Для обеспечения высокой прочности сцепления лакокрасочного покрытия с металлом, на поверхность последнего наносят химическим способом фосфатные пленки, что одновременно повышает коррозионную стойкость изделий. Фосфатные пленки обладают хорошими диэлектрическими свойствами.
Химическому фосфатированию могут подвергаться углеродистые, низколегированные и среднелегированные стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, цинковые и кадмиевые покрытия и др.
Сущность химического фосфатирования состоит в обработке металлов и сплавов в подкисленных растворов однозамещенных фосфатов или монофосфатов Fe, Mn, Zn, Ba, Ca и др.
Процесс химического фосфатирования обусловлен гидролизом однозамещенных фосфатов металлов, в результате чего устанавливается равновесие между одно-, двух-, трехзамещенными фосфатами металлов и H3PO4. Образующаяся при этом свободная H3PO4 взаимодействует с основным металлом, в результате чего образуются трудно растворимые двух- и трехзамещенные фосфаты, являющиеся основной составляющей частью фосфатных пленок.
На качество фосфатных пленок оказывают влияние общая (Ко) и свободная (Кс) кислотности фосфатирующего раствора, состав его, подготовка поверхности металла и технологические параметры (температура фосфатирующего раствора, время обработки). Для получения качественных фосфатных пленок общая кислотность раствора должна составлять 28-30 точек, а свободная 3-4 точки. Повышение свободной кислотности фосфатирующего раствора удлиняет процесс фосфатирования и снижает защитные свойства фосфатной пленки, а понижение свободной кислотности способствует образованию тонких фосфатных пленок с низкими защитными свойствами. Оптимальное соотношение Ко: Кс = 7:1/8:1.
На состав фосфатных пленок большое влияние оказывает вид катионов фосфатирующего раствора.
Для ускорения процесса фосфатирования в раствор вводят окислители, например NaNO3, NaNO2, Zn(NO3)2, KBrO3, KclO, в результате чего увеличивается скорость катодного процесса.
Возрастание скорости катодного процесса в присутствии NO3, вызывает увеличение скорости процесса пленкообразования и значительно уменьшает время формирования фосфатной пленки. Кроме того, в присутствии окислителей катионы Fe3+, которые с анионами PO4 образуют FePO4. Фосфат железа не окисляется кислородом воздуха, поэтому фосфатные пленки обладают более высокими защитными свойствами.
Фосфатные пленки помимо повышенной коррозийной стойкости обладают еще целым рядом ценных свойств: адгезионной способностью, масло емкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами.
Фосфатные пленки повышают адгезию лакокрасочных покрытий, что определяется по их поведению в коррозионной среде или при механических испытаниях (удар, изгиб и т.п.).
Высокая прочность сцепления лакокрасочного покрытия с фосфатной пленкой и повышение их защитных свойств связаны со структурой фосфатных покрытий.
Структура фосфатной пленки определяет ее пористость, маслоемкость и антифрикционные свойства.
Под маслоемкостью (мг/м.кв.) понимают степень поглощения фосфатной пленкой наносимого на нее масла. Фосфатная пленка увеличивает степень поглощения масла в 2 раза. Промасливание фосфатной пленки повышает ее защитные свойства: если на нефосфатированной стали в коррозионной камере (разбрызгивание 3%-ного раствора хлорида натрия) обнаруживается коррозия через 0,1 ч, то на фосфатированной и промасленной – через 40-48 ч.
Наличие на поверхности основного металла фосфатных пленок, наполненных маслом или парафином, резко снижает коэффициент трения. При испытании нефосфатированной, подвергнутой шлифованию стали, при напряжении 0,047 МПа схватывание наступает сразу, в то время как фосфатированная сталь в паре с такой же сталью без смазывания удовлетворительно работает в течение 95 мин. При смазывании фосфатированной стали парафином схватывание происходит не раньше, чем через 50ч. В этих условиях коэффициент трения для фосфатированной стали со смазкой много меньше, чем хромированной.
Фосфатные пленки обладают диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать фосфатирование для получения электроизоляционного покрытия на деталях трансформаторов, генераторов и т.п. Пропитка фосфатных пленок масляными и бакелитовыми лаками значительно повышает пробивное напряжение.
Фосфатные пленки не смачиваются расплавленными металлами (Sn, Pb и др.) Процесс фосфатирования проводится в стационарных ваннах (окунанием) или в струйных камерах (распылением).
Основным фосфатирующим компонентом по ГОСТ 9.073-77 была соль «Мажеф».
