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磷化工艺(关于磷化的详细技术文件) 磷化( I) ——基本原理及分类磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程,所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是:给基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀;用于涂漆前打底,提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力;在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。 1 基本原理磷化过程包括化学与电化学反应。不同磷化体系、不同其材的磷化反应机理比较复杂。虽然科学家在这方面已做过大量的研究,但至今未完全弄清楚。在很早以前,曾以一个化学反应方程式简单表述磷化成膜机理: 8Fe+5Me(H PO) +8H O+H PO= Me Fe(PO )· 4H O(膜)+Me (PO )· 4H O(膜)+7FeHPO (沉渣)+8H ↑ Me为 Mn、 Zn等, Machu 等认为,钢铁在含有磷酸及磷酸二氢盐的高温溶液中浸泡,将形成以磷酸盐沉淀物组成的晶粒状磷化膜,并产生磷酸一氢铁沉渣和氢气。这个机理解释比较粗糙,不能完整地解释成膜过程。随着对磷化研究逐步深入,当今,各学者比较赞同的观点是磷化成膜过程主要是由如下 4个步聚组成: ①酸的浸蚀使基体金属表面 H浓度降低 Fe– 2e→ Fe 2H +2e → 2[H] (1) H②促进剂(氧化剂)加速[O]+[H] →[R]+H O Fe +[O] → Fe +[R] 式中[O] 为促进剂(氧化剂), [R] 为还原产物,由于促进剂氧化掉第一步反应所产生的氢原子,加快了反应( 1)的速度,进一步导致金属表面 H浓度急剧下降。同时也将溶液中的 Fe氧化成为 Fe。③磷酸根的多级离解 H POH PO +H HPO +2H PO +3H (3) 由于金属表面的 H浓度急剧下降,导致磷酸根各级离解平衡向右移动,最终为 PO。④磷酸盐沉淀结晶成为磷化膜当金属表面离解出的 PO与溶液中(金属界面)的金属离子(如 Zn、 Mn、 Ca、 Fe)达到溶度积常数 K时,就会形成磷酸盐沉淀 Zn +Fe +PO +HO→ Zn Fe(PO )· 4HO↓(4) 3Zn +2PO +4H O=Zn (PO )· 4HO↓(5) 磷酸盐沉淀与水分子一起形成磷化晶核,晶核继续长大成为磷化晶粒,无数个晶粒紧密堆集形而上学成磷化膜。磷酸盐沉淀的副反应将形成磷化沉渣 Fe +PO =FePO (6) 以上机理不仅可解释锌系、锰系、锌钙系磷化成膜过程,还可指导磷化配方与磷化工艺的设计。从以上机理可以看出:适当的氧化剂可提高反应( 2)的速度;较低的 H浓度可使磷酸根离解反应( 3)的离解平衡更易向右移动离解出 PO;金属表面如存在活性点面结合时,可使沉淀反应( 4)( 5)不需太大的过饱和即可形成磷酸盐沉淀晶核;磷化沉渣的产生取决于反应( 1)与反应( 2),溶液 H浓度高,促进剂强均使沉渣增多。相应,在实际磷化配方与工艺实施中表面为:适当较强的促进剂(氧化剂);较高的酸比(相对较低的游离酸,即 H浓度);使金属表面调整到具备活性点均能提高磷化反应速度,能在较低温度下快速成膜。因此在低温快速磷化配方设计时一般遵循上述机理,选择强促进剂、高酸比、表面调整工序等。关于磷化沉渣。因为磷化沉渣主要是 FePO ,要相减少沉渣量就必须降低 Fe的产生量,即通过两个方法: 降低磷化液的 H浓度(低游离酸度)减少 Fe氧化成为 Fe。锌材与铝材磷化机理基本与上相同。锌材的磷化速度较快,磷化膜只有磷酸锌盐单一组成,并且沉渣很少。铝材磷化一般要加入较多的氟化合物,使之形成 AlF 、 AlF ,铝材磷化步聚与上述机理基本相同。 2 磷化分类磷化的分类方法很多,但一般是按磷化成膜体系、磷化膜厚度、磷化使用温度、促进剂类型进行分类。 按磷化膜体系分类按磷化成膜体系主要分为:锌系、锌钙系、锌锰系、锰系、铁系、非晶相铁系六大类。锌系磷化槽液主体成他是: Zn、H PO、 NO、H PO、促进剂等。形成的磷化膜主体组成(钢铁件): Zn (po )· 4HO、 Zn Fe(PO )· 4HO。磷化晶粒呈树枝状、针状、孔隙较多。广泛应用于涂漆前打底、防腐蚀和冷加工减摩润滑。锌钙系磷化槽液主体成分是: Zn、 Ca、 NO、H PO、H PO以及其它添加物等。形成磷化膜的主体组成(钢铁件): Zn Ca(PO )· 4HO、 Zn Fe(PO )· 4HO、 Zn (PO )· 4HO。磷化晶粒呈紧密颗粒状(有时有大的针状晶粒),孔隙较少。应用于涂装前打底及防腐蚀。锌锰系磷化槽液主体组成: Zn、 Mn、 NO、H PO、H PO以及其它一些添加物。磷化膜主体组成: Zn Fe(PO )· 4HO、 Zn (PO )· 4HO、(Mn,Fe) H (PO )· 4HO,磷化晶粒呈颗粒-针状-树枝状混合晶型,孔隙