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鋼鐵在進(jìn)行涂裝前通常需要進(jìn)行前處理，包括除油、除銹等工藝，化學(xué)前處理方法通常還要在鋼鐵的表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，該轉(zhuǎn)化膜既有一定的防腐能力，可以避免零件在噴涂前短暫的時(shí)間內(nèi)返銹，也可以增加零件表面的粗糙度，增強(qiáng)涂料與基底的結(jié)合力。

目前大部分采用的是磷化工藝，隨著節(jié)能減排的不斷推進(jìn)，新型無(wú)磷轉(zhuǎn)化膜（陶化膜）正在悄然取代傳統(tǒng)的磷化膜。陶化液應(yīng)該就是所謂的鋯系、鋯鈦系、硅烷系、鋯硅烷系、等無(wú)磷金屬表面處理劑，可部分替代磷化液，主要原料為氟鋯酸鹽，硅烷偶聯(lián)劑等。

這種新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里已取得了成功，全面生產(chǎn)試驗(yàn)正在進(jìn)行中。該新型轉(zhuǎn)化膜是由無(wú)定形態(tài)ZrO2組成的，而不是Zn3(PO4)2多晶體。它主要是用氧化鋯組成的納米陶瓷涂層取代傳統(tǒng)的結(jié)晶型磷化保護(hù)層，與金屬表面和隨后的油漆涂層之間有良好的附著力，耐腐蝕性能優(yōu)良。相信氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)給鋼鐵行業(yè)前處理工藝帶來(lái)巨大的變革。

硅烷化和陶化等無(wú)磷成膜技術(shù)的應(yīng)用，使鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)發(fā)生了重大變革。盡管這些轉(zhuǎn)化膜工藝尚未成熟，與磷化處理相比，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還存在一些難度，但我們相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)，這些處理技術(shù)一定會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的磷化工藝，或者出現(xiàn)更為先進(jìn)的處理工藝。

2007年以來(lái)，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在通用、沃爾沃、大眾等三家汽車(chē)公司分別進(jìn)行了附著力和耐腐蝕性能的檢測(cè)，結(jié)果基本達(dá)到了各家公司的測(cè)試指標(biāo)。新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在汽車(chē)前處理上的應(yīng)用，還需做以下方面的工作。

當(dāng)前汽車(chē)前處理行業(yè)充滿挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格、能源和原材料成本的日益增加，以及勞動(dòng)力成本的上漲，促使原材料供應(yīng)商不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的發(fā)明，給汽車(chē)前處理行業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展前景。

1.1陶化液的組成

1)硅烷處理劑

水溶液中通常以水解的形式存在：硅烷水解后通過(guò)其SiOH基團(tuán)與金屬表面的MeOH基（M表示金屬）的縮水反應(yīng)而快速吸附于金屬表面；一方面硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價(jià)鍵。

Si(OR)3+H2O →Si(OH)+3ROH (1)

Si(OH)+MOH →SiOM+ H2O (2)

一般來(lái)說(shuō)，共價(jià)鍵問(wèn)的作用力可達(dá)70010，硅烷與金屬之間的結(jié)合是非常牢固的；另一方面，剩余的硅烷分子通過(guò)SiOH基團(tuán)之間的縮聚反應(yīng)在金屬表面形成具有Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜。該硅烷膜在烘干過(guò)程中和后道的電泳漆或噴粉通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)結(jié)合在一起，形成牢固的化學(xué)鍵。這樣，基材、硅烷和油漆之間可以通過(guò)化學(xué)鍵形成穩(wěn)固的膜層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：①不含重金屬和磷酸鹽，廢水處理簡(jiǎn)單，可以降低廢水處理的成本，減輕環(huán)境污染。

②不需表調(diào)，也不需要亞硝酸鹽促進(jìn)劑等，藥劑用量少，可加快處理速度，提高生產(chǎn)效率，也減少了這類(lèi)化學(xué)物質(zhì)的對(duì)環(huán)境污染。③可在常溫下進(jìn)行，不需加溫，減少能源消耗。④

一種處理液可同時(shí)處理鐵、鋁等材料，不需更換槽液，降低生產(chǎn)成本。

1.2 陶化機(jī)理

它是以鋯鹽為基礎(chǔ)在金屬表面生成一層納米級(jí)陶瓷膜。陶化劑不含重金屬、磷酸鹽和任

何有機(jī)揮發(fā)組分，成膜反應(yīng)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生沉渣，可處理鐵、鋅、鋁、鎂等多種金屬。

陶化原理：

1）酸的侵蝕使金屬表面H+濃度降低：Fe-2e—Fe2+，2H++2e—2[H]

2）納米硅促進(jìn)反應(yīng)加速：

[Si]：ZrO2+4[H]—[Zr]+2H2O

式中[Si]為納米硅，[Zr]為還原產(chǎn)物，納米硅為反應(yīng)活化體，加快了反應(yīng)速度，進(jìn)一步導(dǎo)致金屬表面H+濃度急劇下降，生成的[Zr] 成為成膜晶核。

