Фосфатирование металла

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

Химическая обработка стали

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:

A (кг) = (30-n)*V/1000

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):

Вариант №1

• препарат МАЖЕФ — 30-40;
• цынк азотнокислый Zn(NO3)26Н2O — 50-60.

Вариант №2

• препарат МАЖЕФ — 45-50;
• цынк азотнокислый Zn(NO3)26Н2O — 70-80:
• натрий фтористый NaF.

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.

Проблемой защиты металла от коррозионного разрушения человечество озабочено с тех пор, как научилось выплавлять из руды медные изделия.

С тех пор производство стали значительно усовершенствовалось, разработаны и новые способы защиты от коррозии. Но несмотря на значительные достижения в этой области, обеспечить 100% неподверженность разрушению подобных изделий, в условиях земной атмосферы, практически невозможно.

Одним из наиболее совершенных способов предохранения железа от воздействия неблагоприятной среды и придания его поверхности повышенной износостойкости является фосфатирование.

Фосфатирование: действие защитного механизма

Фосфатирование металла представляет собой процесс покрытия поверхности цветных и чёрных сплавов тончайшей фосфатной плёнкой, которая надёжно защищает поверхность от ржавчины.

В узлах, работа которых сопряжена с постоянным процессом трения, данная технология позволяет значительно увеличить износостойкость контактируемых поверхностей. Процессу фосфатирования поддаются практически все сплавы, за исключением высоколегированной стали, на которой фосфатная плёнка образуется очень низкого качества.

Этот способ защиты металла от разрушения позволяет в течение очень длительного времени эксплуатировать изделия в следующих условиях:

• Повышенной влажности.
• Воздействию моторных масел.
• В среде органических растворителей.
• В электроустановках с напряжением до 1000 В.
• В качестве грунта под лакокрасочным покрытием.

Фосфатная плёнка отлично защищает основной материал в перечисленных условиях, но в щелочной и кислотной среде быстро разрушается. Поэтому прежде чем приступать к покрытию металла для защиты от разрушения, необходимо точно знать состав среды, где будет эксплуатироваться изделие, поверхность которого подверглось процессу фосфатирования.

Методы фосфатирования

Получение защитной фосфатной плёнки на поверхности можно различными способами, целесообразность которых зависит от габаритов обрабатываемой детали, а также от области применения защищённых таким способом металлических деталей и конструкций.

В промышленности наиболее часто используются следующие методы фосфатирования металлической поверхности:

1. Использование препарата «Мажеф».

Наиболее распространённый способ фосфатирования, который осуществляется в специальных фосфатирующих ваннах, наполненных раствором препарата «Мажеф» в концентрации до 40 г/л. Для образования устойчивой фосфатной плёнки, металлическое изделия помещают в раствор препарата, доводят его до кипения и при периодическом помешивании кипятят в течение 15 — 20 минут. Этого времени достаточно для покрытия металла защитным слоем.

Для того чтобы фосфатная плёнка образовалась надлежащего качества с толщиной защитного слоя до 5 — 10 мкм, поверхность изделия необходимо зачистить с помощью пескоструйного аппарата или абразивного круга.

Фосфатирование металла с помощью препарата «Мажеф» может быть использовано для покрытия низкоуглеродистой стали, особенно часто данный метод используется для получения качественного антикоррозийного грунта под покраску.

Видео:

2. Применение фосфорной кислоты.

Данный метод позволяет получить холодное фосфатирование металла, но толщина защитного слоя, в данном случае, будет не более 5 мкм.

Для протекания стабильного процесса фосфатирования данным методом температура раствора должна быть в диапазоне от +18 до +25 градусов. Для получения высококачественного защитного слоя, необходимо чётко соблюдать процентное соотношения действующих веществ входящих в состав раствора.

Концентрация химикатов должна быть следующая:

1. Фосфорная кислота — 40 г/л.
2. Азотнокислый цинк — 200 г/л.
3. Сернокислый натрий — 8 г/л.
4. Окись цинка — 15 г/л.

