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鋼鐵在進(jìn)行涂裝前通常需要進(jìn)行前處理，包括除油、除銹等工藝，化學(xué)前處理方法通常還要在鋼鐵的表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，該轉(zhuǎn)化膜既有一定的防腐能力，可以避免零件在噴涂前短暫的時間內(nèi)返銹，也可以增加零件表面的粗糙度，增強(qiáng)涂料與基底的結(jié)合力。
目前大部分采用的是磷化工藝，隨著節(jié)能減排的不斷推進(jìn)，新型無磷轉(zhuǎn)化膜（陶化膜）正在悄然取代傳統(tǒng)的磷化膜。陶化液應(yīng)該就是所謂的鋯系、鋯鈦系、硅烷系、鋯硅烷系、等無磷金屬表面處理劑，可部分替代磷化液，主要原料為氟鋯酸鹽，硅烷偶聯(lián)劑等。
這種新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在實驗室里已取得了成功，全面生產(chǎn)試驗正在進(jìn)行中。該新型轉(zhuǎn)化膜是由無定形態(tài)ZrO2組成的，而不是Zn3(PO4)2多晶體。它主要是用氧化鋯組成的納米陶瓷涂層取代傳統(tǒng)的結(jié)晶型磷化保護(hù)層，與金屬表面和隨后的油漆涂層之間有良好的附著力，耐腐蝕性能優(yōu)良。相信氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的應(yīng)用一定會給鋼鐵行業(yè)前處理工藝帶來巨大的變革。
硅烷化和陶化等無磷成膜技術(shù)的應(yīng)用，使鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)發(fā)生了重大變革。盡管這些轉(zhuǎn)化膜工藝尚未成熟，與磷化處理相比，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中還存在一些難度，但我們相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來，這些處理技術(shù)一定會逐步取代傳統(tǒng)的磷化工藝，或者出現(xiàn)更為先進(jìn)的處理工藝。
2007年以來，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在通用、沃爾沃、大眾等三家汽車公司分別進(jìn)行了附著力和耐腐蝕性能的檢測，結(jié)果基本達(dá)到了各家公司的測試指標(biāo)。新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在汽車前處理上的應(yīng)用，還需做以下方面的工作。
當(dāng)前汽車前處理行業(yè)充滿挑戰(zhàn)和競爭，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格、能源和原材料成本的日益增加，以及勞動力成本的上漲，促使原材料供應(yīng)商不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的發(fā)明，給汽車前處理行業(yè)帶來了全新的發(fā)展前景。
1.1陶化液的組成
1)硅烷處理劑
水溶液中通常以水解的形式存在：硅烷水解后通過其SiOH基團(tuán)與金屬表面的MeOH基（M表示金屬）的縮水反應(yīng)而快速吸附于金屬表面；一方面硅烷在金屬界面上形成Si-O-Me共價鍵。
Si(OR)3+H2O →Si(OH)+3ROH (1)
Si(OH)+MOH →SiOM+ H2O (2)
一般來說，共價鍵問的作用力可達(dá)70010，硅烷與金屬之間的結(jié)合是非常牢固的；另一方面，剩余的硅烷分子通過SiOH基團(tuán)之間的縮聚反應(yīng)在金屬表面形成具有Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜。該硅烷膜在烘干過程中和后道的電泳漆或噴粉通過交聯(lián)反應(yīng)結(jié)合在一起，形成牢固的化學(xué)鍵。這樣，基材、硅烷和油漆之間可以通過化學(xué)鍵形成穩(wěn)固的膜層結(jié)構(gòu)。
優(yōu)點：①不含重金屬和磷酸鹽，廢水處理簡單，可以降低廢水處理的成本，減輕環(huán)境污染。
②不需表調(diào)，也不需要亞硝酸鹽促進(jìn)劑等，藥劑用量少，可加快處理速度，提高生產(chǎn)效率，也減少了這類化學(xué)物質(zhì)的對環(huán)境污染。③可在常溫下進(jìn)行，不需加溫，減少能源消耗。④
一種處理液可同時處理鐵、鋁等材料，不需更換槽液，降低生產(chǎn)成本。
1.2 陶化機(jī)理
它是以鋯鹽為基礎(chǔ)在金屬表面生成一層納米級陶瓷膜。陶化劑不含重金屬、磷酸鹽和任
何有機(jī)揮發(fā)組分，成膜反應(yīng)過程中幾乎不產(chǎn)生沉渣，可處理鐵、鋅、鋁、鎂等多種金屬。
陶化原理：
1）酸的侵蝕使金屬表面H+濃度降低：Fe-2e—Fe2+，2H++2e—2[H]