3）鋯酸根的兩級(jí)離解：

H2ZrF6+H+—ZrF62-+2H+

由于表面的H+濃度急劇下降，導(dǎo)致鋯酸根各級(jí)離解平衡向右移動(dòng)，最終為ZrF6-。

4）鋯酸鹽沉淀結(jié)晶成膜：當(dāng)表面離解出的ZrF6-，與溶解中的金屬離子Fe2+達(dá)到溶度積常數(shù)Ksp時(shí)，就會(huì)形成鋯酸鹽沉淀。

Fe2++ ZrF62-+H2O — FeZrF6+2H20

鋯酸鹽沉淀與水分子一起形成成膜物質(zhì)，以[Zr]為膜晶核不斷堆積，晶核繼續(xù)長(zhǎng)大成為晶粒，無(wú)數(shù)個(gè)經(jīng)理堆積形成轉(zhuǎn)化膜。硅烷化處理和陶化處理都可稱之為無(wú)磷成膜處理，目前市場(chǎng)上還有其它方式的無(wú)磷成膜處理方法，這些新技術(shù)與硅烷化或陶化處理有很多相似之處，一般都含有微量甚至不含重金屬和磷酸鹽，不需要表調(diào)，可處理多種板材等，處理時(shí)間短，可以提高生產(chǎn)效率，在節(jié)能減排方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)磷成膜技術(shù)必將成為未來(lái)鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的主要處理方式。

1.3技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1）氧化鋯轉(zhuǎn)化膜所形成的陶瓷涂層完全可以取代傳統(tǒng)的磷化膜。圖3所示的是不同轉(zhuǎn)化膜的膜厚。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜厚只有50 nm左右，與鉻化處理膜、鐵系磷化膜、鋅系磷化膜相比，它的膜厚是最薄的。低膜厚意味著膜重低，傳統(tǒng)的磷化膜重通常為2～3 g/m2，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重只有20～200 mg/m2。因供應(yīng)商提供原材料的不同，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重也有差別，但是總體來(lái)說(shuō)，要比傳統(tǒng)的磷化膜重相差200倍左右。經(jīng)過(guò)全面性能檢測(cè)，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜涂層能達(dá)到傳統(tǒng)磷化膜所達(dá)到的附著力和耐腐蝕性能。

2）可在脫脂清洗或酸洗后進(jìn)行處理，耐酸堿、機(jī)械性和熱穩(wěn)定性良好。與原有涂裝工藝和涂裝設(shè)備基本相容，無(wú)需進(jìn)行大的設(shè)備改造。

3）槽液非常穩(wěn)定且容易控制，平時(shí)生產(chǎn)中只需控制好溫度和pH，不像鋅系磷化那樣，每天都要定期檢測(cè)總酸、游離酸、促進(jìn)劑以及鋅、鎳、錳的含量等許多參數(shù)，節(jié)省了大量的工藝管理費(fèi)用。

4）工藝簡(jiǎn)短、流程短、成膜速率很快，一般形成完整的膜只需30 s左右，大幅降低了水消耗、廢水處理、能源、人力等過(guò)程成本。另外也縮減了生產(chǎn)線的建設(shè)規(guī)模，大大減少了生產(chǎn)車(chē)間的建設(shè)面積，降低了投資費(fèi)用。

5）最大程度減少了重金屬的排放，降低了水的消耗量，廢水、廢渣排放少，所形成的渣幾乎對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害，不含磷酸鹽，無(wú)BOD、COD，工藝維護(hù)成本大大減少。

6）質(zhì)量穩(wěn)定，減少了90％以上的成渣量，工藝參數(shù)完全自動(dòng)控制，適合處理多種板材：冷軋板、電鍍鋅板、熱鍍鋅板、鋅鐵合金板、鋁板等混線處理，可滿足高度自動(dòng)化的涂裝車(chē)間的需要。

前處理技術(shù)較簡(jiǎn)單，工藝流程如下：

預(yù)脫脂→脫脂→噴洗→浸洗→浸洗→轉(zhuǎn)化膜→噴洗→浸洗→浸洗→電泳

1.4陶化液的檢測(cè)方法

陶化點(diǎn)數(shù)：取2mL陶化工作液于250mL錐形瓶中，加入10mLP1緩沖液，搖勻，接著加入20mLP2緩沖劑，搖勻，再加入2~3滴HP指示劑。在電爐加熱至80~90℃，趁熱迅速用1m mol/L的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由酒紅色變?yōu)闇\黃色為滴定終點(diǎn)，記錄所用的標(biāo)準(zhǔn)液毫升數(shù)V，陶化液點(diǎn)數(shù)為5V。

陶化液的工作液的pH 值：3.8-5.4，用精密試紙測(cè)試。

三.參考配方

組分

投料量（g/L）

氟鋯酸

20~50

硅

10~15

氟鈦酸

32~35

氟化鋯

15~20

KH550

2~5

氟鈦酸鈣

6~6.5

酒石酸

5~10

硝酸鈉

5~10

月桂醇聚氧乙烯醚

3~5

水

余量

四，市面常見(jiàn)陶化液

納米陶化液、硅烷陶化液、硅烷鋯鹽復(fù)合陶化液、氟鋯系陶化劑、含高分子的新型陶化液

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