Фосфатирование что такое. Что такое фосфатирование: основные понятия

Фосфатирование

Фосфатирование используют для дополнительной защиты от коррозии, улучшения твердости, износостойкости, повышения электроизоляционных свойств основного покрытия на черных и цветных металлах. Суть процесса фосфатирования состоит в создании на поверхности защищаемого изделия слоя малорастворимых фосфатов железа, цинка или марганца.

Фосфатированию подвергаются: чугун, низколегированные, углеродистые стали, кадмий, цинк, медь, сплавы меди, алюминий.

Фосфатированию плохо поддаются высоколегированные стали.

Изделия, подвергшиеся фосфатированию, эксплуатируются даже в тропиках. Фосфатная пленка не боится органических масел, смазочных, горячих материалов, толуола, бензола, всех газов, кроме сероводорода.

Под воздействием щелочей, кислот, пресной, морской воды, аммиака, водяного пара покрытие довольно быстро разрушается. Непродолжительный срок службы покрытия также связан с его низкой эластичностью и прочностью.

Процесс фосфатирования нашел широкое применение в автомобильной промышленности. Фосфатная пленка – наилучший грунт. Стальной корпус автомобиля перед покраской подвергают фосфатированию, а далее окрашивают эмалями.

Фосфатное покрытие

Толщина и структура фосфатного покрытия

Толщина фосфатного слоя составляет от 2 – 8 до 40 – 50 мкм (зависит от режима фосфатирования, подготовки поверхности, состава раствора для фосфатирования). Толщина покрытия связана с его структурой. Мелкокристаллические защитные слои имеют меньшую толщину (1 – 5 мкм) и обладают более выраженной защитной способностью. В связи с этим их намного чаще используют. Получают такие покрытия из цинкфосфатных растворов, которые содержат ускорители (окисляющие элементы). Мелкокристаллические слои не используются в качестве самостоятельных защитных. После получения такого слоя поверхность подвергают дополнительной обработке лакокрасочными материалами.

Крупнокристаллические фосфатные слои более толстые, получают их из марганцевофосфатных растворов. После промасливания могут служить самостоятельными покрытиями.

Кристаллы фосфатов имеют пластинчатую структуру, благодаря чему пленка отлично впитывает различные пропитки, лаки, удерживая их в себе.

Фосфатное покрытие состоит из двух слоев. Первый, плотно прилегающий к поверхности слой, плотно связан с металлом, незначительной толщины, имеет пористую структуру, а также гладкий и достаточно эластичный. Он состоит, в большей части, с монофосфатов железа. Второй слой (наружный) – состоит из монофосфатов марганца, вторичных и третичных фосфатов. Он более хрупкий, кристаллический. Характеристиками именно наружного слоя обуславливается ценность фосфатных пленок.

Цвет фосфатного покрытия

Цвет фосфатного покрытия колеблется от светло-серого до темно серого (почти черного). Светло-серые фосфатные пленки образуются на цветных металлах и малоуглеродистых сталях. Предварительно подвергшихся пескоструйной обработке поверхностях, в растворах повышенной кислотности.

Если чугунное (либо из высоколегированной стали) изделие предварительно подвергалось травлению, и концентрация ортофосфорной кислоты больше обычного – фосфатный слой получается более темного оттенка. Фосфатное покрытие зеленоватого оттенка образуется на поверхности стали, содержащей никель и хром.

Свойства фосфатного покрытия

Полученное фосфатное покрытие может использоваться как самостоятельное защитное, но в большинстве случаев его используют как основу под лакокрасочное, смазочное, либо перед пассивированием. То, что его очень редко используют, как самостоятельное, можно объяснить тем, что оно легко разрушается под воздействием кислот и щелочей.

Фосфатное покрытие не подвергается воздействию кислорода воздуха, смазок, масел, керосина, не смачивается расплавленными металлами. Фосфатный слой может выдержать непродолжительное влияние температуры около 500 °С. Наибольшая минусовая температура, при которой не разрушается покрытие -75 °С. При длительной выдержке фосфатный слой теряет свои защитные свойства и постепенно разрушается.

Фосфатное покрытие отличается высоким электросопротивлением, может выдержать напряжение до 500 В. Чтоб повысить пробивное напряжение готового фосфатного покрытия (до 1000 В) – его дополнительно пропитывают бакелитовыми либо масляными лаками. Фосфатное покрытие по твердости мягче стали, но более твердое, чем латунь или медь.

При щелочном оксидировании стали полученный защитный слой имеет меньшую защитную способность, чем обычные фосфатные слои.

Подготовка поверхности перед операцией фосфатирования играет важную роль, т.к. от ее способа и качества во многом зависят свойства полученного покрытия, а именно – структура, адгезионная способность, толщина, цвет фосфатной пленки.

При фосфатировании заранее протравленной поверхности (с использованием HCl, H₂SO₄, H₃PO₄) образуются крупнокристаллические, рыхлые фосфатные слои, толщиной до 40 – 50 мкм. Они обладают достаточно низкими защитными свойствами, поэтому для улучшения качества пленки деталь промывают в 3 – 5 % растворе кальцинированной соды, а далее в воде и затем только фосфатируют. Или же в 1 – 2 % растворе хозяйственного мыла и 5 – 8 % растворе кальцинированной соды при температуре 55 – 60 °С.

Мелкокристаллические, тонкие (толщиной от 5 до 10 мкм) пленки образуются на поверхностях, обработанных пескоструйным методом с последующим обезжириваниям (с использованием органических растворителей или же химическим способом), также механически обработанные кругом, и т.п. Такие фосфатные пленки отличаются хорошей адгезией к поверхности и высокими защитными свойствами.

Суть процесса фосфатирования

Фосфорная кислота (H₃PO₄) образует три вида солей (именно на свойствах солей фосфорной кислоты и основан метод защиты): дигидрофосфаты, моногидрофосфаты, фосфаты.

Дигидрофосфаты Me(H₂PO₄)₂ – однозамещенные соли, где Me – двухвалентный металл. Образуются сразу при первичном контакте металла с фосфорной кислотой. Взаимодействие описывается реакцией:

При дальнейшем взаимодействии кислоты с металлом (концентрация кислоты уменьшается) образуются двухзамещенные (моногидрофосфаты MeHPO₄) и трехзамещенные (фосфаты Me₃(PO₄)₂) соли.

Реакции образования вторичных и третичных солей:

Me(H₂PO₄)₂ ↔ MeHPO₄ + H₃PO₄ – продуктами реакции являются двухзамещенная соль и свободная ортофосфорная кислота;

Труднорастворимые фосфаты железа – основная составляющая часть фосфатных покрытий. Их качество определяется свободной и основной кислотностью раствора, природой катионов металла, концентрацией монофосфатов.

При введении в раствор для фосфатирования окислительных анионов (например, ClO₃, NO₂, NO₃) процесс формирования защитной пленки значительно ускоряется.

При фосфатировании на поверхности металла наблюдается два основных процесса – осаждение фосфатов и растворение основного металла.

Фосфатирование черных металлов

Сегодня самое широкое применение получил препарат для фосфатирования Мажеф. Выпускается в виде серой массы, расфасованной по бочкам или ящикам. Отличается характерным кисловатым запахом. Название препарата произошло от первых букв его составных частей: марганец, железо, фосфорная кислота.

Фосфатная пленка при использовании данного препарата обладает хорошими защитными свойствами.

