剂为母胶粒ZDTP-50、苯三唑衍生物、噻二唑多硫化物中的至少一种或多种；所述络合剂为缩苹果酸、肥酸、D-葡萄糖酸、甲叉丁二酸中的至少一种或多种。
作为一种优选的方案，所述络合剂为缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸；缩苹果酸，肥酸，甲叉丁二酸的摩尔比为1～3：1～3：1～3。
作为一种优选的方案，所述膨润土为羟基铝改性膨润土。
作为一种优选的方案，所述助剂为硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土；硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土的重量比为3～4：1～2：1～2。
作为一种优选的方案，所述助剂的平均细度为10～50nm。
作为一种优选的方案，所述添加剂为母胶粒ZDTP-50；母胶粒 ZDTP-50与铬源的重量比为1：3～8。
作为一种优选的方案，所述钝化液的制备方法包括以下步骤：(1) 将铬源，助剂和反应酸加入到稀释剂中，升高温度至60～70℃，并且超声分散30～45分钟获得混合液；(2)在上述混合液中加入络合剂并持续搅拌，反应时间30～40分钟；(3)将温度降至室温，加入添加剂进并搅拌20～30分钟，搅拌完成后将温度降低至5℃，静置2小时，之后自然恢复到室温。
有益效果：本发明提供一种金属表面的处理工艺，通过对钝化液原料重量比，摩尔比的限制，膨润土的无机改性使得钝化液的稳定性、使用寿命、成膜速度、钝化质量得到了有效的提高，金属表面的抗腐蚀性、润滑性得到了明显的加强。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
为了解决上述问题，本发明提供以了一种金属表面的处理工艺，包括以下几个步骤：(1)表面物理清洁：将金属工件放入超声波清洗机中清洗15～30分钟，去除金属工件的表面灰尘；(2)表面油脂清洁：将步骤(1)中清洗的金属工件放入碱性处理池，浸泡10～15分钟； (3)除氧化膜处理：将步骤(2)处理的金属工件放入除氧化膜池浸泡60～80秒后取出，放入清水池清洗，并烘干；(4)电镀处理：将金属工件进行电镀，在金属工件的表面电镀一层锌板；(5)防腐处理：将电镀后的金属工件放入钝化液中进行钝化，25～40℃下浸泡1～3分钟，将取出的金属工件在清洗池中进行清洗10～15分钟，并烘干。
在一些优选的实施方式中，所述碱性处理池为氢氧化钠水溶液处理池，氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的质量分数为8～11％；所述除氧化膜池的浸泡原料为草酸、磷酸、醋酸、磷酸一钾中的至少一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述钝化液的原料包含以下重量份：铬源8～15份，反应酸10～20份，助剂1～8份，稀释剂30～50份，添加剂1～5份，络合剂3～8份。
在一些优选的实施方式中，所述铬源为硫酸铬、硝酸铬、磷酸铬、氯化铬中的至少一种或多种；所述反应酸为磷酸、亚磷酸、硫酸、亚硫酸、亚硝酸、磷酸一钾中的至少一种或多种；所述助剂为硅胶细粉、特氟龙粉末、膨润土、炭黑、白炭黑中的至少一种或多种；所述稀释剂为水和乙醇的混合溶液，其中乙醇的质量分数为9～13％；所述添加剂为母胶粒ZDTP-50、苯三唑衍生物、噻二唑多硫化物中的至少一种或多种；所述络合剂为缩苹果酸、肥酸、D-葡萄糖酸、甲叉丁二酸中的至少一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述络合剂为缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸；缩苹果酸，肥酸，甲叉丁二酸的摩尔比为1～3：1～3：1～3。
