新型達克羅(鋅鉻/鋅鋁涂層)工藝及其在微特電機中的應(yīng)用

葉振東，杜婉婷，俞 瑜

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

達克羅最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代末，那時一到寒冷的冬天，北美、北歐的道路就被厚厚的冰雪所覆蓋，使得交通嚴重受阻，人們通過在道路上撒鹽來降低凝固點溫度的方法想以此緩解道路暢通問題，但是更嚴峻的問題接踵而至，鹽中的氯離子嚴重侵蝕了車輛的鋼鐵基體，使交通工具嚴重受損，人們對防腐提出了新的要求。美國科學(xué)家邁克·馬丁研制出了一種高分散水溶性涂料，涂料涂覆在金屬基體上，經(jīng)過循環(huán)涂覆烘烤，形成了可抵御腐蝕的涂層，該涂層被命名為“達克羅”，達克羅涂層成功地抵抗了氯離子對金屬基體的侵蝕，使金屬的防腐技術(shù)進入了新的篇章。

后來，達克羅工藝成為一項被美國軍方采納的軍事防腐技術(shù)(美軍標(biāo)MTL－C－87115)。20世紀(jì)70年代日本從美國引入了達克羅工藝并且不斷進行技術(shù)改良，從而得到了迅速的發(fā)展，一些發(fā)達國家也紛紛引進了達克羅工藝。

中國在1994年由南京宏光廠正式從日本引進了達克羅技術(shù)，最初僅用于小部分國防工業(yè)和汽車等零部件的國產(chǎn)化項目中，后來又發(fā)展到公路、鐵路、隧道、橋梁、建筑、石油化工、機械設(shè)備、家用電器、五金零件等多種行業(yè)［1］。2002年8月1日，國家質(zhì)檢總局將達克羅涂層正式命名為“鋅鉻涂層”，并頒布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)—《鋅鉻涂層技術(shù)條件》［2］，標(biāo)準(zhǔn)號為 GB/T 18684 －2002。2004 年10月20日頒布了汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車用鋅鋁鉻涂層》［3］，標(biāo)準(zhǔn)號為 QCT 721－2004。2006年9月14日頒布了機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《無鉻鋅鋁涂層技術(shù)條件》［4］，標(biāo)準(zhǔn)號為 JBT 10619 －2006。

1 達克羅的優(yōu)缺點

1.1 優(yōu)點

達克羅是一種新型的表面防腐處理工藝，與傳統(tǒng)的電鍍、化學(xué)鍍等工藝相比，它具有其它表面處理所無法比擬的優(yōu)勢和特點。

(1)超強的耐腐蝕性能:一般電鍍鋅鹽霧防銹試驗時間僅為48 h，而采用二涂二烘方式形成達克羅涂層的厚度僅為4～6 μm，經(jīng)處理的緊固件、管接件耐鹽霧試驗1 000 h以上基本未出現(xiàn)紅銹，可見達克羅工藝耐腐蝕性能較突出，其防銹效果是傳統(tǒng)電鍍鋅、熱鍍鋅或涂料涂覆法的10多倍以上。

(2)無氫脆性:達克羅工藝在處理零部件時不需要進行酸洗等步驟，其特殊處理方式?jīng)Q定了達克羅涂層不會使零件產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，所以達克羅工藝非常適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件和受力件，如高強度螺栓、彈簧等這類金屬零件的表面防護涂覆。

(3)耐候性較好:可以經(jīng)受二氧化硫、酸雨、煙塵、粉塵的侵蝕。其耐二氧化硫試驗可達三個循環(huán)周期。

(4)高耐熱性:經(jīng)達克羅工藝處理后的零件其表面涂層可以耐高溫腐蝕，涂層中的鉻酸鹽聚合物不含結(jié)晶水，耐熱溫度可以達到300℃以上。而傳統(tǒng)的電鍍鋅、熱鍍鋅等工藝，溫度達到100℃左右時鍍膜就開始發(fā)生變化，抗腐蝕性能急劇下降，溫度再上升就起皮報廢了。

(5)附著力好:達克羅涂層與其金屬基體之間有著良好的附著力，而且與其他附加涂層也有著很好的粘著性，處理后的零件易于著色，使產(chǎn)品外觀多樣性，達克羅涂層與有機涂層的附著力甚至超過了磷化膜。

