门窗五金件镀层腐蚀失效分析和解决
2022-04-07刘志昌李洋洋王义常苏捷石磊王雪林浩田雨
刘志昌，李洋洋，王义，常苏捷,*，石磊，王雪，林浩，田雨
（1.亚萨合莱国强(山东)五金科技有限公司，山东 乐陵 253600；2.山东建筑大学，山东 济南 250101；3.广润金属制品有限公司，山东 威海 264400）
造成工件镀层耐蚀性下降的原因复杂多样，企业主要以工件是否达到盐雾试验标准来判定工件的耐蚀性。本文主要针对某型号为 LZJ-2004-01的五金件产品出现的耐蚀性下降问题进行原因分析，并提出相应的解决方案。
1 失效件观察
LZJ-2004-01为门窗五金组合件，是在镀Zn-Fe合金的锌合金固定座上铆接镀Zn-Ni合金的Q235钢铆接件所得(见图1a)。该组合件在中性盐雾(NSS)试验[温度(35 ± 5) °C，pH 6.4 ~ 7.1；下同]240 h后固定座表面就出现大量白色腐蚀产物，并且伴有腐蚀坑，无法满足耐NSS腐蚀480 h以上的要求。如图1b所示，腐蚀从铆接处开始向四周扩散，其他部位的腐蚀情况较轻，可见腐蚀最先发生在铆接处。
图1 腐蚀前(a)、后(b)LZJ-2004-01工件的外观Figure 1 Appearance of LZJ-2004-01 part before (a) and after (b) being corroded
2 失效原因分析
2.1 原因定位
从现场随机抽取LZJ-2004-01的镀Zn-Fe合金固定座和镀Zn-Ni合金铆接件进行NSS试验。结果表明，在NSS试验864 h后固定座边角开始出现黑色腐蚀点(见图2a)，铆接件则是在823 h后出现腐蚀点(见图2b)。这说明固定座和铆接件都具备很好的耐盐雾腐蚀能力，可排除单独组件的镀层和镀液导致产品腐蚀失效，猜测可能是两者的组合引起腐蚀。锌合金的腐蚀电位比Q235钢低，会优先发生腐蚀，因此推测锌合金固定座与Q235钢铆接件之间的电位差引起了电偶腐蚀，导致产品失效。
图2 固定座(a)和铆合件(b)NSS试验后的腐蚀状态Figure 2 Corroded fixed base (a) and rivet part (b) after NSS test
2.2 试验验证
为验证上述推论，对锌合金材质的固定座分别进行挂镀Zn-Fe合金、挂镀Zn-Fe合金+苯并三氮唑封闭和滚镀Zn-Ni合金。如图3所示，镀Zn-Fe合金件表面存在大量孔隙。封闭后表面平整度得到改善，孔隙率约降低了60%。从图4可知，Zn-Ni合金镀层的晶粒较Zn-Fe合金镀层粗大，致密性差，这不利于镀层对工件的防护。
图3 封闭前、后镀Zn-Fe合金固定座的200倍光学显微形貌(左)和3D显微形貌(右)Figure 3 Optical micromorphologies (left) and 3D s micromorphologies (right) at a magnification of 200×for Zn-Fe alloy-coated fixed base before and after being sealed
图4 镀Zn-Ni合金固定座的200倍光学显微形貌(左)和3D显微形貌(右)Figure 4 Optical micromorphology (left) and 3D micromorphology (right) at a magnification of 200×for Zn-Ni alloy-coated fixed base
分别以暴露面积为1 cm2的上述3种试片为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为辅助电极，采用上海辰华CHI760E电化学工作站测试它们在3.5% NaCl溶液中的塔菲尔(Tafel)曲线，结果见图5，相应的拟合参数见表1。可见3种试样的腐蚀电位(φcorr)和腐蚀电流密度(jcorr)都相近，说明它们的耐蚀性相当。
图5 不同试样在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲线Figure 5 Tafel plots for different samples in 3.5% NaCl solution
表1 不同试样在3.5% NaCl溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度Table 1 Corrosion potentials and corrosion current densities of different samples in 3.5% NaCl solution
分别取封闭的挂镀 Zn-Fe合金固定座和滚镀Zn-Ni合金固定座，与镀 Zn-Ni合金的铆接件铆接后进行NSS试验。结果发现：挂镀Zn-Fe合金+封闭件经NSS试验48 h后表面出现黑色点状腐蚀物(见图6a)；滚镀Zn-Ni合金件在72 h后出现鼓泡(见图6b)，划开后发现鼓泡内有黑色腐蚀产物。可见改变镀层种类和对镀层进行封闭都不能有效减轻组合件的电偶腐蚀。
图6 挂镀Zn-Fe合金+封闭件(a)和滚镀Zn-Ni合金件(b)NSS试验后的腐蚀状态Figure 6 Parts treated by Zn-Fe alloy rack plating and sealing (a) or by Zn-Ni alloy barrel plating (b)after corrosion in NSS test
其余工艺不变，改用与锌合金固定座的电位差更小的1Cr17钢来制造铆接件，与固定件组合后进行NSS试验。结果表明，改进的组合产品在NSS试验360 h后只是表面光亮度降低，480 h后仅有少量白锈，说明电偶腐蚀的确是导致工件失效的主要原因。
3 解决措施
(1) 改用与锌合金固定座电位差较小的材料(如1Cr17钢)制作铆接件，以保证在不影响工件性能的前提下有效避免电偶腐蚀。
(2) 对固定座和铆接件电镀后用苯并三氮唑封闭，借助非金属膜层阻断两者之间的电偶腐蚀。
4 实施效果
采用上述措施后，产品在中性盐雾试验480 h后未发生明显的腐蚀，说明上述措施有效。