采用复配的铬源络合剂能够提升钝化膜的成膜速度和钝化液形成的钝化膜质量。本申请人推测原因是：摩尔比在1～3：1～3：1～3 下的缩苹果酸，肥酸，甲叉丁二酸复配络合剂在钝化液钝化锌板的酸碱度变化过程中具有最佳的三价铬离子的络合稳定性，始终保持钝化所需足够量的三价铬离子，且与铬离子络合强度适中，钝化液的成膜稳定性高。
在一些优选的实施方式中，所述膨润土为羟基铝改性膨润土。
钝化液中加入羟基铝改性的膨润土有利于提高钝化液的使用寿命和钝化稳定性。本申请人推测:羟基铝的加入增加了膨润土分层之间的层间距，比表面积明显增大，能够有效的吸附三价铬离子。
本申请中的羟基铝改性膨润土为自制，步骤如下：(1)将钠基膨润土经过20％质量分数的硫酸溶液浸泡16小时，干燥后放置在300℃的管式炉中进行6小时的煅烧，得到活性膨润土；(2)取100g得到的活性膨润土进行滴加搅拌24小时，滴加液为配置好的0.5mol/L的羟基铝住撑剂，将得到产物进行氯离子清洗直至洗净，之后在100℃的真空烘箱中烘干；(3)将烘干后的产物再次进行300℃煅烧4小时，将产物洗涤、干燥并研磨得到改性膨润土粉末，之后将改性膨润土粉末过筛研磨至所需细度，得到最终产物所需细度的羟基铝改性膨润土。
羟基铝住撑剂是对膨润土进行无机改性的必备试剂，其制备步骤如下：首先，配置200mL的0.5mol/L的AlCl3水溶液和80mL的 0.5mol/LNa2CO3水溶液，将两种溶液同时加热到100℃，持续搅拌 AlCl3水溶液并以2mL/min逐滴滴加Na2CO3水溶液，反应时间为40 分钟。滴加完成后，降温到80℃煮热老化2小时，最后制得羟基铝住撑剂。
本申请中的钠基膨润土可为市售，例如杭州临安平山膨润土有限公司生产的高纯度钠基膨润土产品。
在一些优选的实施方式中，所述助剂为硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土；硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土的重量比为3～4：1～2：1～2。
使用硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土作为助剂能够提升钝化液的使用寿命、钝化性能、涂装性能和钝化膜的润滑性。复配助剂当重量比为3～4：1～2：1～2时，助剂功能性达到了最佳。复配助剂能够有效吸附三价铬离子；在钝化液在表面被烘干时，三组分的协同固化作用将钝化液转变为凝胶状，加强了钝化膜与锌板的附着力；助剂中极性颗粒的存在，将钝化层其他成分吸附在锌板表面，同时作为媒介，使得钝化层和外涂层紧密结合；特氟龙粉末的四氟大分子间引力小，表面对其他分子几乎无吸引力。
在一些优选的实施方式中，所述助剂的平均细度为10～50nm。
使用细度在10nm～50nm的复配助剂能够提升钝化膜的耐腐蚀性、连续性和硬度。本申请人推测：此平均细度下的助剂可以快速在钝化液中分散，且不需要添加亲水性悬浮体成型剂，消除成型剂对钝化液性能的影响；且助剂粉末可以充分的填充钝化膜在锌板表面形成时产生的沟痕和细小缺点，填充后的钝化膜表面更均匀连续，不存在缺陷。
在一些优选的实施方式中，所述添加剂为母胶粒ZDTP-50；母胶粒ZDTP-50与铬源的重量比为1：2～8。
母胶粒ZDTP-50作为添加剂加入可以增加钝化液的稳定性和钝化膜成膜速度。本人推测：母胶粒ZDTP-50中的活性基团抑制了钝化液中改性膨润土和三价铬的失电子现象，且母胶粒中锌离子的加入加快了含有三价铬离子的不溶性化合物在锌板表面的沉淀。
在一些优选的实施方式中，所述钝化液的制备方法包括以下步骤： (1)将铬源，助剂和反应酸加入到稀释剂中，升高温度至60～70℃，并且超声分散30～45分钟获得混合液；(2)在上述混合液中加入络合剂并持续搅拌，反应时间30～40分钟；(3)将温度降至室温，加入添加剂进并搅拌20～30分钟，搅拌完成后将温度降低至5℃，静置2小时，之后自然恢复到室温。
实施例
以下通过实施例对本发明技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不局限于所述的所有实施例。如无特殊说明，本发明的原料均为市售。
实施例1