(6)滲透性能優(yōu)良:傳統(tǒng)的電鍍工藝由于有靜電屏蔽效應(yīng)，很難保證對零部件中的深盲孔、狹窄細縫以及管件的內(nèi)壁等部位的電鍍質(zhì)量。由于達克羅涂液本身具有良好的滲透性，采用浸漬涂覆的工藝使達克羅涂液可以輕而易舉地進入到零部件的這些難涂部位形成達克羅涂層，起到有效的防護作用。

(7)環(huán)保性能好:眾所周知電鍍屬于有毒有害工種，會產(chǎn)生對環(huán)境有污染的廢水、廢氣，而達克羅涂液在生產(chǎn)加工及工件涂覆直至最后形成涂層的整個過程中，不會產(chǎn)生“三廢”，是一種理想環(huán)保的“綠色涂覆”工藝。

表1 達克羅性能檢測數(shù)據(jù)/結(jié)果

1.2 缺點

達克羅的優(yōu)點眾多，但也有一些不足之處:

(1)含鉻性:老達克羅涂液(主要是鋅鉻涂層)中含有鉻離子，對人體和環(huán)境都有害處，特別是其中的Cr6+離子具有致癌作用。但目前已發(fā)展出“無鉻達克羅－鋅鋁涂層”技術(shù)，不含有害物質(zhì)，非常綠色環(huán)保。

(2)能耗較大:老達克羅的工藝過程需要經(jīng)過高溫烘烤、燒結(jié)形成涂層，燒結(jié)溫度較高(300℃左右)、烘烤時間較長，所以相對能耗也比較大。近年來，有些能夠在常溫下固化的先進工藝已經(jīng)出現(xiàn)，在節(jié)能方面有很大進步。

(3)不耐磨性:由于達克羅涂層的表面硬度不高(經(jīng)試驗表明約5 h左右)，導(dǎo)致其耐磨性能差，因此達克羅涂層不適宜應(yīng)用在需要高摩擦的運動零部件上。

(4)接觸性腐蝕:銅、鎂、鎳和不銹鋼的零部件在接觸達克羅涂層的后會產(chǎn)生接觸性腐蝕，影響零部件表面的防腐性能。

(5)顏色單一:老達克羅涂層的表面顏色只有銀白色和銀灰色等幾種，但是可以通過后處理著色或附加涂層的方式獲得更多的顏色來美化零部件。

(6)導(dǎo)電性不良:經(jīng)達克羅工藝處理后的零部件導(dǎo)電性能有所下降，因此達克羅工藝不適合用于導(dǎo)電零件的表面處理，例如電器接地的螺栓和接插件等。

2 達克羅涂液的成分［5］及防腐機理［6］

達克羅涂液種類繁多，但涂液的基本組成可歸納如下:

(1)鱗片狀金屬物:由鋅、鋁等物質(zhì)組成，主要為超細鱗片狀鋅、超細鱗片狀鋁。其均勻分布于膜層中，起到陰極保護作用，是膜層的主要成分。

(2)無機酸組分:如三氧化鉻等。作用是在鋅鉻涂層的燒結(jié)過程中被轉(zhuǎn)化為Cr3+，并與鋅和鋁形成鉻酸鹽，連接、包裹片狀金屬，同時鈍化基體表面。

(3)有機還原劑:它可以促使Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+并提高膜層的結(jié)合力和表面質(zhì)量，還能防止Cr3+析出而導(dǎo)致的脫層現(xiàn)象。

(4)添加劑:主要包括增稠劑、分散劑、懸浮劑、消泡劑和增濕劑，從分子結(jié)構(gòu)上看它們都是表面活性劑。

達克羅涂液的主要組成及含量如表2所示。

表2

達克羅的成膜機理:

在達克羅涂層的烘干階段，達克羅涂料中的Cr6+少量轉(zhuǎn)化成以膠體形式存在的Cr3+，對鱗片狀的鋅起到初步黏結(jié)作用;大部分仍以Cr6+形式存在，在經(jīng)300℃左右燒結(jié)后大部分的Cr6+被還原為Cr3+生成不溶于水的無定形膠合物 nCrO3·mCr2O3，其作為膠合劑與表面數(shù)十層積層鋅片、鋁片及其氧化物相互結(jié)合形成致密牢固的保護膜。圖1為達克羅涂層的組織結(jié)構(gòu)。