Процесс получения фосфатной пленки с использованием данного препарата имеет свои недостатки: высокие температуры, узкий рабочий интервал температур, длительность операции, наводораживание стали (из-за сильного выделения водорода). Чтоб снизить наводораживание уменьшают длительность процесса.

Фосфатирование может быть электрохимическим и химическим.

Химическое фосфатирование черных металлов, в свою очередь, подразделяется на холодное, нормальное и ускоренное.

Холодное фосфатирование

Холодное фосфатирование проводится без подогрева рабочих растворов. Фосфатное покрытие получается довольно тонким и используется в качестве основы под покраску. В основу растворов для холодного фосфатирования входят препарат Мажеф и однозамещенный фосфат цинка (Zn(H₂PO₄)₂). NaNO₂ и NaF играют роль активаторов процесса.

Составы для холодного фосфатирования:

Состав №1: 25 – 30 г/л пр. Мажеф, 35 – 40 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 5 – 10 г/л NaF, длительность обработки 40 минут;

Состав №2: 60 – 70 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 80 – 100 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 0,3 – 1.0 г/л NaNO₂, продолжительность обработки 15 – 25 мин.;

Состав №3: 100 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 6 г/л NaF, 2 г/л NaNO₂, длительность обработки 30 – 40 минут;

Состав №4: 18 – 21 г/л ZnO, 80 – 85 г/л H₃PO₄, 1 – 2 г/л NaNO₂, продолжительность обработки 15 – 20 минут.

Если температуру раствора увеличить – можно получить мелкокристаллическое покрытие.

Растворы для холодного фосфатирования довольно быстро гидролизуются (при контакте составных веществ с водой разлагаются основные молекулы и образуются новые соединения), увеличивается свободная кислотность раствора. Это отрицательно сказывается на качестве фосфатного покрытия, т.к. слой получается пористый и с низкими защитными характеристиками. Поэтому холодное фосфатирование используется довольно редко.

Нормальное фосфатирование

Препарат Мажеф, используемый также и при нормальном фосфатировании, имеет химический состав: 2,4 – 2,5 % Fe, 14 % Mn, 46 – 52 % фосфатов, 1 % SO₄ 2- , самую малость ионов хлора и CaO, 1 – 2 % H₂O.

Однозамещенные соли ортофосфорной кислоты, марганца, железа (MnHPO₄, Fe(H₂PO₄)₂, Mn(H₂PO₄)₂) и являются основой препарата.

Наилучший результат фосфатирования дает раствор, содержащий 30 – 33 г/л препарата Мажеф. Температура – 97 – 98 °С. Если вести процесс при более высоких температурах – образуется много шлама, а при более низких – покрытие имеет кристаллическую структуру.

Длительность процесса нормального фосфатирования: время выделения водорода + выдержка около 5 – 10 минут. Кислотность раствора (общая) должна составлять около 30 точек, свободная 3 – 4 точки. (Точка – мера общей и свободной кислотности раствора. Одна точка показывает количество мм 0,2 н. раствора щелочи, израсходованного на процесс титрования 10 мл фосфатного раствора).

Если свободная кислотность превышает указанное значение – ухудшаются свойства фосфатного слоя, а сам процесс затягивается по времени. При уменьшении – полученные пленки слишком тонкие и незащитные.

При повышении концентрации препарата Мажеф до 100 – 200 г/л получают более толстые фосфатные слои с повышенными защитными свойствами и мелкокристаллической структуры. С повышением концентрации немного уменьшают температуру рабочего р-ра (до 80 – 85 °С).

При фосфатировании высоколегированных сталей количество препарата Мажеф составляет около 30 – 32 г/л. Дополнительно вводят 10 – 12 % BaCl₂ для улучшения качества фосфатного слоя. Изделие выдерживают в рабочем растворе 45 – 60 минут при температуре около 100 °С.

Ускоренное фосфатирование

Ускоренное фосфатирование получило довольно широкое промышленное применение, т.к. процесс ведется быстрее, чем при нормальном, и имеет свои преимущества.

Длительность процесса ускоренного фосфатирования (с использованием препарата Мажеф) составляет 8 – 15 минут. Рабочий раствор подогревают до температуры 45 – 65 °С (или же 92 – 96 °С, если использовать электролит №2). Дополнительно вводят окислители (NaF, Zn(NO₃)₂ и др.), благодаря которым ускоряется процесс фосфатирования, выделяется намного меньше водорода и окисляется Fe 2+ до Fe 3+ .

Растворы для ускоренного фосфатирования с применением препарата Мажеф:

Раствор №1: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 65 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 2 – 5 г/л NaF;

Раствор №2: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 70 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 4 – 5 г/л NaNO₃, 0,1 – 1,0 г/л H₃PO₄.

После ускоренного фосфатирования изделия обрабатывают раствором бихромата калия, а далее – сушат.

Пленки, полученные при ускоренном фосфатировании, небольшой толщины и не отличаются высокими защитными свойствами, поэтому их используют как основу (грунт) для лакокрасочных покрытий.

Ускоренное фосфатирование может проводится и с использованием других растворов, например, цинкофосфатных (основа – первичный фосфат цинка).

Составы для ускоренного фосфатирования с применением цинкофосфатных растворов:

Состав №1: 8 – 12 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 10 – 20 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 30 – 40 г/л Ba(NO₃)₂, температура 75 – 85 °С, продолжительность 3 – 10 минут;

Состав №2: 28 – 36 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 42 – 58 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 9,5 – 15,0 г/л H₃PO₄, температура 85 – 95 °С, продолжительность 10 – 25 минут.

Покрытия, полученные в вышеописанных электролитах, состоят с Zn₃(PO₄)₂•4H₂O и Zn₂Fe(PO₄)₂•4H₂O. Большая часть фосфатов образуется на поверхности в первые минуты процесса, когда скорость нарастания фосфатов превышает скорость их растворения. При одинаковых значениях этих скоростей рост фосфатной пленки прекращается.

Ускоренное фосфатирование можно проводить как погружением в ванну с раствором, так и распылением состава на поверхность.

Для струйного ускоренного фосфатирования часто используют раствор на основе препарата Мажеф следующего состава: 30 – 60 г/л пр. Мажеф, 50 – 70 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 2 – 4 г/л NaNO₂. Температура раствора – 15 – 25 °С, рН 2,6 – 3,2.

Широко используются концентраты для фосфатирования стали (на основе первичных фосфатов), такие, как КФЭ-1, КФЭ-2, КФ-1, КФ-3.

Чтоб улучшить структуру покрытия в основной р-вор вводят оксалаты цинка (до 0,1 г/л). При фосфатировании в таком растворе с поверхности изделия удаляется ржавчина.

Частным случаем химического – является черное фосфатирование. Используется в оптическом приборостроении. Фосфатная пленка черного цвета более привлекательна на вид и более коррозионноустойчива, чем полученные другими способами. Процесс черного фосфатирования состоит с двух частей. Сначала, предварительным фосфатированием, получают черную пленку. Далее, при фосфатном пассивировании, заполняются поры начального слоя.

Электрохимическое фосфатирование

Электрохимическое фосфатирование проводят в растворах схожего состава, но с использованием постоянного либо переменного тока. Это позволяет повысить производительность процесса.

Детали развешивают на катодных штангах, анодами служат пластины (цинк или углеродистая сталь, зависит от состава электролита). Плотность тока – от 0,3 до 3 А/дм 2 . Продолжительность процесса – от 5 до 20 мин.