实施例1提供了一种金属表面的处理工艺，包括以下几个步骤： (1)表面物理清洁：将金属工件放入200W的超声波清洗机中清洗 30分钟，去除金属工件的表面灰尘；(2)表面油脂清洁：将步骤(1) 中清洗的金属工件放入10wt％NaOH水溶液的碱性处理池，浸泡10～15分钟；(3)除氧化膜处理：将步骤(2)处理的金属工件放入 10wt％的草酸除氧化膜池浸泡80秒后取出，放入清水池清洗，并烘干；(4)电镀处理：将金属工件进行电镀，在金属工件的表面电镀一层锌板；(5)防腐处理：将电镀后的金属工件放入钝化液中进行钝化， 30℃下浸泡2分钟，将取出的金属工件在清洗池中进行清洗15分钟，并烘干。
本实施例中钝化液为自制，步骤如下：按重量份计算，(1)将 15份硫酸铬，8份助剂(4份硅胶细粉，2份羟基铝改性膨润土，2 份特氟龙粉末，平均细度为20nm)和20份磷酸加入到40份乙醇质量分数为10％的水溶液中，升高温度至70℃，并且超声分散45分钟获得混合液；(2)在上述混合液中加入8份复配络合剂(缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸的摩尔比为1：1：1)并持续搅拌，反应时间40 分钟；(3)将温度降至室温，加入5份母胶粒ZDTP-50并搅拌30分钟，搅拌完成后将温度降低至5℃，静置2小时，之后自然恢复到室温。
本实施例中羟基铝改性膨润土为自制，步骤如下：(1)将钠基膨润土经过20％质量分数的硫酸水溶液浸泡16小时，干燥后放置在300℃的管式炉中进行6小时的煅烧，得到活性膨润土；(2)取100g得到的活性膨润土进行滴加搅拌24小时，滴加液为配置好的0.5mol/L的羟基铝住撑剂，将得到产物进行氯离子清洗直至洗净，之后在100℃的真空烘箱中烘干；(3)将烘干后的产物再次进行300℃煅烧4小时，将产物洗涤、干燥并研磨得到改性膨润土粉末，之后将改性膨润土粉末过筛研磨至所需细度，得到最终产物所需细度的羟基铝改性膨润土。
羟基铝住撑剂是对膨润土进行无机改性的必备试剂，其制备步骤如下：首先，配置200mL的0.5mol/L的AlCl3水溶液和80mL的 0.5mol/LNa2CO3水溶液，将两种溶液同时加热到100℃，持续搅拌 AlCl3水溶液并以2mL/min逐滴滴加Na2CO3水溶液，反应时间为40 分钟。滴加完成后，降温到80℃煮热老化2小时，最后制得羟基铝住撑剂。
本实施例中的钠基膨润土为杭州临安平山膨润土有限公司生产的高纯度钠基膨润土产品。
该实施例处理后的金属工件记为G1。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：硫酸铬为 10份。
该实施例处理后的金属工件记为G2。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸的摩尔比为1：2：1。
该实施例处理后的金属工件记为G3。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸的摩尔比为5：5：1。
该实施例处理后的金属工件记为D1。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：膨润土不进行羟基铝住撑剂改性。
该实施例处理后的金属工件记为D2。
对比例3
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：硅胶细粉，羟基铝改性膨润土和特氟龙的重量比为6：1：1。
该实施例处理后的金属工件记为D3。
对比例4
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：助剂的平均细度为200nm。
该实施例处理后的金属工件记为D4。
对比例5
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：只加入1 份的母胶粒ZDTP-50(母胶粒ZDTP-50与硫酸铬的重量比为1：15)。
该实施例处理后的金属工件记为D5。
