Фосфатирование представляет собой процесс обработки металлических изделий растворами кислых фосфорнокислых солей с образованием на поверхности защитной солевой пленки из нерастворимых фосфатов.
Фосфатная пленка выполняет свое основное назначение - защиту от коррозии только в сочетании с лакокрасочными покрытиями или масляной пленкой, что объясняется хорошими адгезионными свойствами, сама по себе она пориста.
Из-за хорошей адгезии фосфатирование широко применяют для грунтования под лакокрасочные покрытия в различных областях: машиностроительной, автомобильной, судостроительной, сельскохозяйственной и др. Иногда фосфатированию подвергают различные крепежные детали с последующим пропитыванием смазочными веществами.
Фосфатные покрытия обладают электроизоляционными свойствами, что позволяет применять их в электропромышленности и приборостроении.
Фосфатирование осуществляется методом погружения в раствор кислых солей фосфорнокислого железа и марганца, иногда цинка. Соль эта известна под названием МАЖЕФ (марганец, железо, фосфор).
Состав соли МАЖЕФ: 18-20% Mn, 0,14-0,15% Fe2+, 2,0-2,5% Fe3+, 60-70% PO3-, 1% SO4, следы Ca, 1-2% вода.
Водный раствор этой соли подвергается гидролизу
Me(Н2РО4)2↔ Ме НРО4 + Н3РО4.
При нагревании до температуры кипения гидролиз идет дальше
5Me(H2PО4)2 ↔ 2MeHPО4 + Ме3(РО4)2 + 6Н3РО4.
Как известно, при взаимодействии железа с фосфорной кислотой образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты и выделяется водород:
Fe + 2Н3РО4 → Fe (Н2РО4)2 + Н2,
Fe + Fe(H2PО4)2 → 2FeHPО4 + H2,
Fe + 2FeHPО4 → Fe3(PО4)2 + H2.
Параллельно может идти диссоциация
3Fe(H2PО4)2 ↔ Fe3(PО4)2 + 4Н3РО4.
Однозамещенные фосфаты хорошо растворимы в воде, двухзамещенные трудно растворяются, а трехзамещенные практически не растворяются. Последние два соединения и являются основой фосфатной пленки, формирующейся на поверхности обрабатываемых изделий.
Для предотвращения диссоциации однозамещенного фосфата и выпадения нерастворимого трифосфата раствор должен содержать свободную фосфорную кислоту. При погружении в раствор железо взаимодействует с фосфорной кислотой, и концентрация ее у поверхности металла уменьшается, равновесие реакции нарушается и на металле выделяется осадок двух- и трехзамещенных фосфатов. По мере роста фосфатного слоя поверхность металла изолируется от воздействия раствора, скорость фосфатирования через некоторое время уменьшается и процесс заканчивается, что заметно по прекращению выделения пузырьков водорода.
Процесс фосфатирования протекает эффективней при температуре 90-100℃. Ускорение процесса достигается при введении азотнокислых или азотистокислых солей, являющихся деполяризаторами.
Защитная способность фосфатных пленок, полученных в присутствии ускорителей, ниже, чем пленок, полученных без ускорителей. Поэтому ускоренное фосфатирование применяют для замены грунта под лакокрасочные покрытия или для получения электроизоляционных фосфатных пленок.
Холодное фосфатирование можно осуществлять путем увеличения концентрации свободной фосфорной кислоты и введения солей азотной, азотистой и плавиковой кислот.
Толщина фосфатных пленок зависит от режима и состава раствора, а также от способа подготовки поверхности обрабатываемых изделий. На полированной стали в обычных растворах образуются мелкокристаллические пленки толщиной 2-4мкм. При крупнокристаллическом строении обеспечивается более продолжительный доступ раствора к металлу и формируются пленки толщиной 10-15мкм. В растворах для холодного фосфатирования получаются пленки толщиной до 6мкм.
Размер фосфатируемых изделий меняется незначительно по той причине, что наряду с ростом пленки размеры несколько уменьшаются в результате травления в фосфорной кислоте и в кислых фосфорнокислых солях.
С лучшим эффектом фосфатируются изделия из углеродистой и малолегированной стали и чугуна. Высоколегированные стали фосфатируются с трудом, цветные металлы фосфатируются сравнительно редко.
Химическое фосфатирование углеродистой стали
В ванну загружают соль МАЖЕФ из расчета 32-35 г/л, заливают водой и, периодически помешивая, кипятят в течение 15-20 мин. Затем нагрев прекращают, определяют и корректируют кислотность раствора. Общую кислотность раствора определяют титрованием по фенолфталеину. На титрование 10 мл раствора должно пойти 28-30 мл децинормального раствора NaOH. Свободную кислотность определяют в присутствии индикатора метилоранжа. Фосфатирование производят при температуре 97-98℃. Продолжительность процесса в зависимости от состава обрабатываемого материала и способа подготовки его поверхности составляет 60-120 мин. Окончание процесса определяют по прекращению выделения пузырьков водорода, после чего изделия дополнительно выдерживают в ванне в течение 10-15 мин для кристаллизации пленки.