Полученные пленки используются в качестве подслоя для лакокрасочного покрытия.

Недостаток электрохимического фосфатирования – низкая рассеивающая способность электролита. Вследствии, на деталях сложной формы фосфатное покрытие ложится неравномерно.

Фосфатирование цветных металлов

Фосфатированию часто подвергают многие цветные металлы. Чаще всего это цинк, магний, алюминий, кадмий, никель, титан.

Фосфатирование титана проводят для повышения его износостойкости, антифрикционных свойств. Процесс ведется при температуре 98 – 99 °С около 10 – 30 минут. Применяемый состав: 10 – 100 г/л ортофосфорной кислоты и такое же количество фторидов (NaF, NH₄F или KF).

Магний фосфатируют в р-рах однозамещенных фосфатов для защиты от коррозии. Фосфатирование магния (как и алюминия) применяют реже, чем его оксидирование.

Для кадмия, алюминия, цинка и большинства цветных металлов фосфатная пленка используется в качестве основы перед нанесением лакокрасочного покрытия.

Алюминий фосфатируют в растворах ортофосфорной кислоты с содержанием CrO₃ и NaF или HF. Пленки имеют голубовато-зеленый цвет, поэтому процесс получил название «голубое фосфатирование». Получившийся фосфатный слой тонкий (около 3 мкм), гладкий, аморфный, не отличается высокими защитными свойствами (имеет низкие прочностные характеристики). Состав покрытия таков: около 50 – 55% CrPO₄, 17 – 23% AlPO₄, 22 – 23% воды. После промывки в холодной воде и сушки при температуре ниже 60 °С фосфатная пленка становится более прочной, может выдержать температуру до 300 °С. Если готовое фосфатное покрытие на протяжении 10 минут обрабатывать в 10 % растворе K₂Cr₂O₇ (при температуре 75 – 80 °С) – его коррозионная стойкость значительно увеличится.

Для фосфатирования кадмия, цинка применяют универсальный цинк-фосфатный раствор. Для получения фосфатной пленки на цинке можно использовать раствор на основе композиции Ликонда Ф1А, обработка ведется при температуре 19 – 40 °С на протяжении 5 – 10 минут. В итоге – на поверхности цинка образуется мелкокристаллическая серо-дымчатая фосфатная пленка с высокими защитными свойствами (лучше, чем при хроматировании).

Никель (его сплавы) фосфатируют только матовый, на блестящем покрытие почти не осаждается. Рекомендованный состав раствора: 15 г/л H₃PO₄, 13 г/л NaF, 200 г/л Zn(NO₃)₂. Длительность обработки – 35 – 45 минут при температуре 25 – 35 °С. рН раствора около 2,0.

Улучшение защитных свойств фосфатных пленок

Фосфатные пленки не обладают достаточными защитными свойствами из-за своей пористой структуры, поэтому после получения их еще дополнительно обрабатывают. Для этого применяют пассивирующие растворы K₂Cr₂O₇ (калия дихромат) либо Na₂Cr₂O₇ (натрия дихромат). Процесс ведется при температуре 70 – 80 °С. Пассивирование фосфатных пленок возможно в двух составах: 80 – 100 г/л хромата и 3 – 5 г/л. Для первого раствора время выдержки составляет 10 – 20 минут, и дополнительная промывка до сушки. Для второго – 1 – 3 минуты, после фосфатирования изделие сушат без предварительной промывки.
После проведения операции пассивирования готовые изделия пропитывают минеральным маслом (горячим), а далее гидрофобизируют (3 – 5 мин). Для гидрофобизации применяют 10 % раствор в бензине кремнийорганической жидкости ГФЖ-94.
Если деталь предназначена для холодной деформации – ее промывают и обрабатывают около 3 – 5 минут при 60 – 70 °С в мыльном растворе (70 – 100 г/л хозяйственного мыла).

Технология и способы фосфатирования металла

Фосфатирование металла как эффективный метод защиты. Способы и процесс выполнения. Свойства и преимущества фосфатированных поверхностей. Выполнение своими руками в домашних условиях.

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.

Фосфатирование в домашних условиях

Получение фосфатного покрытия металла в домашних условиях несколько отличается от применяемой в промышленности технологии: проведение полноценной химобработки в быту невозможно. Применяется, в основном, обработка по электрохимическому методу.

Для формирования защитного слоя требуется применение электротока. В качестве электролитических жидкостей применяются разбавленные «Мажеф» либо фосфорная кислота. Элемент, подлежащий обработке, ставится на погруженный в емкость электрод. На стержни из цинка, использующиеся в роли анода, также подается ток напряжением 25 В. Вся процедура занимает порядка получаса.

Такой способ подходит для изделий с прямолинейными очертаниями; объемные элементы сложной геометрической формы подвергаются обработке хуже: пленка на них укладывается неровно, что снижает ее характеристики.

Приготовление реагентов

Для фосфатирования металла собственными силами применяется жидкий реагент. В состав раствора включены «Мажеф» и нитрат цинка. После закипания жидкости элемент из металла опускается в нее для фосфатирования на 15 минут.

Способы проверки качества пленки

Контроль качества образованного в результате фосфатирования покрытия осуществляется по нескольким параметрам.

Цвет слоя – от серого до черного, светло- либо темно-серый (для оцинкованных изделий).

Не относятся к браку:

неоднородность кристаллов;
наличие белесого налета, легко стираемого;
присутствие шлама;
разводы, натеки и пятна.

Не допускается наличия крупных шламовых отложений, необработанных пятен либо полосок, царапин металла, коррозированных участков.

Удельный вес покрытия, приходящийся на площадь, должен составлять 3–8 г/м².
Строение. Фосфатный слой, на который в дальнейшем предполагается нанесения лакокрасочного покрытия, должен иметь тонкокристаллическое строение.
Защитные параметры.

Испытания проводятся по ГОСТ 9.302-88. Обработанный металл после проверки должен сохранять свой цвет, на пленке не должны присутствовать коррозированные участки, кроме острых кромок и точек соединения неразъемных конструкций.

Маслоемкость покрытия должна быть более 2 г/м².
Тщательность промывки. Удельная токопроводимость жидкости после промывания металла должна быть менее ее первоначального значения, увеличенного в три раза.

А вы сталкивались когда-нибудь с фосфатированием изделий из металла? Может быть, вы занимались этим дома самостоятельно? Поделитесь, пожалуйста, своим опытом в комментариях.

Лакокрасочные материалы

По статистике, ни одно строительное мероприятие не обходится без применения металла как одного из самых распространенных и надежных материалов. Повсеместная востребованность металла способствует расширению границ его использования, и сегодня это не только востребованный строительный материал, но и неотъемлемое звено инновационных технологий в сфере приборостроения, машиностроения и робототехники. Но, будучи одним из самых надежных материалов, металл нуждается в дополнительной обработке, которая защитит его от коррозии, тем самым продлив его эксплуатационный срок. Благодаря бурному развитию химической промышленности, современный строительный рынок предлагает широкий выбор материалов, надежно защищающих металл от коррозии. После нанесения на металлическую поверхность они образуют тонкую защитную пленку, которая предотвращает окисление металла. Они эффективно сочетаются с другими лакокрасочными материалами, а некоторые из них используются непосредственно перед их нанесением. Наиболее востребованным защитным составом, относящимся к данной группе веществ, является фосфатирующая грунтовка по металлу, характеристики и техника использования которой будут рассмотрены в настоящей статье.