性能评价
1.耐盐雾性：向钝化后的金属工件持续喷洒10wt％的NaCl溶液，喷洒温度为35℃，记录金属工件从喷洒开始到出现表面腐蚀的时间，每个实施例测试5个样品，测得的数值取平均值，记入表1。
2.润滑性：通过摩擦系数大小验证金属表面钝化膜的润滑性，摩擦系数通过摩擦系数测试仪进行测量，每个实施例测试5 个样品，测得的数值取平均值，记入表1。
3.耐指纹性：按照试样表面涂抹凡士林前后色差值的变化判定：若前后色差的变化小于1，则为A级；若前后色差的变化大于1，小于2，则为B级；若前后色差的变化大于2小于4，则为C级；若前后色差的变化大于4，则为D级。目前热镀锌涂层的耐指纹性一般要求为A级或B级，每个实施例测试5个样品，测得的数值取平均值，记入表1。
表1
| 金属工件 | 耐盐雾时间(h) | 摩擦系数 | 耐指纹性 |
| G1 | 156 | 0.03 | A |
| G2 | 147 | 0.05 | A |
| G3 | 144 | 0.05 | A |
| D1 | 87 | 0.34 | B |
| D2 | 88 | 0.56 | B |
| D3 | 86 | 0.61 | C |
| D4 | 77 | 0.77 | C |
| D5 | 93 | 0.66 | B |
通过实施例1～3和对比例1～5可以得知，本发明提供的一种金属表面的处理工艺，处理后的金属工件具有优异的润滑性、耐腐蚀性适和耐指纹性宜在金属表面处理领域推广使用，具有广阔的发展前景。其中实施例1在具有最佳的原料重量比、摩尔比和改性条件等因素下获得了润滑性，耐腐蚀性和耐指纹性。
最后指出，以上所述实施例仅为本发明较佳的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种金属表面的处理工艺，其特征在于：包括以下几个步骤：(1)表面物理清洁：将金属工件放入超声波清洗机中清洗15～30分钟，去除金属工件的表面灰尘；(2)表面油脂清洁：将步骤(1)中清洗的金属工件放入碱性处理池，浸泡10～15分钟；(3)除氧化膜处理：将步骤(2)处理的金属工件放入除氧化膜池浸泡60～80秒后取出，放入清水池清洗，并烘干；(4)电镀处理：将金属工件进行电镀，在金属工件的表面电镀一层锌板；(5)防腐处理：将电镀后的金属工件放入钝化液中进行钝化，25～40℃下浸泡1～3分钟，将取出的金属工件在清洗池中进行清洗10～15分钟，并烘干；
所述钝化液的原料包含以下重量份：铬源8～15份，反应酸10～20份，助剂1～8份，稀释剂30～50份，添加剂1～5份，络合剂3～8份；
所述铬源为硫酸铬；
所述反应酸为磷酸；
所述稀释剂为水和乙醇的混合溶液，其中乙醇的质量分数为9～13％；
所述添加剂为母胶粒ZDTP-50；母胶粒ZDTP-50与铬源的重量比为1：3～8；
所述络合剂为缩苹果酸，肥酸和甲叉丁二酸；缩苹果酸，肥酸，甲叉丁二酸的摩尔比为1～3：1～3：1～3；
所述助剂为硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土；硅胶细粉，特氟龙粉末和羟基铝改性膨润土的重量比为3～4：1～2：1～2；
所述助剂的平均细度为10～50nm。
2.根据权利要求1所述的金属表面的处理工艺，其特征在于：所述碱性处理池为氢氧化钠水溶液处理池，氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的质量分数为10％；所述除氧化膜池的浸泡原料为草酸。
3.根据权利要求1所述的金属表面的处理工艺，其特征在于：所述钝化液的制备方法包括以下步骤：(1)将铬源，助剂和反应酸加入到稀释剂中，升高温度至70℃，并且超声分散45分钟获得混合液；(2)在上述混合液中加入络合剂并持续搅拌，反应时间40分钟；(3)将温度降至室温，加入添加剂进并搅拌30分钟，搅拌完成后将温度降低至5℃，静置2小时，之后自然恢复到室温。
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