Продолжительность обработки таким раствором составляет около 30 минут.

3. Использование монофосфата цинка.

Данный способ применяют для защиты стали применяемой в электрике и машиностроении. Защищаемую поверхность помещают в раствор следующих химикатов:

1. Монофосфат цинка — 20 г/л.
2. Нитрат натрия — 35 г/л.

Процесс фосфатирования осуществляется в растворе при температуре около +60 градусов. Продолжительность данной операции составляет 15 — 20 минут.

4. Применение фосфатирующей пасты.

Данный способ может быть использован при комнатной температуре. Рабочий состав пасты состоит из фосфатирующего раствора и наполнителя в соотношении 3/2. В качестве наполнителя может быть использован тальк или каолин. На обрабатываемую поверхность раствор наносится с помощью кисти.

В домашних условиях могут использоваться методы защиты металлов, которые не получили широкого применения на производстве. Одним из таких способов покрытия поверхности защитной фосфатирующей плёнкой является электрохимическая обработка.

Для нанесения на поверхность защитной плёнки применяется переменный или постоянный ток. В качестве электролита используются раствор фосфорной кислоты или препарата «Мажеф».

Заготовка, на которую планируется нанести защитный слой устанавливается на электрод, который будет опущен в ванну с электролитом, в качестве анода используются цинковые стержни, к которым также подводится электричество.

Для качественной обработки металла достаточно 25 В постоянного или переменного тока. Процедура нанесения защитного слоя занимает около 30 минут. Данный способ фосфатирования идеально подходит для защиты деталей прямолинейной формы.

Если геометрия изделия подвергаемого таким способом обработки сложнее, то фосфатирующий слой ложится недостаточно равномерно, что значительно снижает защитные свойства данного метода нанесения фосфатной плёнки.

Видео:

Многие методы фосфатирования, которые используются на производстве, могут быть применены в домашних условиях, при условии соблюдения техники безопасности при обращении с химическими составами, а также точного следования методики нанесения защитного слоя.

Препарат «Мажеф» может быть использован в домашних условиях. Применение данного химического соединения позволяет нанести на поверхность изделия фосфатную плёнку, которая является идеальным грунтом для окраски.

Видео:

Фосфатирование металла перед покраской, надёжно защитит кузов автомобиля от воздействия ржавчины, даже в тех местах, где краска будет удалена в результате механического воздействия. Перед тем как приступить к нанесению защитного слоя, с поверхности удаляется пыль и грязь, также необходимо тщательно обезжирить поверхность металла.

Можно обойтись без самостоятельного приготовления рабочей смеси, для этого можно приобрести готовые растворы в аэрозольной упаковке, с помощью которых можно осуществить равномерное распыление вещества. Покраску можно будет производить только после того, как обработанный участок полностью высохнет.

Некоторые фосфатирующие составы для защиты металла, можно наносить кистью. При таком варианте нанесения защитной плёнки, необходимо следить за равномерностью распределения фосфатирующей грунтовки по поверхности изделия.

Если обрабатываемая деталь небольшого размера, то в домашних условиях можно осуществить горячий способ нанесения защитного покрытия. Для этой цели используется «Мажеф» или смесь фосфорной кислоты и азотнокислого цинка. При проведении такой операции следует соблюдать осторожность и использовать защитные приспособления для глаз, а работу производить в хорошо проветриваемом помещении.

Видео:

P.S. Применение фосфатирования металла позволяет избежать возникновения ржавчины, поэтому не стоит пренебрегать данным способом защиты поверхности. Несмотря на то, что данный способ применяется, чаще всего для предохранения чёрных сплавов от разрушения, его можно использовать и для покрытия меди, кадмия и алюминиевых изделий.

Детали из алюминия после обработки таким методом надёжно защищаются от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, при этом на поверхности образуется голубоватый налёт, который может иметь декоративное назначение. Данная технология широко используется при изготовлении сувенирной продукции, но прежде всего применяется для защиты алюминия, при его размещении в помещениях с высоким уровнем влажности.