Содержание

Что такое фосфатирование: основные понятия

Чтобы лучше разобраться в вопросах нанесения грунтовки своими руками, понять принцип и механизм ее защитного действия, а также эксплуатационные характеристики материала, которые он приобретает после грунтования, необходимо поближе познакомиться с химическими реакциями, лежащими в основе данного процесса, и терминологией, позволяющей «понять его изнутри».

Итак, прежде чем перейти к практике, познакомимся с теоретическими основами и рассмотрим процесс с точки зрения химии.

Фосфатирование – химический процесс, состоящий из последовательных реакций, которые лежат в основе подготовки основания под лакокрасочное покрытие. Благодаря такой обработке не только увеличится прочность металла, но и повысится качество лакокрасочного покрытия, что позволит скрыть имеющиеся дефекты поверхности. В основе фосфатирования лежит целый комплекс профилактических мер, проводимых в рамках формирования защитного покрытия, которое образуется за счет образования прочной антикоррозийной пленки. Она представляет собой химическое соединение повышенной прочности со всеми металлическими поверхностями.

Фосфатирование является технически сложным процессом, который в домашних условиях практически неосуществим. В связи с этим, при необходимости защиты металлических поверхностей от коррозии, будь то грунтовка пола руками домашнего мастера или других изделий из металла, осуществляют их грунтование с использованием фосфатирующей грунтовки.

Фосфатирующая грунтовка: характеристика материала и сфера применения

Грунтовка по металлу – специализированный состав, предназначенный для выравнивания и защиты металлических поверхностей от коррозии. После ее нанесения на обрабатываемой поверхности образуется тонкая защитная пленка, характеризующаяся устойчивостью к влаге и температурным перепадам. Одной из разновидностей грунтовок по металлу является фосфатирующие грунтовки. Они представляют собой двухкомпонентные составы, состоящие из основы или, так называемого, полуфабриката и кислотного разбавителя.

Основа фосфатирующей грунтовки представлена суспензией пигментов и наполнителей (чаще всего это тетраоксихромат и триоксихромат цинка) в растворе поливинилбутираля и идитольной смолы или без нее, кислотный растворитель – спиртовым раствором ортофосфорной кислоты. После нанесения на металлическую поверхность фосфатирующие грунтовки активно вступают в химическую реакцию с металлом и, образуя слой нерастворимых фосфатов, обеспечивают прочное сцепление с обработанной поверхностью и способствуют торможению подпленочной коррозии. Благодаря указанному свойству, двухкомпонентная фосфатирующая грунтовка используется для защиты поверхностей из магния, сплавов алюминия, меди, а также углеродистой и нержавеющей стали, оцинкованных и кадмированных материалов.

Отечественная промышленность выпускает фосфатирующие грунтовки двух видов:

фосфатирующая грунтовка ВЛ-02, изготовленная на основе поливинилбутираля;
фосфатирующая грунтовка ВЛ-023, изготовленная на основе поливинилбутираля и идитольной смолы, повышающей стабильность грунтовочного состава.

Кислотный разбавитель, в свою очередь, может изготавливаться на основе этилового, бутилового или изопропилового спиртов.

Важно! Недостатком фосфатирующей грунтовки является низкая совместимость с покрывными эмалями, в связи с чем, практикуется нанесение на слой фосфатирующей грунтовки дополнительного слоя грунтовки, совместимой со всеми видами покрывных эмалей. Чаще всего используется грунтовка марки АК-070. Полученная грунтовочная система характеризуется не только высокой адгезией к металлическим поверхностям, но и совместимостью со всеми видами покрывных эмалей. Однако и у этой грунтовочной системы есть свои недостатки, а именно повышенный расход грунтовки и трудозатраты, связанные с нанесением дополнительного грунтовочного слоя.

Важно! Введение в рабочую смесь кислотного разбавителя, является обязательным, так как он способствует фосфатированию обрабатываемой металлической поверхности, на что затрачивается большая часть фосфорной кислоты, входящей в состав разбавителя, с последующим образованием хромо-фосфатных комплексов. Именно они способствуют повышению адгезивных характеристик металла и защитных свойств грунтовки.

По антикоррозионным свойствам фосфатирующие грунтовки уступают пассивирующим грунтовочным составам, и, если к защитным свойствам металлических покрытий предъявляются повышенные требования, специалисты рекомендуют наносить дополнительный слой пассивирующей грунтовки. Фосфатирующая грунтовка при этом выполняет функцию адгезионного подслоя. Недостатком указанных двухкомпонентных систем является небольшой промежуток времени (около 8 ч), в течение которого они сохраняют свою стабильность.

Использование инновационных технологий в сфере производства лакокрасочных и грунтовочных составов позволяет изготавливать однокомпонентные фосфатирующие грунтовки, в состав которых включены пигменты, сохраняющие стабильность в смеси с кислотным разбавителем. Такими пигментами являются хромат стронция и желтый хромат свинца или, так называемый, свинцовый крон.

Срок хранения однокомпонентных грунтовок не превышает 6 месяцев.

Изготовление однокомпонентных грунтовок связано с определенными сложностями их хранения и транспортировки – особенности их состава обуславливают необходимость их фасовки в кислотоустойчивую тару.

Сфера применения фосфатирующей грунтовки включает несколько позиций:

Фосфатирующая грунтовка применяется для осуществления длительной защиты от коррозии:

Металлических трубопроводов;
Поверхностей строительных конструкций;
Платформ и эстакад;
Железнодорожного транспорта;
Сельскохозяйственной техники;
Мостов и гидросооружений;
Ангаров;
Транспортных средств, используемых в сфере строительства;
Кроме того, фосфатирующая грунтовка используется для грунтования изделий перед непосредственным нанесением эпоксидных, алкидных, алкидномеламиновых, перхлорвиниловых, полиуретановых и акриловых эмалей.

Важно! Фосфатирующая грунтовка не используется для обработки чугунных поверхностей.

И других изделий из металла, эксплуатируемых в агрессивных климатических условиях и нуждающихся в дополнительной антикоррозионной защите.

После нанесения на металлическую поверхность фосфатирующая грунтовка вступает в химическую реакцию с продуктами коррозии, образуя прочный слой нерастворимых соединений металла и тем самым повышая адгезивные характеристики металлической поверхности ко всем покрытиям. Благодаря этому значительно тормозятся коррозионные процессы.

Фосфатирующая грунтовка с одинаковой эффективностью может использоваться для первичного окрашивания поверхностей, в том числе для обработки сварных швов, а также для нанесения на ржавчину, плотно спаенную с поверхностью. При этом допустимая толщина продуктов коррозии может достигать 70 мкм. Кроме того, фосфатирующая грунтовка может использоваться для обработки стеклопластиковых и керамических поверхностей с целью повышения адгезивных характеристик финишного покрытия.

Преимущества и особые свойства фосфатирующей грунтовки

Преимуществом фосфатирующей грунтовки является обеспечение:

Адгезионной прочности обработанной поверхности;
Антикоррозионной устойчивости;
Химической устойчивости системы лакокрасочного покрытия;
Влагостойкости.

Для фосфатирующей грунтовки характерны:

Высокая укрывающая способность;
Легкость полировки;
Легкая перекрываемость любыми типами лакокрасочных материалов.

Что еще необходимо знать о свойствах фосфатирующей грунтовки?

