Фосфатирование стали

Фосфатирование стали

Проблема защиты поверхности металлов от коррозии актуальна с того времени, как человечество принялось изготавливать из руды нужные ему вещи. Несмотря на постоянное совершенствование технологий, обеспечить полную защиту не удается. Эффективным методом предохранения от негативного влияния атмосферы и повышения износоустойчивости считается фосфатирование металла. 

Описание и назначение технологии фосфатирования

Фосфатирование стали – обработка элементов из металлов веществами, основным компонентом которых является фосфорнокислая соль. На изделии формируется высокопрочная пленка, обладающая малой электропроводностью и препятствующая возникновению очагов коррозии. Благодаря значительному улучшению адгезионных свойств технология широко применяется также как подготовительный этап для металлических элементов перед покраской. Фосфатирование практикуется для низколегированных и углеродистых сталей, чугуна, алюминия, цинка, кадмия, сплавов на основе меди. На элементах из высоколегированных марок формируется слой защиты невысокого качества.

Свойства и преимущества фосфатного покрытия

Подвергнутые фосфатированию детали из металла могут эксплуатироваться под влиянием различных факторов: высокой влажности; синтетических масел и лакокрасочных покрытий; органических химически активных веществ; напряжения до 1000 В. Благодаря фосфатированию значительно повышается износоустойчивость поверхностей, находящихся в постоянном взаимодействии в узлах трения. Формирующийся на поверхности стали, меди, алюминия и иных металлов слой создает надежную защиту в вышеперечисленных условиях, но не может сопротивляться щелочам и кислотам, водяному пару. Потому следует заранее выявить особенности применения изделия из металла, подвергаемого фосфатированию.

Суть процесса

Принцип процесса фосфатирования заключен в формировании на поверхности слоя труднорастворимых фосфатов металла – материала изготовления подлежащей обработке детали. При реакции образуется три типа солей: однозамещенные фосфаты; дигидрофосфаты; фосфаты. При фосфатировании происходит образование фосфатов и разжижение металла. Однозамещенные соли возникают в процессе первоначального контакта кислоты и металла. При последующих соприкосновениях появляются двух- и трехзамещенные соли. К главным элементам слоя относятся малорастворимые фосфаты, параметры которых устанавливаются свободной и основной кислотностью примененного вещества, происхождением катионов, количеством монофосфатов в объеме слоя. Для форсирования процесса формирования пленки в рабочую жидкость рекомендуется включать окисляющие ионы (ClO₃, NO₂, NO₃).

Виды фосфатирования

Фосфатирование выполняется следующими способами: погружением элементов в емкость, заполненную активной жидкостью; рассеиванием в камере; нанесением фосфатирующей грунтовки.

Специализированная линия фосфатирования повышает производительность труда при обработке элементов из металла в серийном изготовлении.

Холодное (низкотемпературное). Технология подразумевает обработку поверхности при 20–40 °C.

Холодное фосфатирование выполняется по одному из следующих способов: Резервуар наполняется жидкостью, в которую в соответствии с объемом загружается требуемое количество соли «Мажеф». Заранее вскипяченный и отстоянный фтористый натрий и нитрат цинка добавляются в жидкость. Для увеличения уровня кислоты дополнительно на каждую точку следует внести 1,5 г «Мажефа» и по 2–3 г нитрата цинка и фтористого натрия. Раствор основан на концентрате, состоящем из 80 г монофосфата цинка, 750 г нитрата цинка, 160 г кислоты фосфорной, 40 г соды и 1 л воды. Для приготовления 100 л фосфатирующей жидкости на 85 л воды вливается 12 л натра едкого, затем вновь добавляется 3 л воды и 40 г натрия нитрита. Показатель кислотности при фосфатировании регулируется с помощью едкого натра. Нормальное «Мажеф» также применим и для фосфатирования металла нормальным способом. Оптимального результата удается достичь при 97–98 °C с применением жидкости, содержащей 30–35 г/л соли. При более высокой температуре наблюдается повышенное шламообразование, под меньшей – кристаллизация покрытия. Продолжительность процесса определяется от начала отделения водорода плюс 5–10 минут. Суммарная кислотность жидкости принимается порядка 30 точек, свободная – 3–4 точки. Точка является единицей измерения кислотности. Одна единица устанавливает количество в мл 0,2 н. щелочного раствора, приходящегося на титрование 10 мл жидкого фосфата. При превышении свободной кислотностью принятой величины параметры фосфатного слоя ухудшатся, продолжительность формирования защиты металла увеличится, пленка получится слишком малой толщины. Для формирования утолщенного фосфатного слоя с тонкокристаллическим строением и улучшенными защитными параметрами нужно увеличить удельную долю «Мажефа» до 100–120 г/л. Вместе с этим следует снизить нагрев рабочей жидкости до 80–85 °C.