Снятие краски и ржавчины

Очистка металла от коррозии и старого слоя краски может осуществляться тремя способами:

• химическим;
• механическим;
• термическим.

Механический способ

Такой метод, считающийся наиболее эффективным, подразумевает удаление ржавчины и краски вручную либо при помощи механизированного инструмента. Обработка может выполняться:

• проволочными щетками;
• шлифовальными дисками;
• посредством пескоструйного агрегата;
• гидроабразивным способом (выполняется только на промышленных предприятиях).

Химическая обработка

Обработка химическим способом основана на воздействии на ржавчину химических веществ, распыляющихся на поверхность либо наносящихся кистью.

Удаляющие ржавчину составы делятся на два типа:

• смываемые;
• несмываемые.

Недостатком смываемых средств является вероятность появления на металле новых очагов коррозии, потому после обработки поверхность должна быть немедленно просушена и обработана антикоррозийными составами.

При обработке ржавчины несмываемыми составами в результате химической реакции на поверхности металла образуется своеобразный слой грунтовки, который нельзя смывать водой.

Обработку металлоконструкций чаще всего выполняют:

• раствором серной либо соляной кислоты (5%-й) с добавлением ингибитора коррозии;
• ортофосфорной кислотой (15-30%-я эссенция), преобразующей ржавчину в защитное покрытие;
• смесью 50 гр. оксипропионовой кислоты на 100 мл вазелинового масла, под воздействием которой ржавчина превращается в соль и легко счищается с поверхности тряпкой.

Термический способ

Удаление краски с металлических поверхностей термическим методом подразумевает использование паяльной лампы. Металл подвергается нагреванию до постепенного отслаивания лакокрасочного покрытия, легко удаляющегося шпателем либо металлической щеткой.

Главное достоинство такого способа – значительная экономия времени, а основной недостаток – пожароопасность и некоторые ограничения по типам поверхностей. Обрабатывать листовой и оцинкованный материал, чугун таким методом нельзя – поверхность при этом деформируется, нарушается целостность конструкций.

Обезжиривание металла

Обезжиривание конструкций выполняется для обеспечения хорошего слипания металла с лакокрасочным составом и грунтовкой.

Для обезжиривания металла перед покраской в принципе можно применять любые составы, удаляющие органические вещества и жиры. Но все же, лучше использовать комплексные соединения, преобразующие ржавчину в полезный слой и предотвращающие ее появление в будущем:

• уайтспирит;
• номерные нитрорастворители;
• обезжириватель на сложных спиртах;
• керосин.

В качестве средства для обезжиривания не рекомендуется использовать бензин, так как в результате воздействия его на поверхность появляется невидимая глазу масляная пленка, ухудшающая адгезию с краской.

Обезжиривание необходимо выполнять в хорошо вентилируемых помещениях с постоянной циркуляцией воздуха, так как пары большинства использующихся химических веществ очень токсичны. Во избежание отравления рекомендуется надеть респиратор, работать в резиновых перчатках и защитных очках – при попадании в глаза любого растворителя не избежать химического ожога слизистой.

Фосфатирование металлических поверхностей

Фосфатирование – это процесс покрытия поверхностей черных либо цветных металлов тонкой пленкой, защищающей ее от образования ржавчины и улучшающей адгезию с окрасочным составом.

Применение такой технологии позволяет значительно улучшить устойчивость к износу контактирующих деталей в узлах трения. Метод может быть реализован практически для всех сплавов, кроме высоколегированной стали – на ней появляется фосфатная пленка недостаточно высокого качества.

Для чего выполняется фосфатирование?

Фосфатирование металла перед покраской выполняется в целях обеспечения поверхности надежной защитой от коррозионных процессов в местах, очищенных от старой краски и ржавчины механическим способом. Перед нанесением защитного слоя металлические конструкции или изделия необходимо тщательно очистить от пыли и грязи, а также обезжирить.