Расход препарата МАЖЕФ на фосфатирование 1 м2 поверхности металла составляет 120-140 г. Как было указано, в этом растворе не удается получать фосфатные пленки нужного качества при наличии в стали таких легирующих компонентов, как хром, медь, вольфрам, кремний и ванадий.
Корректирование ванны осуществляют по показаниям кислотности. При повышенной кислотности ванну разбавляют водой, при пониженной общей кислотности в ванну вводят соль МАЖЕФ.
Количество соли МАЖЕФ, которое необходимо добавить в ванну для получения общей кислотности, определяют по формуле:
А (кг) = (30 - n) * V / 1000,
где V - объем раствора в ванне, л; n - число точек фосфатирующего раствора по анализу.
После добавления в ванну соли МАЖЕФ раствор кипятят в течение 20-30 мин, а затем понижают температуру до 96-98℃ и продолжают фосфатировать. Повышенное содержание свободной кислоты уменьшают, добавляя в раствор углекислый марганец.
Отрицательно сказывается на качестве фосфатных пленок наличие в растворе 0,03 г/л свинца; 0,05% мышьяка приводят к появлению на пленке красноватых пленок. При наличии таких примесей раствор необходимо заменить.
Недоброкачественные фосфатные пленки могут быть удалены в 10-15%-м растворе соляной кислоты или в 15-20%-м горячем растворе NaOH. При повторном фосфатировании получаются более крупнокристаллические пленки с пониженной защитной способностью.
Ускоренное фосфатирование
Ускоренное фосфатирование стали в растворах цинковых солей дает пленки с лучшей защитной способностью, чем фосфатирование в растворах соли МАЖЕФ. Такой раствор содержит 35-37 г/л монофосфата цинка, 52-54 г/л азотнокислого цинка, 15-16 г/л фосфорной кислоты. Температура раствора 85-95℃, продолжительность фосфатирования 15-20 мин. В процессе работы раствор корректируют, добавляя концентрат, содержащий 470-500 г/л азотнокислого цинка, 460-480 г/л монофосфата цинка, 170-180 г/л фосфорной кислоты и воды до общего объема 1 л.
Черные фосфатные пленки с улучшенными защитными свойствами получают последовательной обработкой деталей в двух растворах. Первый раствор содержит 1 г/л кальцинированной соды, 23 г/л фосфорнокислого закисного железа, 8 г/л окиси цинка, 32 г/л ортофосфорной кислоты. Общая кислотность не менее 56 точек, свободная 8-14 точек. Температура раствора 92-97℃, продолжительность фосфатирования 10 мин. После промывки в указанном растворе и в воде детали погружают на 5 мин в 9%-й раствор калиевого хромпика при 80-95℃. Снова промывают, обрабатывают в мыльно-содовом растворе, промывают в горячей воде и погружают в ванну для второго фосфатирования. Этот раствор содержит 150 г/л азотнокислого цинка, 30 г/л соли МАЖЕФ, 3г/л углекислой соды. Общая кислотность не менее 80 точек, свободная кислотность 1,5-3,5 точек. Температура раствора 50-60℃, продолжительность обработки 10-15 мин. После второго фосфатирования детали погружают на 2-3 мин в горячий мыльно-содовый раствор, затем пленку сушат и пропитывают минеральным маслом.
Технология фосфатирования
Лучшим методом подготовки поверхности к фосфатированию является гидроабразивная обработка. Не рекомендуется обезжиривание изделий в щелочных растворах и еще в меньшей степени травление в кислотах. Не обработанная абразивами поверхность при прочих равных условиях имеет фосфатную пленку с пониженной коррозионной стойкостью. Фосфатирующие растворы рекомендуется готовить на конденсате или умягченной воде. Для повышения стойкости стальных деталей против коррозии их обрабатывают в течение 5-15 мин в 5-10%-м растворе бихромата калия или натрия при температуре 70-80℃. Повышение защитной способности дает гидрофобизация фосфатных пленок; фосфатированные детали погружают на 5-7 мин в 10%-й раствор гидрофобизирующей кремнеорганической жидкости ГКЖ-94 в бензине Б-70, после чего выдерживают их на воздухе до испарения следов бензина, а затем сушат при 110-100℃ в течение 40-50 мин. Гидрофобизированные фосфатные пленки не смачиваются водой и по стойкости против коррозии не уступают лакокрасочным покрытиям.
Как вам статья? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Если вам понадобится помощь с графическим работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели добро пожаловать сюда.