Учитывая низкую совместимость фосфатирующей грунтовки с некоторыми видами покрытий, необходимо помнить некоторые важные нюансы ее использования:

При нанесении фосфатирующей грунтовки на стальные поверхности ее необходимо перекрывать антикоррозионными грунтовками ГФ-0119, ПФ-031 или ЭП-045;
Если вы производите грунтовку поверхности под эпоксидные эмали, ее можно не перекрывать дополнительными антикоррозионными составами;
Чтобы увеличить антикоррозионные свойства фосфатирующей грунтовки, в частности ВЛ-02, допускается добавление в грунтовочную смесь 5-7 м.ч алюминиевой пудры на 100 м.ч основы грунтовки. Алюминиевую пудру необходимо добавлять после смешения основы и кислотного разбавителя, после чего производят доведение смеси до рабочей вязкости.
Фосфатирующую грунтовку марки ВЛ-02 можно использовать для грунтования любых металлических поверхностей, кроме тех, что изготовлены из алюминия и его сплавов.

Как правильно наносить фосфатирующую грунтовку?

Подготовка рабочей поверхности

Прежде чем приступать к нанесению грунтовки, необходимо тщательно подготовить рабочую поверхность – она должна быть сухой, очищенной от грязи и пыли, тщательно обезжиренной. Метод очистки поверхности от продуктов окисления определяется степенью окисленности поверхности черных металлов.

Приготовление и техника нанесения фосфатирующей грунтовки

В первую очередь подготавливают рабочую смесь. Для этого смешивают основу и кислотный разбавитель, исходя их соотношения 4: 1, и полученную смесь выдерживают в течение 30 мин. Для разведения фосфатирующей грунтовки ВЛ-02 в качестве разбавителя можно использовать растворители РФГ, Р-6, 648, ксилол или толуол, не допуская смешения указанных растворителей.

Важно! Если при нанесении грунтовки кистью вязкость рабочей смеси должна составлять 20-35 с по вискозиметру, диаметр сопла которого составляет 4 мм, то, нанося грунтовку посредством безвоздушного и пневматического распыления, ее необходимо доводить до вязкости в 16-20 с.

Нанесение грунтовки необходимо осуществлять при температуре от -10 до +30 градусов.

Расход фосфатирующей грунтовки

Рассмотрим расход рабочей смеси на примере фосфатирующей грунтовки ВЛ-02 с учетом оптимальной толщины одного слоя 8-10 мкм.

В зависимости от способа нанесения грунтовки, ее расход на один слой составляет:

Пневматическое распыление – 100-120 г/м2;
Безвоздушное распыление – 95-110 г/м2;
Кисть – 80-95 г/м2.

Если говорить о сроках выдержки грунтовки перед последующим нанесением лакокрасочных составов, то для фосфатирующей грунтовки ВЛ-02 минимальный допустимый срок составляет 30 мин, но не более 14 суток.

Меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с фосфатирующей грунтовкой:

В процессе работ с данными смесями, а также после их проведения необходимо тщательно проветривать помещение;
Рабочую смесь необходимо держать вдали от огня;
Чтобы защитить кожу рук, необходимо работать в резиновых перчатках.

Условия хранения фосфатирующей грунтовки:

Все компоненты грунтовки хранят при температуре от -10 до +30 градусов, в плотно закрытой таре, позволяющей защитить материал от губительного воздействия солнечных лучей и влаги.

Срок хранения – 12 месяцев.

Наиболее популярные марки и опыт их использования

Фосфатирующая грунтовка Реафлекс

В первую очередь, поговорим о фосфатирующей грунтовке реафлекс. Опыт применения этой марки показывает, что речь пойдет о высокоэффективном средстве за небольшие деньги. Фосфатирующая грунтовка реафлекс используется в качестве первичного антикоррозионного покрытия, наносимого непосредственно на металл. Как и большинство фосфатирующих грунтовок, является двухкомпонентным средством, включающим основу – грунт желтого цвета и кислотный отвердитель, которые поставляются в комплекте, исходя из массового соотношения 1: 1.

Несмотря на то, что грунтовка реафлекс является средством, относящимся к низкой ценовой категории (цена колеблется в пределах 500 руб.), она отличается высокими антикоррозионными свойствами, которыми может похвастаться не каждое средство. Доказательством этому служат отзывы мастеров, которые на практики использовали эту грунтовку.

Михаил: Приобрел грунтовку Реафлекс – цена устроила, хотя были подозрения, что за такие деньги качество будет не самым лучшим. Чтобы испытать свойства материала на практике, решил провести эксперимент: обработал грунтовкой кусок металла от кузова и бросил на улицу (как говорится, создал экстремальные условия). Со временем про эксперимент забыл – металл полгода валялся под снегом, дождем, испытав на себе все климатические тяготы. Случайно найдя этот кусок металла через полгода, я не обнаружил на нем никаких следов коррозии, он сохранил свой первоначальный вид. Эффективное средство – всем рекомендую!

Фосфатирующая грунтовка Вика

Грунтовка вика фосфатирующая – популярный на рынке продукт отечественного производителя. Изучив каталоги производителя, можно увидеть, что существует несколько разновидностей фосфатирующей грунтовки этой марки, и наиболее популярной является фосфатирующая грунтовка Вика WASH Primer, предназначенная для антикоррозионной защиты металла. Наносится непосредственно на алюминиевые и стальные поверхности или на полиэфирную шпаклевку соответствующего производителя. Подготовка поверхности аналогична той, что осуществляется перед использованием любых других марок.

Сергей: В прошлом году приобрел пару банок Вики с кислотным разбавителем этой же марки. Так получилось, что не было возможности нанести грунтовку и про нее благополучно забыли на полгода, да так, что срок годности уже вышел. Ну не выбрасывать же ее, решил все равно попробовать, и как только появилось время, провел все необходимые операции. Результат обрадовал, получившееся покрытие соответствовало тому, что было заявлено производителем. Попробуйте – не пожалеете!

Фосфатирующая грунтовка Фосфогрунт

Еще одна известная на отечественном рынке марка фосфатирующих грунтовок – Фосфогрунт. Под данной маркой выпускаются однокомпонентные фосфатирующие грунты для защиты металла от коррозионных повреждений на основе Эпоксидных, акриловых, формальдегидных смол, а также органических растворителей и коррозионно-стойких пигментов. Используются для грунтования алюминиевых, титановых, стальных поверхностей, эксплуатируемых в жестких условиях, например при температуре +130 градусов.

Помимо марок, рассмотренных в данной статье, на рынке можно встретить и другие, не менее популярные наименования, которые по своим свойствам не будут уступать зарекомендовавшим себя составам.

Фосфатирование

Свойства и области применения фосфатных покрытий

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.

Благодаря хорошей адгезии фосфатирование широко применяют для грунтования под лакокрасочные покрытия в различных областях машиностроения — автомобильной, судостроительной, сельскохозяйственной и др. Иногда фосфатированию подвергают различные крепежные детали с последующим пропитыванием смазочными веществами, поскольку фосфатирование не приводит к изменению размеров.

Фосфатные покрытия не смачиваются расплавленными металлами; это свойство нередко используется в металлургической промышленности и машиностроении. Кроме того, эти покрытия обладают электроизоляционными свойствами, что позволяет применять фосфатированные изделия в электропромышленности и приборостроении.

Ограничившись этим далеко неполным перечнем областей применения фосфатирования, необходимо добавить, что его осуществление не связано с затратой дорогих материалов, с привлечением квалифицированной рабочей силы и какого-либо сложного оборудования. Особенно ценным является способность фосфатной пленки заменять роль грунта под лакокрасочные покрытия. Все это делает процесс относительно дешевым и объясняет его широкое распространение.

