一种适用于中高碳钢制件的防锈剂及防锈方法

本发明涉及一种防锈剂及防锈方法。

背景技术：

1、中高碳钢(wt(c)%≥0.25%)因具有较高的强韧性、耐磨性及较低的生产成本，广泛用于制造齿轮、轴承、弹簧等五金制件。但是，由于钢中碳元素含量较高，导致成品的耐蚀性能往往不佳，短期内易生锈，甚至产生腐蚀开裂，极大影响制件的使用寿命和安全性，故解决锈蚀问题颇为重要。一般来说，业内通常采取两种防锈措施：

2、一是涂覆防锈油脂。这种方式大幅提高制件的耐蚀性能，显著延长使用寿命，可实现一年以上的长期封存。但缺点也较为明显：第一，油脂层长时间处于光照或有氧情况下容易老化，色泽变得灰暗，影响制件的光泽度与外观。第二，由于油脂过于粘稠，涂覆时难以精确控制，导致油脂层厚度不均，起伏较大，影响制件的整体耐蚀性能。第三，疏水的油脂层在低温下容易凝固成型且难以清除，如果制件还需进行后续加工，必然要增加额外的除油处理措施，操作甚为麻烦。第四，油脂涂覆前需要对制件表面进行清洁、除锈等多种预处理，整个工序较为繁琐耗时。

3、二是涂覆水溶性防锈剂。其具有配方简单、便于清洗、成本低廉等优点。但不足之处也很突出：第一，由于防护膜厚度极薄，正常情况下，仅能维持7~30天，故更多作为短期临时性预防措施，不适用于制件的长期存放。第二，由于防锈剂中的水本身就是一种腐蚀介质，导致制件在加工过程中极易出现闪锈。如果水中再含有氯离子、硫酸根等无机离子，将会加速腐蚀进程，尤其在湿热或高盐环境中，防护效果会大打折扣。第三，由于水分容易蒸发，导致有效组分浓度或溶液酸度发生明显改变，故使用时需要经常调节介质以维持防锈效果，工作量大为增加。此外，涂覆后随着时间的延长，水分因蒸发而慢慢减少，防锈剂中的某些成分会逐渐沉积在制件表面，可能出现白霜、盐渍等不良现象，影响制件的外观形象，增加后续处理难度。第四，水溶性防锈剂一般都含有致癌物亚硝酸盐，环保性差。

4、综上所述，针对中高碳钢制件的锈蚀问题，现有的防锈油脂和水溶性防锈剂均存在一些不足，开发新的防锈物质势在必行。

技术实现思路

1、针对现有防锈油脂与水溶性防锈剂的不足，本发明提供了一种适用于中高碳钢制件的防锈剂及其防锈方法，显著延长制件耐蚀周期，降低环境污染及使用成本。

2、为达到上述目的，采用技术方案如下：

3、一种适用于中高碳钢制件的防锈剂，其组成按照质量百分比计如下：

4、儿茶素类化合物：2%~5%；水杨酸：5.5%~9.5%；n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸：8.5%~12%；长链烷基二胺：14%~20%；脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂：1%~3.5%；丙三醇：50%~69%。

5、按上述方案，优选的组成为：儿茶素类化合物：3%~4%；水杨酸：6.5%~8.5%；n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸：9.5%~11%；长链烷基二胺：15%~19%；脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂：1.5%~3%；丙三醇：56%~62%。

6、按上述方案，所述儿茶素类化合物选自表儿茶素(ec)、表没食子儿茶素(egc)、表儿茶素没食子酸酯(ecg)及表没食子儿茶素没食子酸酯(egcg)中的一种或任意混合。

7、按上述方案，所述n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸(r-so2-n(ch2ch2cooh)2)选自n-十二烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸(c12-so2-n(ch2ch2cooh)2)、n-十四烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸(c14-so2-n(ch2ch2cooh)2)及n-十六烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸 (c16-so2-n(ch2ch2cooh)2)中的一种或任意混合。

8、按上述方案，所述长链烷基二胺(h2n-r-nh2)选自1,14-十四烷基二胺(h2n-c14-nh2)、1,16-十六烷基二胺(h2n-c16-nh2)及1,18-十八烷基二胺 (h2n-c18-nh2)中的一种或任意混合。

9、按上述方案，所述脂肪醇聚氧乙烯醚类(aeo)非离子表面活性剂选自aeo-5、aeo-7及aeo-9中的一种或任意混合。

10、本发明还提供了上述适用于中高碳钢制件的防锈剂制备方法，包括以下步骤：将所述儿茶素类化合物、水杨酸、n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸、长链烷基二胺、脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂、丙三醇在常温下混合均匀。

11、本发明的另一目的在于提供一种中高碳钢制件的防锈方法，包括以下步骤：将中高碳钢制件浸泡在上述防锈剂中进行防锈处理。

12、按上述方案，防锈处理的温度为30~40 ℃，时间20~25 min。

13、按上述方案，所述中高碳钢制件的碳元素含量≥0.25wt%。

14、本发明所述防锈剂各组分的主要作用及机理：

15、本发明之所以选择“儿茶素类化合物+水杨酸+ n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸+长链烷基二胺+脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂+丙三醇”所形成的混合体系作为中高碳钢制件的防锈剂，这是因为：