2）納米硅促進(jìn)反應(yīng)加速：
[Si]：ZrO2+4[H]—[Zr]+2H2O
式中[Si]為納米硅，[Zr]為還原產(chǎn)物，納米硅為反應(yīng)活化體，加快了反應(yīng)速度，進(jìn)一步導(dǎo)致金屬表面H+濃度急劇下降，生成的[Zr] 成為成膜晶核。
3）鋯酸根的兩級離解：
H2ZrF6+H+—ZrF62-+2H+
由于表面的H+濃度急劇下降，導(dǎo)致鋯酸根各級離解平衡向右移動，最終為ZrF6-。
4）鋯酸鹽沉淀結(jié)晶成膜：當(dāng)表面離解出的ZrF6-，與溶解中的金屬離子Fe2+達(dá)到溶度積常數(shù)Ksp時，就會形成鋯酸鹽沉淀。
Fe2++ ZrF62-+H2O — FeZrF6+2H20
鋯酸鹽沉淀與水分子一起形成成膜物質(zhì)，以[Zr]為膜晶核不斷堆積，晶核繼續(xù)長大成為晶粒，無數(shù)個經(jīng)理堆積形成轉(zhuǎn)化膜。硅烷化處理和陶化處理都可稱之為無磷成膜處理，目前市場上還有其它方式的無磷成膜處理方法，這些新技術(shù)與硅烷化或陶化處理有很多相似之處，一般都含有微量甚至不含重金屬和磷酸鹽，不需要表調(diào)，可處理多種板材等，處理時間短，可以提高生產(chǎn)效率，在節(jié)能減排方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，無磷成膜技術(shù)必將成為未來鋼鐵表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的主要處理方式。
1.3技術(shù)優(yōu)點
1）氧化鋯轉(zhuǎn)化膜所形成的陶瓷涂層完全可以取代傳統(tǒng)的磷化膜。圖3所示的是不同轉(zhuǎn)化膜的膜厚。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜厚只有50 nm左右，與鉻化處理膜、鐵系磷化膜、鋅系磷化膜相比，它的膜厚是最薄的。低膜厚意味著膜重低，傳統(tǒng)的磷化膜重通常為2～3 g/m2，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重只有20～200 mg/m2。因供應(yīng)商提供原材料的不同，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重也有差別，但是總體來說，要比傳統(tǒng)的磷化膜重相差200倍左右。經(jīng)過全面性能檢測，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜涂層能達(dá)到傳統(tǒng)磷化膜所達(dá)到的附著力和耐腐蝕性能。
2）可在脫脂清洗或酸洗后進(jìn)行處理，耐酸堿、機(jī)械性和熱穩(wěn)定性良好。與原有涂裝工藝和涂裝設(shè)備基本相容，無需進(jìn)行大的設(shè)備改造。
3）槽液非常穩(wěn)定且容易控制，平時生產(chǎn)中只需控制好溫度和pH，不像鋅系磷化那樣，每天都要定期檢測總酸、游離酸、促進(jìn)劑以及鋅、鎳、錳的含量等許多參數(shù)，節(jié)省了大量的工藝管理費用。
4）工藝簡短、流程短、成膜速率很快，一般形成完整的膜只需30 s左右，大幅降低了水消耗、廢水處理、能源、人力等過程成本。另外也縮減了生產(chǎn)線的建設(shè)規(guī)模，大大減少了生產(chǎn)車間的建設(shè)面積，降低了投資費用。
5）最大程度減少了重金屬的排放，降低了水的消耗量，廢水、廢渣排放少，所形成的渣幾乎對環(huán)境沒有危害，不含磷酸鹽，無BOD、COD，工藝維護(hù)成本大大減少。
6）質(zhì)量穩(wěn)定，減少了90％以上的成渣量，工藝參數(shù)完全自動控制，適合處理多種板材：冷軋板、電鍍鋅板、熱鍍鋅板、鋅鐵合金板、鋁板等混線處理，可滿足高度自動化的涂裝車間的需要。
前處理技術(shù)較簡單，工藝流程如下：
預(yù)脫脂→脫脂→噴洗→浸洗→浸洗→轉(zhuǎn)化膜→噴洗→浸洗→浸洗→電泳
1.4陶化液的檢測方法
陶化點數(shù)：取2mL陶化工作液于250mL錐形瓶中，加入10mLP1緩沖液，搖勻，接著加入20mLP2緩沖劑，搖勻，再加入2~3滴HP指示劑。在電爐加熱至80~90℃，趁熱迅速用1m mol/L的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由酒紅色變?yōu)闇\黃色為滴定終點，記錄所用的標(biāo)準(zhǔn)液毫升數(shù)V，陶化液點數(shù)為5V。
陶化液的工作液的pH 值：3.8-5.4，用精密試紙測試。
三.參考配方
組分
投料量（g/L）
氟鋯酸
20~50
硅
10~15
氟鈦酸
32~35
氟化鋯
15~20
KH550
2~5
氟鈦酸鈣
6~6.5
酒石酸
5~10
硝酸鈉
5~10
月桂醇聚氧乙烯醚
3~5
水
余量
四，市面常見陶化液
納米陶化液、硅烷陶化液、硅烷鋯鹽復(fù)合陶化液、氟鋯系陶化劑、含高分子的新型陶化液
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