Фосфатирование осуществляется методом погружения в раствор кислых солей фосфорнокислого железа и марганца, иногда цинка. Соль эта известна под названием МАЖЕФ (марганец, железо, фосфор). Ниже приводится примерный состав соли МАЖЕФ, %:

Водный раствор этой соли подвергается гидролизу
Me (H₂PO₄)₂ ↔ Me НPO₄ + H₃PO₄.

Как известно, при взаимодействии железа с фосфорной кислотой образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты и выделяется водород:
Fe + 2H₃PO₄→Fe(H₂PO₄)₂ + H₂,
Fe + Fe (H₂PO₄)₂ → 2FeHPO₄ + H₂,
Fe + 2FeHPO₄ → Fe₃(PO₄)₂ + H₂.

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. Образовавшаяся при диссоциации монофосфата фосфорная кислота восстанавливает кислотность раствора у поверхности металла, что создает условия для дальнейшего протекания процесса. 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 особенно эффективно при температуре 90—100° С. Ускорение процесса достигается при введении азотнокислых или азотисто-кислых солей, являющихся деполяризаторами; при этом резко сокращается доля процесса, протекающего с выделением водорода.

Защитная способность фосфатных пленок, полученных в присутствии ускорителей (так называемых ускоренным фосфатированием), ниже, чем пленок, полученных без ускорителей. Поэтому ускоренное фосфатирование преимущественно применяют для создания (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—4 мкм. При крупнокристаллическом строении обеспечивается более продолжительный доступ раствора к металлу и формируются пленки толщиной 10—15 мкм, а иногда и больше. В растворах для холодного фосфатирования получаются пленки толщиной до 6 мкм. 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.

Чаще и с лучшим эффектом фосфатируются изделия из углеродистой и малолегированной стали и чугуна. Высоколегированные стали фосфатируются с трудом, цветные металлы фосфатируются сравнительно редко.

Фосфатирование черных металлов

В промышленности успешно применяются фосфатирующие растворы на основе препарата мажеф. Они легко приготавливаются, довольно стабильны в эксплуатации, позволяют получать пленки удовлетворительного качества. Обычно концентрация препарата составляет 28 – 35 г/л. Для приготовления такого раствора загружают в ванну препарат мажеф из расчета 35-40 г/л, заливают водой и, периодически помешивая, кипятят в течение 15-20 мин. Избыток препарата берут с учетом того, что он частично расходуется на фосфатирование поверхности стальной ванны и разлагается при кипении раствора.

Контроль приготовленного фосфатирующего раствора ведется на общую Ко и свободную К_cв кислотность. Общая кислотность определяется титрованием пробы с индикатором фенолфталеином. При указанном составе на титрование 10 мл раствора затрачивается 28-30 мл 0,1 н раствора NaOH. Свободная кислотность определяется в присутствии индикатора метилоранжа. На титрование 10 мл пробы затрачивается 3-4 мл 0,1 н раствора NaOH. Количество миллилитров раствора щелочи, пошедшей на титрование, условно выражается в точках. Следовательно, общая кислотность раствора составляет 28-30 точек, а свободная – 3-4 точки. Соотношение общей и свободной кислотности – 7-10. Общая кислотность растворов первичных фосфатов марганца и железа должна быть не ниже 30 точек, а свободная кислотность – 3-4 точки. При этом концентрация препарата в растворе составляет около 30 г/л. Использование раствора мажефа меньшей концентрации приводит к образованию пленок, характеризующихся низкими защитными свойствами.

В процессе работы ванны концентрация препарата мажеф и, следовательно, кислотность уменьшаются, и при K_о =25-27 точек необходимо для ее повышения добавлять препарат мажеф.

Положительные результаты дает применение концентрированных растворов мажефа (100-200 г/л), в которых на поверхности металла формируются мелкокристаллические пленки, характеризующиеся хорошими антикоррозионными свойствами. Температура концентрированного раствора – 80-85 °С.

Прекращение выделения пузырьков водорода является признаком окончания процесса фосфатирования. Однако и после этого рост пленки продолжаетcя и потому обрабатываемые детали выдерживают в фосфатирующем растворе еще в течение 10-15 мин. Чрезмерно длительное пребывание деталей в ванне нежелательно, так как может произойти оседание нерастворимых фосфатов и срастание их с пленкой, что ухудшит ее качество.

В растворах мажефа хорошо фосфатируются детали из низкоуглеродистой электротехнической стали, чугуна, конструкционной, углеродистой, мало- и среднелегированной сталей. Тонкостенные детали и пружины в таких растворах не рекомендуется обрабатывать. Для фосфатирования высоколегированных сталей можно использовать раствор, содержащий (г/л) 30-32 мажефа и 10-12 ВаС1₂. Общая кислотность раствора 30-40 точек, свободная кислотность 4-7 точек. Обработку ведут при 98-100 °С в течение 40-60 мин.

Для ускоренного фосфатирования используются растворы на основе железомарганцевых фосфатов, первичных фосфатов цинка и их смесей с добавками ускорителей, в первую очередь, нитрата цинка. Содержание Zn(NО₃)₂-3H₂0 не должно превышать 60-70 г/л при концентрации мажефа не менее 30-40 г/л. Нитраты бария, стронция, кальция используются в растворах для получения фосфатно-оксидных покрытий. Применение добавок позволяет также снизить температуру фосфатирующего раствора.

Следует учесть, что фосфатные пленки, сформированные в цинк-фосфатных растворах, характеризуются сравнительно меньшей защитной способностью, и поэтому их используют преимущественно для получения грунта под лакокрасочные покрытия.

В табл. 19 приведены, некоторые составы растворов и режимы фосфатирования, используемые в производстве.

Раствор 1 применяется для антикоррозионного фосфатирования углеродистой и низколегированной сталей, а также чугуна, 2 – ускоренного получения фосфатных защитных пленок и обработки пружин, 3 – ускоренного фосфатирования деталей сложной конфигурации, тонкостенных деталей, пружин из углеродистой и легированной сталей, 4 – низкотемпературного (холодного) фосфатирования углеродистой, низко- и среднелегированных сталей, деталей с кадмиевым или цинковым покрытием, 5 – для ускоренного получения защитных фосфатных покрытий. Растворы 6 и 7 используются для ускоренного фосфатирования, причем в растворе 6 обрабатывают детали 1-2 класвов точности, в том числе пружины, допускается также обработка деталей с цинковым или кадмиевым покрытием.

Равномерные мелкокристаллические фосфатные пленки, толщиной до 5 мкм могут быть получены при температуре 18-25 °С в растворе, содержащем (г/л): 40 фосфорной кислоты 100 %-ной, 200 азотнокислого цинка, 15 окиси цинка, 8 сернокислого натрия; рН раствора 1,9-2,0, продолжительность обработки 30 мин.

Как показывают исследования, антикоррозионые свойства фосфатных покрытий могут быть улучшены путем применения ингибиторов коррозии. В раствор, содержащий (г/л) 200 азотнокислого цинка, 40 фосфорной кислоты, 15 окиси цинка, 8 ускоряющей добавки УД-1, вводили 3 г/л ингибитора КИ-1; обработку вели при комнатной температуре в течение 30 мин. Добавка ингибитора привела к увеличению стойкости фосфатного покрытия при испытании в растворе хлористого натрия в четыре-пять раз.