16、第一，儿茶素类化合物是一类多酚类活性物质，分子中具有较多的酚羟基，可以和制件表面残存的一些金属离子发生配位作用，形成络合物，防止它们沉积在制件表面。此外，由于酚羟基的存在，儿茶素类化合物具有较强的抗氧化性，可以有效抵抗氧气对防护膜的氧化，从而增强防护膜的稳定性和耐蚀性能。

17、第二，水杨酸是一种有机弱酸，无法对制件基体造成腐蚀，却可作为酸洗剂去除制件表面残存的微量铁锈。同时，分子中苯环上相邻的羧基与酚羟基亦可与铁离子产生络合作用，从而清洁制件表面，提高光亮度。水杨酸与儿茶素类化合物两者分子结构不同，互为补充，复配使用可以起到更好的络合作用，极大减少残存金属离子对制件表面性能的影响。

18、第三，作为缓蚀剂，n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸与铁材料的亲和性较强，分子中的羧基能够锚定制件基体，在表面快速定向吸附。同时，其所具有的长烷基链，可形成疏水性保护屏障，阻止水分子、氧分子、电解质等腐蚀物质靠近制件。此外，分子中的两个丙酸基团作为双齿配体，可与游离的铁离子形成稳定的螯合物，无需强酸即可剥离制件表面残存的微量锈层，具有一定的除锈功能，防护效果优于传统的肌氨酸或甘氨酸类缓蚀剂。再者，分子中的磺酰胺结构极性强，耐酸碱及耐硬水性能明显优于酰胺基团，所形成防护膜的稳定性大大高于经典的n-酰基肌氨酸类缓蚀剂。

19、第四，作为缓蚀剂，长链烷基二胺由于分子两端各自连接一个氨基，与铁材料亦具有高度的亲和性，能够通过单位点或双位点吸附在制件表面，而自身较长的疏水性烷基链可以阻挡水分子或氧分子接近制件。与仅具一个氮原子的烷基伯胺或烷基叔胺相比，长链烷基二胺由于具有两个独立的氨基，可配位位点更多，能够与金属离子形成稳定的螯合物，络合能力更强，因而缓蚀能力更优。特别是进行高密集的单位点吸附时，分子中另一端的自由氨基，可借助络合作用阻止其它金属离子沉积在制件表面。此外，长链烷基二胺与前述n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸复配使用，两者相互协同，成膜更加密集，膜表面针孔结构更少，疏水作用更强，水分子和氧分子的渗透率更低，其缓蚀效果优于各自单独使用。

20、第五，脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂具有良好的乳化、去污、润湿、分散及增溶性能，可以使各组分更好地溶解于溶剂中，从而使整个防锈剂形成均匀稳定的分散体系。同时，其耐酸碱性能及耐硬水性能优异，粘度低，凝胶现象少，低温洗涤性能良好，极大增强了防锈剂体系的稳定性及防护效果。此外，某种程度上，n-烷基磺酰基-β-亚氨基二丙酸可以看成是一类阴离子表面活性剂，长链烷基二胺可被视为一类阳离子表面活性剂，它们和脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂一起复配使用，分散、乳化效果更好，整个防锈剂体系更加均匀稳定。

21、第六，作为优良溶剂，丙三醇分子具有三个极性的醇羟基，能够溶解许多有机物质，提高了整个防锈剂体系的均匀性和稳定性。此外，相较于水，丙三醇沸点约290 ℃，粘度大，涂覆后不易挥发，防锈剂中的各组分含量和酸度得以长时间维持稳定，不会出现组分沉积在制件表面的现象。无需刻意进行人工调节，减轻了操作强度。并且，丙三醇易溶于水且无毒，方便后续清除，环保性高。再者，丙三醇化学性质惰性，不易氧化与分解，不易变质，对金属无腐蚀性，可燃性低，能够长期安全使用。相较于乙醇、乙二醇等普通液态有机醇，丙三醇作为溶剂，可极大增强防锈剂的稳定性、安全性以及使用寿命。

22、第七，上述防锈剂体系中所有组分皆为廉价、易得、无毒(或低毒)、稳定的普通化学物质，溶解性能好，彼此间互不干扰，整个防锈剂体系稳定性高，防锈效果可长时间维持。

23、相对于现有技术，本发明有益效果如下：

24、将中高碳钢制件采用上述防锈剂进行防锈处理，在温度25~35℃、相对湿度为45%~65%的普通环境下，180天后制件表面锈蚀面积比率不超过6%；在温度为50~60℃、相对湿度为90%~100%的高温高湿环境下，180天后锈蚀面积比率不超过10%，中高碳钢制件的耐蚀周期显著延长，完全满足其阶段性防锈的需要。