金属钝化原理

金属钝化原理与应用

机械与汽车工程学院

材料成型及控制工程

金属钝化原理及应用

（材料成型及控制工程）

摘要：金属经氧化性介质处理后，其腐蚀速度比原来未处理前有显著下降的现象称金属的钝化。其钝化机理主要可用薄膜理论来解释，即认为钝化是由于金属与氧化性介质作用，作用时在金属表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、能坚固地附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独立相存在，通常是氧和金属的化合物。它起着把金属与腐蚀介质完全隔开的作用，防止金属与腐蚀介质直接接触，从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防止腐蚀的效果。

关键词：表面处理、钝化、铬酸盐、酸洗钝化

一、概述

钝化现象早在十八世纪30年代即被发现，自此得到了广泛的研究。

钝化现象——通常，电极电位愈正，金属溶解速度愈大。而实际中，常有电位超过一定数值后，电流突然减少，这种现象成为钝化现象。

金属在介质中具有极低的溶解速度的性质称为“钝性”。金属在介质中强烈溶解的性质叫做“活性”。活态向钝态的转变叫做钝化，能够使金属发生钝化的物质被称为钝化剂。钝化现象发生通常与氧化介质有关。有时在非氧化性介质中也可以发生钝化，如镁在氢氟酸中、钼和铌在盐酸中、汞和银在氯离子作用下等。

金属钝化的定义：在一定条件下，当金属的电位由于外加阳极电流或局部阳极电流而移向正方向时，原来活泼地溶解着的金属表面状态会发生某种突变，同时金属的溶解速度急速下降，这种表面状态的突变过程叫做钝化[1]。

金属钝化的两个必要标志：腐蚀速度大幅度下降、电位强烈正移。

金属钝化的特征[2]：

①金属的电极电位朝正值方向移动；

②腐蚀速度明显降低；

③钝化只发生在金属表面；

④金属钝化以后，即使外界条件改变了，也可能在相当程度上保持钝态。

钝化的分类

化学钝化：金属与钝化剂自然作用产生（如：Cr，Al，Ti等金属在含氧溶液中）又称自钝化。

电化学钝化（阳极钝化）：外电流使金属阳极钝化，使其溶解速度大幅降低，并且能够保持高度的稳定性。

阳极钝化和化学钝化的实质是一样的。

机械钝化：在一定环境下金属表面沉积出一层较厚的，但不同程度稀松的盐层，实际上起了机械隔离反应物的作用。

研究金属钝化的意义

金属的钝化现象具有极大的重要性。提高金属材料的钝化性能，促使金属材料在使用环境中钝化，是腐蚀控制的最有效控制之一。

二、铬酸盐钝化[3]

1.概述

生产中最常用的钝化方法就是铬酸盐处理，这种方法能够使金属表面转化成以铬酸盐为主要组成的膜以实现钝化处理。金属进行铬酸盐处理的目的如下：

①提高金属或金属镀层的抗腐蚀性能。对于金属镀层来说，在其上的铬酸盐膜不但可以延缓镀层出现腐蚀的时间，而且是镀层对基底金属做到更有效的防护。

②避免金属表面受到手触的污染。

③提高金属同漆层或其他有机涂料的粘附能力。

④获得带色的装饰外观。

2.基本原理

按照一般的见解，金属在含有能起活作用的添加物的铬酸盐溶液中形成铬酸盐转化膜[4]的过程，大致是：

①表面金属被氧化并以离子的形式转入溶液，与此同时氢在表面析出；

②所析出的氢促使一定数量的六价铬还原为铬，并由于金属-溶液界面液相区pH的提高，三价铬便以氢氧化铬胶体的形式沉淀；

③氢氧化铬胶体自溶液中吸附和结合一定数量的六价铬，构成具有某种组成的转化膜。

3.膜的结构和性质

铬酸盐成膜的机理至今还众所纷纭，对铬酸盐膜的化学组成和结构，有许多报道，尤其随溶液和工艺差异而不同，一般讲的铬酸盐转化膜的主要成分是三价铬和六价铬

【Cr2O3·CrO4·nH2O、Cr(OH）CrO4、Cr(OH)3·Cr2(CrO4)3】

4.钝化工艺技术

①锌镉钝化技术

②镁合金钝化技术[5]