Детали автотракторного и электрооборудования из стали, чугуна и цинковых сплавов фосфатируют в растворе, содержащем 15-20 г/л монофосфата цинка и 25-35 г/л нитрата натрия, при 55-60 °С в течение 15-20 мин. По защитной способности формируемые фосфатные пленки аналогичны получаемым в растворах препарата мажеф.

Растворы для фосфатирования при пониженной температуре особенно пригодны для обработки крупных деталей струйным методом. Такой метод по сравнению с обработкой в стационарной ванне позволяет значительно уменьшить продолжительность процесса и расход материалов. Давление воздуха при струйном фосфатировании 15-20 МПа. Струйная обработка с перерывами в подаче струи раствора 5-20 с и повторением цикла четыре – восемь раз способствует получению покрытий большей толщины, чем при обычном стационарном режиме.

Для фосфатирования стальных освинцованных деталей предложен раствор следующего состава (г/л): 32-50 сернокислого цинка, 280-700 азотнокислого цинка, 40-48 фосфорной кислоты, 16-28 фтористого натрия. Процесс идет при температуре 50-60 °С в течение 10-20 мин. В этом же растворе можно фосфатировать углеродистую сталь, никель, цинк.

Фосфатные покрытия, используемые для улучшения условий механической обработки металлов, получают в растворах, составленных на основе выпускаемых промышленностью концентратов – КФЭ-1, КФЭ-3 – для фосфатирования заготовок перед холодной деформацией, КПФ-1 – для улучшения антифрикционных свойств деталей и полуфабрикатов.

Содержание концентратов в растворе и режим фосфатирования следующие:

КФЭ-1-35-45 г/л, К₀= 48-52, К_св= 10-12, температура раствора 90-95 °С, продолжительность обработки 8-10 мин;

КФЭ-3 – 35-45 г/л, Ко = 19-20, К_св = 2-2,5, температура раствора 55-65 °С, продолжительность обработки 12-15 мин;

КПФ-1 – 100-110 г/л, К_о = 47-50,К_св = 6-7, температура раствора 90-98 °С, продолжительность обработки 5-10 мин.

Корректирование первых двух растворов ведут по общей кислотности концентратом КФЭ-2. При введении в первый из них 0,15 кг КФЭ-2 на 100 л общая кислотность повышается на одну точку. При введении во второй раствор 0,174 кг указанного концентрата на 100 л общая кислотность повышается также на одну точку. Третий раствор корректируют введением фосфатирующего концентрата КПФ-1.

Фосфатные покрытия могут быть получены не только химической, но и электрохимической обработкой металлов, однако этот процесс до настоящего времени не нашел промышленного применения.

При обработке отдельных участков поверхности деталей или вертикальных поверхностей крупногабаритных деталей могут быть использованы фосфатирующие пасты. Наиболее простой вариант их приготовления – смешать фосфатирующий раствор с инертным наполнителем – тальком, каолином – в соотношении примерно (3:2) – (2,5:2). Пасту наносят на обрабатываемую поверхность с помощью кисти и выдерживают при комнатной температуре в течение 40-50 мин. После этого ее смывают водой или осторожно счищают скребком с последующей промывкой. Очищенную поверхность необходимо быстро просушить.

При работе с пастами можно сочетать операции очистки и фосфатирования поверхности металла. Один из составов паст, предложенных для этой цели, содержит (массовая доля, %): 82-86 Н₃РО₄, 8-9 K6, 4-6 препарата ОП-7, 2-3 патоки. В реакции компонентов пасты с металлом участвуют и имеющиеся на его поверхности продукты коррозии. После обработки пастой детали промывают водной суспензией СаСО₃.

Введением в фосфатирующие растворы некоторых добавочных компонентов можно сочетать основной процесс не только с обезжириванием, но и травлением металла, что снижает трудоемость подготовительных операций. Обезжиривающий эффект достигается введением поверхностно-активных веществ. Хорошие результаты дает раствор, содержащий (г/л) 25-40 препарата мажеф, 50-70 нитрата цинка, 20-30 препарата ОП-10. Обработку стальных деталей ведут при 70-80 °С в течение 20-30 мин. Для этой же цели предложен раствор, содержащий по 45 г/л однозамещенного фосфата цинка и нитрата натрия и по 2-5 г/л препарата ОП-10 и проксанола при 50-60 °С.

Сочетание процессов обезжиривания поверхности стали и ее фосфатирования достигается введением в раствор моющего препарата. Для получения такого состава растворяют в 1 л воды 45 г монофосфата цинка, 45 г нитрата натрия, затем добавляют 4-9 г универсальной пасты. Полученный раствор кипятят в течение 10 мин для уменьшения шламообразования. Струйное фосфатирование ведут при температуре 60-80 °С, давлении сжатого воздуха 8-10 МПа в течение 2-3 мин. При обработке в стационарной ванне продолжительность фосфатирования увеличивают до 15-20 мин.

Для одновременного обезжиривания, травления и фосфатиро-вания использовали водную вытяжку суперфосфата, представляющего собой смесь однозамещенного фосфата и сульфата кальция. Суперфосфат смешивали с водой в соотношении 1 : 2 и кипятили в течение 3—4 ч до достижения плотности 1,06; отделенный декантацией раствор использовался для подготовки деталей перед нанесением лакокрасочных покрытий.

Для удаления ржавчины с одновременным фосфатированием стали предложено применять растворы фосфорной кислоты с добавкой сложных полифосфатов. К 100 массовым долям фосфорной кислоты (20 %-ный раствор) добавляют 0,1 доли Nа₆Р₆O₈ и ведут процесс при комнатной температуре. Положительное влияние на очистку поверхности металла при фосфатировании оказывает введение в раствор смачивателей.

Совмещение в одном процессе операций подготовки поверхности металла и нанесения фосфатного покрытия является перспективным направлением развития технологии фосфатирования,так как позволяет значительно уменьшить трудоемкость отделочных операций.

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.11.12

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Обзор методов фосфатирования металлов

Фосфатирование — это обработка металла специальными средствами на основе фосфорнокислых солей, в результате чего на поверхности появляется защитная пленка. Среди вариантов защиты металла от коррозии методом фосфатирования наиболее известна фосфатирующая грунтовка. Также применяются гидроабразивное фосфатирование и химическая обработка металла. Помимо защиты металла, пленка обеспечивает повышенную адгезию (сцепляемость) металла с лакокрасочными материалами.

Гидроабразивное фосфатирование

Гидроабразивная обработка считается одним из лучших способов защиты металла. Состав для обработки металла приготавливается на основе мягкой воды. Детали окунают на 10-15 минут в 10% раствор бихромата калия. Температура жидкости — от 70 до 80 градусов по Цельсию.

Далее проводится гидрофобизация пленки, для чего изделие на 7 минут кладется в 10% раствор кремнийорганической жидкости в бензине. После этого парам бензина дают испариться на открытом воздухе и отправляют металл на высушивание при 100 градусной температуре в течение часа.

Фосфатирующие грунтовки

Для защиты металла может использоваться фосфатирующая грунтовка, на 9/10 состоящая их металлических пигментов, а также растворителя на основе ортофосфорной кислоты. При взаимодействии с электролитом краска с содержанием цинка укрепляется продуктами коррозии и образует плотную пленку.