Для фосфатирования высоколегированных изделий препарат «Мажеф» добавляется в объеме 30–32 г/л. Выдержка в фосфатирующем растворе выполняется на протяжении 45–60 минут при 100 °C.

Ускоренное (электроизоляционное) Отличие данного метода фосфатирования – необходимость в подготовке металла.

Для фосфатирования листовых деталей из кремнистых и электротехнических сталей следует заранее убрать оксид кремния, появляющегося на поверхности при изготовлении. Для этого детали располагают в установке вертикально с малыми зазорами, требующимися для промывания удаленного вещества. После изделия подвергаются обезжириванию под воздействием щелочи, промываются и передаются на травление в соляной кислоте. Далее элементы обрабатываются проточной водой, пассивируются опусканием в жидкость с кальцинированной содой, вновь промываются и поставляются в емкость. Фосфатирование поверхности металла проводится на протяжении 30–40 минут в нагретом растворе с «Мажефом» объемом 30 г/л. По завершении процесса изделия промываются струей воды, пассивируются в нагретом 5–10%-м растворе дихромата калия, обдаются горячей водой и просушиваются. Образованный после фосфатирования на поверхности металла слой серого цвета глубиной 15–20 мкм имеет тонкокристаллическое строение.

Электрохимическое фосфатирование поверхности металла по данной методике выполняется с использованием веществ, применяемых для предыдущего метода, но под воздействием электротока. Детали располагаются на применяющихся в качестве катодов шлангах, анодами являются стальные либо цинковые пластинки. Подается ток 0,3–3,0 А/дм². Процедура занимает 5–20 минут. Сформированная таким способом пленка может служить как предварительный слой для будущей покраски.

Химическое фосфатирование имеет серьезный недостаток – небольшую разделяющую способность электролита, из-за чего пленка на металл укладывается прерывисто.

Основные способы обработки Препаратом «Мажеф» Обработка солью «Мажеф» – разновидность химического фосфатирования. Деталь опускается в емкость с подготовленным фосфатирующим веществом. «Мажеф» используется для элементов и конструкций в качестве антикоррозионной грунтовки перед последующей окраской.

«Мажеф» – это гранулы зеленого цвета, по форме похожие на соль. Вещество состоит из фосфора, железа и марганца. Количество препарата «Мажеф» – 50–70 г/л воды. Металл опускается в приготовленный для фосфатирования состав, подогревающийся и постепенно доводящийся до кипения с постоянным перемешиванием. Емкость кипятится 15–20 минут, такого срока хватает для формирования на металле пленки толщиной 5–10 мкм. Следует приготовить состав с небольшим запасом, так как при кипении некоторая его часть испаряется. Фосфорной кислотой Кислота используется для фосфатирования металла холодным способом. Оптимальная температура рабочей жидкости для достижения максимальной стабильности процесса – 18–25 °C. Качество и прочностные параметры пленки зависят от четкого соблюдения пропорций используемых ингредиентов: кислота фосфорная – 40 г/л; нитрат цинка – 200 г/л; натрия сульфат – 8 г/л; цинка оксид – 15 г/л. В полученном растворе элемент либо конструкция из металла проходит струйную обработку на протяжении получаса. Такая технология оптимально подходит для крупногабаритных изделий. По сравнению с применением ванн продолжительность процесса снижается, уменьшается расход применяющихся веществ.

Метод с монофосфатами цинка Технология с цинком предназначена для изделий, применяющихся в машиностроительной отрасли и в электротехнике. Деталь погружается в жидкость такого состава: цинка монофосфат – 20 г/л; натрия нитрат – 35 г/л. Металл фосфатируется в ванне при реакции с раствором, прогретым до 60 °C, на протяжении 20 минут.

Обработка фосфатирующими пастами Для производства работ по такой методике используются специализированные фосфатирующие составы. В дальнейшем деталь подвергается покраске. Преимущество способа заключается в следующем: процедура выполняется без нагрева; грунт наносится на металл обыкновенной кистью; для работы не требуется емкость. В составе грунтовки имеются металлический пигмент и растворяющее вещество на базе ортофосфорной кислоты, а в составе лакокрасочных материалов – цинк. При реакции с кислотой цинк окисляется, формируя прочную пленку. Фосфатирующие грунтовки и пасты широко применяются для любых деталей независимо от размеров. Поверхность необходимо пассировать для повышения адгезии.

Видеофрагмент https://www.youtube.com/watch?v=fuE92Qp1ELw