圖1 達克羅涂層的組織結(jié)構(gòu)

達克羅涂層對于鋼鐵基體的保護作用可歸納為以下幾點:

(1)壁壘效應(yīng):由于鱗片狀鋅、鋁層狀重疊，阻礙了水、氧等腐蝕介質(zhì)到達基體的進程，能起一種隔離的屏蔽作用。

(2)鈍化作用:在達克羅的處理過程中，鉻酸與鋅、鋁粉和基體金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Cr6+還原成Cr3+生成致密的鈍化膜，這種鈍化膜具有很好的耐腐蝕性能。

(3)陰極保護作用:鋅鋁鉻涂層最主要的保護作用與鍍鋅層一樣，對基體進行陰極保護。

(4)鋁片抑制鋅片的析出作用。

3 達克羅工藝流程

達克羅工藝可以根據(jù)零部件的尺寸、形狀、表面質(zhì)量以及加工數(shù)量等要求來選擇適宜的表面涂覆工藝。最常用的是浸漬涂覆方法，主要用于標(biāo)準(zhǔn)件或比較小的零部件，也可采用噴涂或刷涂的方法，這種方法適用于尺寸較大的零部件。

下面簡單介紹一下采用二涂二烘浸漬涂覆法的達克羅處理工藝流程:待處理零部件→清洗脫脂→拋丸除銹去氧化皮→浸漬涂覆→瀝液甩干→預(yù)熱去濕→高溫烘烤燒結(jié)固化→降溫冷卻→出爐→浸漬涂覆→瀝液甩干→預(yù)熱去濕→高溫烘烤燒結(jié)固化→降溫冷卻→出爐→檢驗→包裝入庫→成品出廠。

達克羅的注意事項:

(1)達克羅遇光照會迅速老化，所以達克羅的涂覆過程應(yīng)該在室內(nèi)進行。

(2)達克羅烘烤溫度過低、過高都會使達克羅喪失防腐能力，達克羅應(yīng)該在合適的溫度范圍內(nèi)烘烤。

(3)達克羅的使用周期很短，所以應(yīng)該盡快用完。

(4)達克羅的耐磨性能較差，所以應(yīng)頂涂達克羅，然后再涂以耐磨性的其他涂料。

4 達克羅技術(shù)在微特電機中的應(yīng)用

(1)NdFeB永磁體在稀土永磁材料中占主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用在永磁微特電機中。但其耐蝕性差，特別是磁體存在富Nd相，極易產(chǎn)生晶間腐蝕，嚴重制約了NdFeB永磁體的進一步應(yīng)用與發(fā)展。NdFeB永磁體防腐蝕處理主要方法現(xiàn)有電鍍、化學(xué)鍍、有機涂覆等，雖取得一定效果，但仍不夠理想。達克羅技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題，其表面比較均勻、光滑且耐蝕性、鍍層結(jié)合力均明顯好于化學(xué)鍍鎳磷Ni－P與電鍍鋅鈍化，鹽霧試驗620 h后鋅鉻涂層才出現(xiàn)紅銹，高溫高壓試驗鋅鉻涂層168 h后出現(xiàn)紅銹，結(jié)合力測試鋅鉻涂層的臨界載荷約為82 N［7］，適合在較為惡劣的環(huán)境中使用。

(2)電機外殼、端蓋等重要金屬結(jié)構(gòu)零件在微特電機的使用過程中通常暴露于惡劣環(huán)境中，長期經(jīng)受日曬雨淋，必須經(jīng)過嚴格的防腐處理。達克羅涂層非常適合微特電機結(jié)構(gòu)零件的表面涂覆，經(jīng)達克羅工藝處理后的零部件不僅具有良好的耐腐蝕性、耐候性、耐熱性，而且又具有無氫脆性。一般金屬零部件在經(jīng)過酸洗和電鍍等過程后就會產(chǎn)生氫脆，長時間承受動載荷，容易發(fā)生撕裂或腐蝕疲勞，會給電機運行帶來無法預(yù)料的安全隱患。達克羅工藝的特殊性，避免了其在處理零部件的過程中出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，確保微特電機在運行過程中安全可靠。傳統(tǒng)鍍鋅工藝的鍍膜在高溫下會被破壞，抗腐蝕性能無法得到保證，而達克羅涂層在高溫下不易被破壞，防腐性能表現(xiàn)優(yōu)良，也為微特電機在高溫中使用打好了基礎(chǔ)。

