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金属表面转化膜——磷化

信息来源:paintkey.com  时间:2008-03-06  浏览次数:160

  金属表面在除油、除锈后,为了防止重新生锈,通常要进行化学处理,使金属表面生成一层保护膜,该膜通常只有几微米,主要起增强涂层和底材附着力的作用,较厚的膜层还能增强防锈性能。常用的表面化学转化方法有氧化、磷化、钝化三种。其中,磷化是化学处理的中心环节,是一种大幅度提高金属工件耐腐蚀能力的简单可靠、费用较低、操作简便的工艺方法,在工业上应用很广。

  1 与磷化工艺相关的标准

  金属(主要指钢铁)经含有锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、铁(Fe)等磷酸盐的溶液处理后,在基底金属表面形成一种不溶性磷酸盐膜,此种过程称为磷化。磷化使金属表面形成一层附着良好的保护膜,以磷酸锌为例,在氧化剂的存在下,所生成的磷化膜为Zn3(PO4)2·4H20和Zn2Fe(PO4)2·4H20的结晶体。该磷化膜闪烁有光、灰色多孔(空隙率为表面积的0.5%~1.5%),膜厚通常为0.1~50μm。

  关于磷化工艺,我国和国际上都有相应的标准体系,可参照执行:

GB/T11376-1997金属的磷酸盐转化膜

GB/T6807-2001钢铁工件涂装前磷化处理技术条件

GB/T12612-1990多功能钢铁表面处理液通用技术条件

ISO9717-1990(E)金属的磷酸盐转化膜-确定要求的方法

ISOl0546-1993(E)化学转化膜-铝及铝合金上的漂洗和不漂洗铬酸盐转化膜

DIN50942-1973金属的磷化处理 方法原理、缩写符号和检验方法

ANSI/ASTM/AMS2480C 涂漆基体磷化处理

  2 磷化的作用

  磷酸盐转化膜应用于铁、铝、锌、镉及其合金上,既可当作最终精饰层,也可作为其他覆盖层的中间层,其作用主要有以下方面。

  2.1 提高耐蚀性

  磷化膜虽然薄,但由于它是一层非金属的不导电隔离层,能使金属工件表面的优良导体转变为不良导体,抑制金属工件表面微电他的形成,进而有效阻止涂膜的腐蚀。表1列出了磷化膜对金属耐蚀性能的影响。

  表1不同膜层保护钢的试样经盐水浸泡的耐蚀性能

保 护 膜 在3%NaCl溶液中首先出现腐蚀的时间/H

无覆膜

磷化膜

镀镍

镀铬

磷化膜加石蜡

两层烤漆

磷化膜加一层烤漆

长效防腐涂料

磷化膜加长效防腐涂料0.1

1

10~13

23~24

60

70

500h试验无腐蚀

1000h试验无腐蚀

>2000h试验无腐蚀

  2.2 提高基体与涂层间或其他有机精饰层间的附着力

  磷化膜与金属工件是一个结合紧密的整体结构。其间没有明显界限。磷化膜具有的多孔性,使封闭剂、涂料等可以渗透到这些孔隙之中,与磷化膜紧密结合,从而使附着力提高。

  2.3 提供清洁表面

  磷化膜只有在无油污和无锈层的金属工件表面才能生长,因此,经过磷化处理的金属工件,可以提供清洁、均匀、无油脂和无锈蚀的表面。

  2.4 改善材料的冷加工性能,如拉丝、拉管、挤压等。

  2.5 改进表面摩擦性能,以促进其滑动。

  3 磷化的分类

  磷化处理分类方法较多,工业上较为常用的有以下几种。

  3.1 按磷化膜种类分

可把磷化分为锌系、锌钙系、锌锰系、锰系、铁系、非晶相铁系六大类。

各种磷化膜的特点见表2。

表2 磷化膜分类及特征

磷化膜类别 磷化膜基本成分 铁基体单位面积膜层(g/m2)结晶类型

锌系Zn2Fe(PO4)·4H2OZn3(PO4)2·4H2O1~40定型晶结构,树枝状、针状、空隙较多

锌钙系Zn2Ca(PO4)2·4H2OZn2Fe(PO4)2·4H2OZn3(PO4)2·4H2O1~15 紧密颗粒状,有时有大的针状颗粒,空隙较少

锌锰系Zn2Fe(PO4)2·4H2O Zn3(PO4)2·4H2O(Mn,Fe) 5H2(PO4)4·4H2O1~40颗粒-树枝-针状混合晶型,空隙较少

锰系(Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O Mn3(PO4)2·3H2O酸式磷酸铁锰1~40密集颗粒状,空隙少