Наряду с положительными свойствами процесс фосфатирования в растворе соли Мажеф имеет и недостатки, которые ограничивают области его применения. В процессе фосфатирования происходит сильное выделение водорода (наводороживание), поэтому в следствие образование газовых мешков ванна непригодна для фосфатирования деталей сложной конфигурации, а так же связанное с этим уменьшение пластичности и длительной прочности, особенно высокопрочных сталей. При фосфатировании высокопрочных сталей обнаруживается коррозионное растрескивание в области упругих растягивающих напряжений.
Фосфатирование в цинк-фосфатном растворе.
В растворе монофосфата цинка устанавливается равновесие 3Zn(H2PO4)2 Zn3(PO4)2v + 4H3PO4.
При обработке в растворе монофосфата цинка сталь взаимодействует со свободной ортофосфорной кислотой с образованием растворимого монофосфата железа (ll), в результате чего равновесие смещается в сторону образования труднорастворимого трехзамещенного фосфата цинка.
Для ускорения процесса фосфатирования в раствор монофосфата цинка вводят нитраты, которые участвуют в катодной реакции и окисляют катионы Fe2+ до Fe3+. Благодаря этому в фосфатирующем растворе концентрация монофосфатов железа (ll) минимальна. Произведение для растворимости двух- и трехзамещенных фосфатов железа (ll) во много раз больше, чем для трехзамещенного фосфата цинка. Поэтому в первую очередь на поверхности стали образуются фосфатные пленки, основной составляющей частью которых является трех замещенный фосфат цинка.
Одновременно с образованием фосфатной пленки у поверхности стали на наружной стороне пленки наблюдается ее растворение. Это приводит к тому, что рыхлость наружных слоев фосфатной пленки больше, чем внутренних.
Основная масса пленки образуется в течение первых нескольких минут, после чего скорость роста пленки уменьшается и, начиная с 15 мин, становится малозаметной. Рост фосфатной пленки прекращается, когда скорость ее образования становится равной скорости ее растворения на наружной стороне.
С повышением свободной кислотности скорость растворения фосфатной пленки увеличивается, в результате чего скорость роста уменьшается, пленка становится рыхлой, что снижает ее защитные свойства. При уменьшении свободной кислотности усиливается шламообразование, и защитные свойства фосфатной пленки понижаются.
Большое содержание легирующих элементов в стали, например Cr, Si, Ni, затрудняет образование фосфатных пленок. Стали содержащие большое количество Cr, не взаимодействуют со свободной Н3РО4, и на них при химическом фосфатировании не образуются пленки.
Применение порошковых красок для защиты металла снизили требования к фосфатирующим покрытиям открыв широкое применение аморфным пленкам.
Масса аморфных фосфатных пленок на стали на один порядок меньше, чем масса кристаллических пленок. Поэтому защитные свойства аморфных пленок сравнительно ниже. Аморфные пленки рекомендуется применять в сочетании с полимерными покрытиями (металлопласты), которые способны выдерживать значительные деформации вследствие большой прочности сцепления фосфатированная сталь – полимер.
Процесс одновременного обезжиривания и фосфатирования
С целью снижения себестоимости получаемых пленок является применение технологи одновременного обезжиривания и фосфатирования деталей. Одним из предлагаемых материалов является композиция «Рускон-101».
При необходимости композиция может быть модифицирована для фосфатирования цинка и алюминия. Свойства фосфатного покрытия, получаемого из раствора фосфатирования , соответствуют требованиям стандарта LST ISO 9717 "Конверсионные фосфатные покрытия для металлов. Требования. Методы контроля". Масса получаемого фосфатного покрытия (0,5- 1,0) г/м2.
Композиция может быть использована для фосфатирования металлической поверхности как окунанием так и методом распыления.
Фосфатное покрытие должно быть равномерным, полностью покрывать металлическую поверхность. Покрытие должно быть сине-фиолетово-радужного цвета с серым оттенком, иногда оно приобретает желто-зеленый оттенок. Неравномерность цвета не является признаком недостаточного качества покрытия.
Определение коррозионной стойкости Коррозионную стойкость определяют методом капли по ГОСТ 9.302, применяя раствор 37.
Израсходованный раствор фосфатирования нейтрализуют раствором кальцинированной соды (Nа2СОз) или известью до рН 7,0-8,0. После осаждения шлама раствор направляется на станцию сточных вод. Окраску рекомендуется проводить не позднее как через 6 часов после фосфатирования.