Такой способ защиты конструкций из металла допускает их эксплуатацию в условиях:

• воздействия автомобильных масел и топлива;
• в электроустановках до 1 кВ;
• высокой влажности;
• в средах с органическими растворителями;
• нахождения под лакокрасочным покрытием.

Образующаяся пленка способна надежно защитить металл в указанных выше условиях, но быстро разрушается в агрессивных кислотной и щелочной средах. Потому перед выполнением фосфатирования нужно определить состав среды, в которой будет эксплуатироваться металлическое изделие.

Способы фосфатирования

Образование фосфатной защитной пленки на поверхности металла получается несколькими способами, возможность и целесообразность реализации которых зависит от размеров конструкции и области ее применения.

Чаще всего используются такие методы:

• обработка поверхности препаратом «Мажеф», допускающаяся даже для низкоуглеродистой стали, в результате образуется качественная грунтовка с антикоррозийными свойствами;
• использование фосфорной кислоты или «холодное фосфатирование», при котором толщина защиты составляет не более 5 мкм;
• применение монофосфата цинка, использующегося преимущественно в машиностроительной и электроэнергетической отраслях;
• обработка фосфатирующей пастой.

Для подготовки металла под покраску необходимо выполнять ряд обязательных процедур, без которых невозможно качественное окрашивание и, соответственно, продолжительная эксплуатация металлических конструкций.

Вам также может быть интересно узнать, какая краска для забора металлического подходит лучше всего в вашем случае. Об этом читайте в статье о покраске металлических ограждений.

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:

Me + 2H3PO4 → Me(H2PO4)2 + H2.

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;

3Me(H2PO4)2 ↔ Me3(PO4)2 + 4H3PO4 – образуется трехзамещенная соль, 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 % SO42-, 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 Fe2+ до Fe3+.

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/дм2. 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).

Ижметиз серийно производит автоматические подвесочные и барабанные линии химического фосфатирования стальных деталей: применяется как защитное средство перед порошковой покраской, временным хранением (перевозкой) или межоперационная обработка поверхности с целью увеличения ресурса оснастки прессового оборудования (под экструзию, приработку штампа). Продукт обработки линии фосфатирования имеет светло серый цвет, с шероховатой поверхностью (с промасливанием, омылением). Широкое применение получило оборудования для фосфатации Муфт НКТ и других габаритных деталей, используемых в агрессивной среде масла, бензина (а также резьбовых окончаний бурильных труб).

Характеристики автоматической линии фосфатирования Гальватрон для деталей до 1400 мм:

— Производительность: средняя загрузка 80 кг или 650-800 дм2; Темп выхода 3 шт/час;

— Основной персонал: ведущий специалист и помощник (межцеховое перемещение, плановый ремонт), трансопртировка балок автоматическая. Управление температурой и выпрямителем тока — с интерфейса ПО. Возможна работа в режиме полуавтомат.

— Площадь под оборудование ДШВ: 14х3,5х4,5 м.

— Толщина покрытия 5-25 мкм с промасливанием (максимально до 30 мкм) «Хим.Фосф. с Прм», либо без промасливания.

* Габариты оборудования и выходные характеристики подбираются под задачи заказчика.

При фосфатировании на подвесах остаются контактные пятна в местах крепления, но детали при покрытии не экранируют. Структура фосфатной пленки пористая (мелкокристаллическая), благодаря чему повышается адгезия поверхности. По ГОСТ 9.402-2004 «Хим.Фосф» подготовка перед порошковой окраской. При эксплуатации изделий в кислотной или щелочной средах фосфатная пленка быстро разрушается.

Равномерность фосфатирования внутренней резьбы зависит от конфигурации завеса, минимизации вероятности воздушных пробок в местах внутренней резьбы; возможно дооснащение ванны покрытия устройством покачивания подвеса. Следует отличать оксидирование от фосфатирования по цвету: ярко черный и светло серый (для саморезов применяются оба вида покрытия).