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【硬科技】不同锌金属类涂层技术的环保性分析

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“材料在自然环境或工况条件下,与所处的环境介质发生化学、电化学或物理作用而产生的退化或破坏现象,称为腐蚀。” ——腐蚀的定义

人类通过冶金工程(消耗能量)将矿石(金属氧化物等)转变为金属,而金属材料加工制作成的工件在遭遇环境作用被腐蚀成金属氧化物或氢氧化物,又回到大自然,构成一个循环规律。因此,腐蚀无法被完全拒绝,但人类可以利用腐蚀机理科学控制腐蚀速率,延长金属材料的使用寿命。例如在钢铁材料表面制备金属涂层,并经过钝化形成耐腐蚀层,以保护钢铁基体遭受实施的技术工艺得到广泛的应用。

 

金属是自然界中资源分布较广的金属元素,也是用于制备防腐涂层的重要元素之一,这是由于:锌与铁相比,是一种更为活泼的金属元素,更容易被氧化腐蚀。在大气环境下,锌发生氧化或电化学腐蚀在表面覆盖了一层由氧化锌、碳酸锌和氢氧化锌组成的氧化膜,这一层氧化膜比较致密,黏附性能较好,能将外界的氧气与内部的组织隔离开来,防止内部的基体继续被氧化。同时,因为锌的电位负于铁,锌类涂层以牺牲阳极形式保护钢铁材料。因此,由于锌金属的这些固有的特性,人类相继开发不同锌金属涂层技术,包括电镀锌,热浸锌,达克罗(锌铬或锌铝涂层),粉末渗锌等。

 

那么这些技术是否会对环境造成污染吗?

 

(一)电镀锌

 

电镀锌又称冷镀锌,是一种利用电解的原理在工件表面形成均匀、致密、机械结合的金属锌层表面防腐工艺。在干燥的大气环境下耐腐蚀良好,但在工业大气,含SO2环境耐腐蚀性极具下降,且存在“锌脆”,“氢脆”等问题。其主要工序为:化学除油酸洗(除锈/活化)电镀锌钝化干燥。其除油过程会产生含油废水,酸洗后产生酸雾、废酸等都会污染环境,电镀后会产生大量含锌废液以及氰化物等有毒物质排放,后处理钝化过程中重金属铬离子污染等,需要耗费巨额资金购置污水处理设施进行处理至符合排放标准后排放。然而,一些小电镀企业工艺技术落后,生产效率低,原材料消耗高,市场竞争激烈也不堪重负。尤其高投入的环保设备设施无法装备,即使装备了也无力运用,致我国电镀行业的污染状况到了令人担忧的地步。据估计,电镀行业每年排放大量的污染物,包括4亿吨含重金属废水、50000吨固体废物和3000万立方米酸性气体。目前70-80%的国有电镀厂建立了污染控制设施,然而大部分处理设施已经过期而不能正常运转(城市中只有50%的设施能运转,农村地区更低,只有25%),而大多数乡镇电镀企业则几乎没有采取任何污染控制措施。因此,电镀产业的污染问题是行业面临的最严重问题,其技术革新和污水处理是行业未来发展的方向。但是在没有突出的改进措施之前,国内外已严格限制电镀锌的生产和新项目建设。

 

(二)热浸锌

 

热浸锌又称热镀锌,是一种将工件浸入到440~500℃左右的熔融锌液中,使金属构件表面附着一层锌层的表面防腐工艺。热浸锌的主要工序为:化学除油酸洗浸助镀溶剂烘干预热热镀锌冷却钝化干燥。热浸锌依然会产生电镀锌中存在的含油废水、废酸、酸雾及钝化过程中重金属铬离子污染。同时,预镀件放入镀锌槽时,会产生大量氯化铵和氯化锌的烟尘,镀锌后会产生大量废锌料和锌蒸汽,锌蒸汽极易导致锌中毒。因此,需要热浸锌企业加强环保意识,全面实施环保措施,有效控制热浸锌生产及使用过程对环境产生的不良影响。

