氧化铈在热浸镀锌工艺中的应用
摘要：传统热镀锌工艺技术主要是在金属锌中添加金属元素镁、铝来提高热镀锌层的耐腐蚀性能。随着大气环境、沿海盐雾及化工酸雨区腐蚀环境状况日益加剧，影响热镀锌层耐腐蚀性能。在热镀锌液中添加稀土元素可以改善热镀锌层的耐腐蚀性能。制备了添加稀土氧化物的热镀锌层，获得了组织致密、晶粒细小、耐腐蚀性能极大提高的新型热镀锌涂层，为生产提供技术支持。
关键词：稀土元素；热镀锌；耐腐蚀；氧化铈
部分高压开关服役环境相当苛刻，环境腐蚀带来严重的挑战，目前制造高压开关的钢铁材料多为低碳钢，零部件常用的防腐蚀措施之一为热镀锌。热镀锌覆盖能力好，镀层致密，无有机物夹杂，且在腐蚀一旦开始，还具有一定的自愈能力，即热镀锌层一旦受到破坏，锌层将会迅速生成致密的ZnO与Zn(OH)2混合物层填补在原位置，这是镀锌层的自修复，自修复对基体重新起到保护作用。但是随着大气环境、沿海盐雾及化工酸雨区腐蚀环境状况日益加剧，环境中腐蚀元素c1-、s2-浓度逐渐增大，锌层自修复速率低于热镀锌层的腐蚀破坏速率，锌层出现腐蚀破坏状况。在环境条件比较苛刻的区域，这种破坏作用还相当严重，某些地区甚至5—10年热镀锌产品就必须更换或维护。
传统热镀锌涂层中经常添加的元素包括A1、Mg等。Al的作用为可以减少生产过程中锌液的氧 化。由于铝与氧的亲合力大而首先被氧化，锌液表面生成AI：O，保护薄膜，Al：0，保护薄膜组织致密，内部缺陷极少，可以阻止氧气向基材内部扩散，减少氧气与钢基体的接触几率，从而可有效地防止镀层表面的氧化；另外经常富集在钢基体与镀层的界面上，对于Fe—zn合金层反应有很强的阻滞作用，阻止界面产生裂纹。Mg对镀锌层的组织影响比较大，在镀锌液中加入适量的Mg，可以明显提高镀层的耐腐蚀性能，还可以消除锌液中铅对耐腐蚀性的不良影响。近年来科研工作者开始在热镀锌配方中添加稀土氧化物来改善热镀锌涂层的耐腐蚀性能。
研究认为添加稀土改善腐蚀性能的机理为：稀土元素在合金基体中主要是固溶作用，固溶的稀土元素富集于晶界位置或者其他晶体缺陷位置，引起晶界的物理化学环境与界面能量变化，影响其余元素的析出与新的物相形成，从而组织结构与力学性能发生变化，在涂层中稀土元素能够使组织的腐蚀电位正移，腐蚀过程受阻，耐腐蚀性能提高，稀土元素的含量在生产上主要是依靠经验获得。本文立足于已有的研究成果，配置添加稀土氧化物的热镀锌材料，进行工艺技术研究，为生产提供借鉴。
1 实验部分
1．1稀土氧化物及含量选择稀土元素具有较高的活泼性和亲和性。研究表明，在热镀锌过程中添加稀土元素也可以改善镀层性能，降低镀层厚度，增加耐腐蚀性能。稀土元素能够去除杂质与细化晶粒，并富集于镀锌层表面，形成致密而均匀的氧化层，在一定程度上阻止外界杂质原子向合金内部扩散，从而延缓氧化和腐蚀过程，使镀层耐腐蚀性能增加。但是稀土原子半径比锌原子半径大得多，且本文选择的稀土元素铈(Ce)晶体呈现正方晶体结构或立方晶体结构，而金属元素锌的结构为密排六方结构，它在固态锌中的溶解度较小，当稀土含量过高时，可能形成zn—Re化合物，而影响镀层的抗腐蚀性质，因此热浸镀锌溶液中稀土含量不宜过高。
本文选择稀土氧化物Ce2O3作为添加物质，在热镀锌溶液中质量分数为0．05％～0．30％之间。其余元素参考已有研究成果，热浸镀锌层元素组成为2．5％A1，3．0％Mg，0.06％其他元素，余量为zn。
试样基体材料为Q235钢板。Q235化学成分为0．05％c，0．62％si，7．95％Mn，0．037％P，0．007％S，14．82％Cr，4．21％Ni，1．24％Cu。
2．2热镀锌工艺流程
热镀锌工艺流程为：酸洗_水洗一助镀剂(助镀剂为87 g／L ZnCl2+102 g／L NH4C1，0为80～100℃，t为40～60 S)一烘干_热浸镀锌(0为440—460℃，t为50～300 S)一钝化一水冷一后处理。
2．3性能测试
镀层厚度、镀层致密度、镀层与基体的结合情况采用4XC蔡司金相显微镜观察。
3．6生产应用
生产中采用在热镀锌溶液中添加0．20％Ce2O3，所得热镀锌涂层(基体材料均为Q235)照片如图4所示。由图4可以看出，两种零件表面质量较好，锌层均匀，零部件的孔及边界部位无漏镀，
4结论
在热镀锌溶液中添加稀土氧化物Ce203，制备热镀锌涂层，研究结果表明，稀土氧化铈质量分数为0.20%时，得到的热镀锌层与基体结合良好，无漏镀、锌瘤锌刺等缺陷，晶粒细小、硬度与传统热镀锌相当，耐腐蚀性能较无稀土添加的热镀锌层提高90%。
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