(3)微特電機中的彈性零件及緊固件目前大量采用鍍鋅、滲鋅、磷化等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，在使用過程中腐蝕問題較為普遍，達克羅涂層以其高耐蝕性、無氫脆性、強滲透性等優(yōu)點解決了在大氣環(huán)境中彈性零件及緊固件的防腐問題，國外已明確建議汽車上≥10.9級的緊固件要使用達克羅涂層防腐。如再配合環(huán)氧富鋅鋁膜形成復(fù)合涂層［8］，可大幅度增強涂層的致密性和防水性能，即可長期應(yīng)用于海洋環(huán)境中。

(4)微特電機由于其用途特殊，零部件的結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜怪異，多存在深孔、小孔、薄壁管件等結(jié)構(gòu)。如采用傳統(tǒng)的電鍍處理，由于屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致的電鍍工藝局限性，會造成鍍層厚薄不均、電鍍質(zhì)量差等問題，使零部件的防腐能力下降，直接影響微特電機的性能和使用壽命。而達克羅工藝采用浸漬涂覆等處理方式，且其涂液具有良好的的滲透性，可在難涂部位形成良好的保護涂層，有些微特電機組件在裝配好后還可以進行適當(dāng)?shù)倪_克羅處理，改進其防護性能。

此外，達克羅涂層也不受各種油類、酸類、堿類等化學(xué)品的侵蝕，耐腐蝕性、耐候性、耐熱性也都很好，所以達克羅工藝十分適合應(yīng)用于微特電機內(nèi)外用零部件的防腐處理。

5 結(jié) 語

達克羅工藝在一些發(fā)達國家已基本取代了對環(huán)境污染嚴重的傳統(tǒng)電鍍鋅、熱浸鋅類工藝，使用范圍從軍用到民用在不斷擴大，盡管鋅鉻涂層技術(shù)是金屬防腐蝕家族中的一名新成員，但由于其獨特的防腐效果和利于環(huán)保的特點，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又保護了自然生態(tài)環(huán)境，深受工程界及環(huán)保部門的歡迎。但是達克羅技術(shù)還有一些地方需要完善，比如固化溫度偏高，這是達克羅工藝消耗成本最大的地方;達克羅涂層本身的硬度較低，在有些場合需提高硬度;涂層顏色需要多樣化等。近年來，一種更加新型的“無鉻達克羅－鋅鋁涂層”正在漸漸興起，相信通過我們研究和開發(fā)，達克羅工藝將會不斷完善，應(yīng)用的范圍也將更廣。

［1］ 許樂生，李衛(wèi)東.“達克羅”技術(shù)及其應(yīng)用［J］.山東機械，2004(6):39－41.

［2］ GB/T 18684－2002，鋅鉻涂層技術(shù)條件［S］.

［3］ QC/T 721－2004，汽車用鋅鋁鉻涂層［S］.

［4］ JBT 10619－2006，無鉻鋅鋁涂層技術(shù)條件［S］.

［5］ 王敏，黃鑫.達克羅涂液工藝技術(shù)研究［J］.玉溪師范學(xué)院學(xué)報，2005，21(3):19 －21.

［6］ 胡會利，李寧.達克羅的研究現(xiàn)狀［J］.電鍍與裝飾，2005，24(3):31－33.

［7］ 吳秀珍.達克羅涂層技術(shù)應(yīng)用于NdFeB永磁體表面防護的研究［J］.磁性材料及器件，2005，36(2):26 －28.

［8］ 王俊，李寧.有機履膜對熱燒結(jié)鋅鋁涂層耐腐蝕性能的影響［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報，2009，29(6):475 －480.