 

 

(三)达克罗技术

 

达克罗,国内又称锌铬涂层,是在工件表面形成由片状锌粉、铝粉及金属铬盐组成的银灰色防腐涂层技术。达克罗的主要工序为:脱脂抛丸涂覆固化冷却。达克罗技术作为当今国际上表面处理富有代表性的高新技术,具有极佳防腐性能,比传统镀锌处理的耐蚀性提高7~10倍,虽然其前处理采用机械抛丸,避免了废酸、废液、酸雾等污染,但其涂覆剂中由于存在金属铬,六价铬为吞入性毒物/吸入性极毒物,皮肤接触可能导致敏感;更可能造成遗传性基因缺陷,吸入可能致癌,对环境有持久危险性。但这些是六价铬的特性,铬金属、三价或四价铬并不具有这些毒性。因此行业开发处理无铬或三价铬的涂层,例如Geomet技术,但是耐腐蚀性能与达克罗相比较差。此外,三价铬在随着时间的推移慢慢被氧化出现六价铬,尤其在碱性环境下,涂层表面疏松的微量三价铬在潮湿的空气环境中被氧化成六价铬,最终危害人体健康。

(四)传统粉末渗锌

粉末渗锌又称热扩散渗锌,是在加热状态下将Zn及其他合金元素扩散进入钢铁表面形成Zn-Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。其主要工艺流程为:机械抛丸渗锌酸洗电解钝化。粉末渗锌涂层与集体结合强度高,具有优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性与抗磨损与抗冲击特性,极大地提高金属构件的使用性能。但其渗锌过程由于采用硅砂或氧化铝作为填料,因此生产过程具有较大的粉尘污染,同时为了进一步提高涂层耐腐蚀性能,后处理过程中需要进行酸洗,并采用NaOH进行电解,因此会产生酸雾、废酸、废碱等污染。

 

(五)合金原子渗技术

 

综上四种锌类涂层技术均会环境造成不同程度的污染,因此开发或革新技术满足环境要求是必然趋势。天元智造秉承“绿色科技,共创美好生活”的使命,开发了合金原子渗(AtomicDiffusion Alloying,简称“ADA”)技术,是基于原子热扩散原理,在传统粉末渗锌的基础上,利用大数据模型控制和特殊催化剂作用下,将锌、铝等合金元素渗入工件表面,在工件表面形成以冶金结合方式存在的Zn-Fe相或Zn-Fe-Al相合金层的先进环保表面处理工艺。该工艺作为粉末渗锌的创新技术,以不产生任何污染产物为出发点,从原理上对其材料、工艺及后处理全过程进行全面设计。例如精确计算和使用锌粉消耗量,采用绿色环保溶液进行渗锌后复合钝化工艺,其工艺过程无酸洗、铬酸钝化以及油漆等工序,过程中无“三废”排放。同时不降低防腐性能,在工业大气,酸雨以及高潮湿高电解质等苛刻环境下仍具有优异的防腐性能。在很多工况下可以代替电镀性,热浸锌,传统粉末渗锌等。

人们采用不同表面工程技术减缓金属材料的腐蚀速率,延长金属材料的服役寿命,从而减少因腐蚀而造成的经济损失和安全事故。然而,采用表面处理工艺虽然为金属材料赋予了耐腐蚀的特性,却由于工艺技术的局限会产生大量的污染自然环境的产物,例如重金属,有毒气体和液体等,破坏了整个生态平衡,危险人类健康生活。因此,对表面工程技术的革新和绿色环保防腐技术开发,是各工业国特别重视的课题,虽已经取得了一定的成果,但是应该看到,绿色防腐技术的开发和变革的道路依旧曲折,研究任务艰巨。只有对绿色环保技术研发加大投入力度,组织科技力量以及各行业对传统的防腐技术全面认识和评价,从观念上、理论上和技术上进行创新,才能实现当今全人类共同建设绿色家园和美丽世界的梦想。