Фосфатирующие грунты используются для обработки изделий из черных и цветных металлов любых размеров (от крупных конструкций до резьбы одной детали). Прогрунтованная поверхность приводит к пассивации металла, а также улучшению адгезионных качеств материала.

Химическая обработка стали

Химическое фосфатирование — это окунание металла в специальные химические составы, в результате чего на его поверхности появляется защитная пленка.

Кладем в ванну соль МАЖЕФ, исходя из пропорции 35 граммов на литр воды. Заливаем жидкость, доводим ее до кипения и держим в таком состоянии 20 минут. Далее снимаем емкость с огня для определения и правки (в случае необходимости) уровня кислотности.

Состав изготавливается с избытком, так как в ходе нагревания часть его улетучивается. Уровень общей кислотности устанавливается методом титрования по фенолфталеину. Для титрования 10 миллилитров раствора уйдет 30 миллилитров децинормального состава гидроксида натрия. Свободная кислотность выяснятся при наличии индикатора метилоранжа.

Для титрования 10-миллилитровой пробы нужно 4 миллилитра децинормального раствора гидроксида натрия. Количество щелочи, затраченной на титрование, обозначается в точках. Показатели нормы кислотности: общая — 28-30 точек, свободная — 3-4 точки (то есть соотношение разных видов кислотности между собой может колебаться от 7 до 10).

Фосфатирование осуществляется при температуре 98 градусов по Цельсию в течение 1-2 часов.

Работу можно считать законченной, когда прекращается пузырение водорода. Далее металл выдерживается в емкости на протяжении 10-15 минут. Это нужно, чтобы произошла кристаллизация пленки.

Норма расхода МАЖЕФ на фосфатирование квадратного метра поверхности может колебаться от 120 до 140 граммов. Уровень кислотности корректируется водой или добавлением соли МАЖЕФ. Конкретное количество соли, необходимое для достижения показателя кислотности на уровне 30 точек, можно рассчитать по формуле:

Переменная V означает объем, а n — количество точек раствора. Если в стали имеется большая доля легирующих компонентов (меди, хрома, ванадия), получить пленку надлежащего качества не получится. Снижает качество работы присутствие в растворе компонентов алюминия, свинца, мышьяка, а также хлоридных и сульфидных примесей. Доля ионов хлора не должна превышать 0,3%.

Если пленка получилась низкокачественной, ее можно удалить при помощи 15% раствора соляной кислоты или подогретого 20% раствора гидроксида натрия. Следует иметь в виду, что в случае повторного фосфатирования пленка будет иметь более крупнокристаллическую структуру с меньшими защитными качествами.

Ускоренная обработка солью МАЖЕФ

Фосфатирование низколегированных и электротехнических марок стали производиться с помощью смесей, включающих в себя следующие компоненты (граммов на литр воды):

Фосфатирование осуществляется всего за 10-15 минут при условии температуры жидкости 97-98 градусов по Цельсию для раствора №1 и раствора №2. Без очищения поверхности процедуру можно произвести методом добавления в состав оксалата цинка. Это вещество уберет следы коррозии в ходе возникновения пленки.

Содержание раствора (граммов на литр):

цинковый монофосфат — 35;
азотнокислый цинк — 53;
фосфорная кислота — 14;
оксалат цинка — 0,1.

Допустимый уровень общей кислотности — 70-80 точек, свободная кислотность — 12-15 точек, температура жидкости – 92-98 градусов по Цельсию, время фосфатирования — 20-40 минут.

Свойства, технология нанесения и области применения фосфатных покрытий

Оксалат цинка приготавливается из щавелевокислого натрия и азотнокислого цинка. При объединении растворов на дне емкости образуется осадок щавелевокислого цинка, который нужно убрать с помощью фильтра. Далее осадок высушивается и используется для создания фосфатирующего раствора.

Ускоренная обработка цинковыми солями

Обработка металла в растворе цинковых солей позволяет обеспечить лучшую защиту поверхности в сравнении с солью МАЖЕФ.

Компоненты состава (граммов на литр):

монофосфат цинка — 37;
азотнокислый цинк — 54;
фосфорная кислота — 16.

В ходе фосфатирования понадобится корректировка состава. Для этого нужно добавить концентрат, в который входят 500 граммов азотнокислого цинка, 480 граммов монофосфата цинка, 180 граммов фосфорной кислоты и литр воды.

Пленка черного цвета с повышенными защитными характеристиками получается за счет последовательного окунания деталей в два состава. Один из них содержит 1 грамм кальцинированной соды, 23 грамма фосфорнокислого закисного железа, 8 граммов цинковой окиси, 32 грамма ортофосфорной кислоты (все количества указаны на литр воды). Общая кислотность состава — от 56 точек, а свободная — от 9 до 14 точек. Температура жидкости — от 92 до 97 градусов по Цельсию.

После окунания в вышеуказанном растворе изделие на 5 минут кладут в 9% раствор хромпика калия при температуре от 80 до 95 градусов по Цельсию. Далее деталь вновь промывается в мыльно-содовом растворе, а затем в горячей воде и кладется в емкость для повторного фосфатирования. На этот раз смесь включает 150 граммов азотнокислого цинка, 30 граммов МАЖЕФ, 3 грамма углекислой кислоты. Показатель кислотности — от 80 точек, свободной кислотности — от 2 до 4 точек. Температура состава — от 50 до 60 градусов по Цельсию, период фосфатирования — от 10 до 20 минут. Далее изделие кладется в мыльно-содовый раствор на 2 минуты. Завершается процесс высушиванием пленки и обработкой ее минеральным маслом.

Холодный процесс

Холодное фосфатирование подразумевает обработку материала при температуре от 20 до 40 градусов по Цельсию. Можно использовать один из двух видов раствора.

Для работы понадобятся следующие компоненты (из расчета граммов на литр):

Раствор №1. Загружаем в ванну соответствующее объему воды количество соли МАЖЕФ. Доливаем в раствор прокипяченный и настоянный фтористый натрий, и азотнокислый цинк. Чтобы увеличить уровень кислотности раствора, на каждую точку добавляем 1,5 грамма соли МАЖЕФ, 2-3 грамма азотнокислого цинка и 2-3 миллиграмма фтористого натрия.

Раствор №2. Для создания раствора используем концентрат, который включает в себя 80 граммов цинкового монофосфата, 750 граммов азотнокислого цинка, 160 граммов фосфорной кислоты, 40 граммов кальцинированной соды и 1 литр воды.

Чтобы приготовить 100 литров рабочего раствора, к 85 литрам воды добавляем 12 литров концентрата едкого натра (300 граммов на литр), а затем доливаем воду до уровня 100 литров. Также засыпаем 40 граммов азотисто-кислого натрия. Если показатель кислотности оказывается меньше необходимого, понемногу добавляем едкий натр.

Фосфатирование в домашних условиях

Процесс фосфатирования можно осуществить и самостоятельно. Проще всего это сделать быстрым способом. Для этого понадобится сделать раствор на основе соли МАЖЕФ и азотнокислого цинка. После смешивания компонентов и нагрева жидкости до температуры кипения металлическое изделие на 15 минут размещается в емкости со смесью.

Обратите внимание! Окрашивать фосфатированную поверхность можно только лишь после ее окончательного высыхания.

Хотя фосфатирование можно провести вне производственных условий, для проведения работ все же нужны определенные знания и квалификация. Поэтому, если нет уверенности в своих силах, лучше поручить этот процесс специалистам, которые окажут такую услугу быстро и качественно.