③铝及铝合金钝化技术

三、酸洗钝化

1.概述

酸洗钝化是一种化学反应，用以去除钢铁表面的腐锈现象。对不锈钢全面酸洗钝化，清除各类油污、锈、氧化皮、焊斑等污垢，处理后表面变成均匀银白色，大大提高不锈钢抗腐蚀性能，适用于各种型号不锈钢零件、板材及其设备。

特点

操作简单，使用方便、经济实用，同时添加了高效缓蚀剂[6]、抑雾剂，防止金属出现过腐蚀和氢脆现象、抑制酸雾的产生。特别适用于小型复杂工件，不适合涂膏的情况，优于市场同类产品。

四、钝化操作方法

钝化时一般用重铬酸钾溶液（2～4克/升，有时也加入1～2克磷酸），在80-90摄氏度浸啧2-3分钟取出,水洗即可。

在蚀刻不锈钢工艺中，我们常常遇着产品发黄，这里我们需要钝化工艺来处理。

1）一次钝化液的成分及工作条件

组成及条件彩色钝化钝化后要漂白组成用条件彩色钝化钝化后要漂白

液及温度的浓度及温度液及温度的浓度及温度

铬酸250~300G/l 200~250G/l 硫酸10~20ML/L 24~30ML/L

30~40ML/L 15~20ML/L 温度30~40度室温

2）二次印化溶液的组成及工作条件：氨三乙酸-氯化铵锌如果采用二次钝化工艺，钝化膜色泽均匀，五彩鲜艳，膜层细致，膜与镀锌层结合力好，防腐蚀性也比一次钝化好。

二次钝化液组成及条件甲槽乙槽

铬酐质量浓度/g.l-1 170~200 40~50

硫酸体积分数/ML。L-1 6~7 2

硝酸体积分数/ML。L-1 7~8 5~6

硫酸亚铁质量浓度/G。L-1 8~10 6~7

锌粉质量浓度/G。L-1 1~2 6~8

温度室温室温

时间/S 20~40 20~30

经甲槽钝化后不经过清洗，直接投入乙槽，乙槽钝化液有时还冲淡使用。

钝化处理具体应用

铬酸盐钝化

镀锡钢板的铬酸盐钝化处理

2.酸洗钝化

①切削加工后的清洗及酸洗钝化

不锈钢工件经切削加工后表面上通常会残留铁屑、钢末及冷却乳液等污物，会使不锈钢表面出现污斑与生锈，因此应进行脱脂除油，再用硝酸清洗，既去除了铁屑钢末，又进行了钝化。

②焊接前后的清洗及酸洗钝化

由于油脂是氢的来源，在没有清除油脂的焊缝中会形成气孑L，而低熔点金属污染(如富锌漆)焊接后会造成开裂，所以不锈钢焊前必须将坡口及两侧20mm内的表面清理干净，油污可用丙酮擦洗，油漆锈迹应先用砂布或不锈钢丝刷清除，再用丙酮擦净。

不锈钢设备制造无论采用何种焊接技术，焊后均要清洗，所有焊渣、飞溅物、污点与氧化色等均要除掉，清除方法包括机械清洗与化学清洗。机械清洗有打磨、抛光与喷砂喷丸等，应避免使用碳钢刷子，以防表面生锈。为取得最好的抗腐蚀性能，可将其浸泡在HNO3和HF的混液中，或采用酸洗钝化膏。

③锻铸件的清洗

经锻铸等热加工后的不锈钢工件，表面往往有一层氧化皮、润滑剂或氧化物污染，污染物包括石墨、二硫化钼与二氧化碳等。应通过喷丸处理[7]、盐浴处理以及多道酸洗处理。