铁系Fe5H2(PO4)4·4H2O5~20颗粒状,空隙较多

非晶相铁系Fe3H2(PO4)2·8H2O Fe2O3 FePO4 2.5~1.5 膜薄,结构呈非晶相平面分布

  3.2 按磷化膜质量分类

  实际应用中,一般根据单位面积膜层质量(g/m2)衡量,可分为重量级、次重量级、轻量级、次轻量级四种。其作用见表4。通常膜薄附着力好,而膜厚耐蚀性好,涂装前处理所需膜层为0.5~7.5g/m2,一般锌系磷化膜控制在1~4.5g/m2,铁系磷化膜控制在0.2~1g/m2,与阴极电泳或粉末涂料配套时磷化膜控制在1~3g/m2。

  表3磷化膜质量与用途的关系

质量分类 膜质量/(g/m2)膜主要成分用途

次轻量级

轻量级

次重量级

重量级0.2~1

1.1~4.5

4.6~7.5

>7.5 磷酸铁、磷酸钙等

  磷酸锌等

  磷酸锌等

  磷酸锌、磷酸锰等 用于变形大的工件作底层

  作通用底层

  用于基本不变形的工件作底层

  作防锈用,不作底层

  3.3 按磷化处理温度分类

  3.3.1 高温磷化磷化处理温度为80~90℃。优点是配方成份简单,磷化速度快,磷化膜的耐蚀性、硬度及耐热性能较高。缺点是槽液温度高、耗能大、蒸发量大、沉渣多,成本高,形成磷化膜较厚且粗糙,一般不作涂装前的磷化。

  3.3.2 中温磷化磷化处理温度为60~75℃。优点是磷化速度较快,磷化结晶较细,耐蚀性能好,但磷化膜仍较厚,涂装后涂膜的光泽不好,一般适用于耐蚀性防护层及喷、刷漆的底层,但不适用于电泳及静电粉末喷涂的底层。

  3.3.3 低温磷化磷化处理温度为35~55℃。低温磷化成膜动力主要依赖配方中的促进剂等物质,形成的磷化膜薄而致密,平整光滑,槽液稳定,沉渣较少,能耗小,维护简便,使用综合成本低,是目前国内外涂装底层处理的主要技术。

  3.3.4 常温磷化常温状态下,不加温的磷化工艺。磷化成膜的动力完全依赖于配方中的促进剂成分。节能,减少设备投资,是新的发展趋势,但磷化速度较侵,对大批量产品不适用。磷化配方复杂,槽液维护调整难度较大,槽液浓度较高,但综合成本较低,是发展方向。

  3.4 按磷化处理工艺分类

  磷化工艺主要有浸渍法、喷淋法和涂刷法,其作用和特点如表4所示。

表4 各种磷化方法的特点

特点

浸渍法

喷淋法

涂刷法

膜厚

用途

适应性

生产规模

磷化温度

可获得各种厚度的膜层

各种用途

中小型各种形状的工件

小批量

各种温度

能获得中等和薄的膜层

涂料底层或工序间防蚀

大型工件

大批量

中、低温

能获得中等和薄的膜层

涂料底层或工序间防蚀

中小型工件

大批量

低温

  (1)浸渍磷化 适用于处理形状复杂的工件,沉渣量少,设备维护容易。缺点是磷化时间较长,处理浓度高,膜层结晶粗糙。

  (2)喷淋磷化 适用于处理几何形状较为简单的板材。由于喷射时的冲击力和磷化时的化学作用的结合,使喷琳磷化的速度提高,浓度较低,膜层结晶较为细密、均匀。缺点是工件内部部位不易磷化,还易遭受腐蚀,喷淋的沉渣较多,设备投资大,维护困难。

  (3)涂刷磷化 适用于大型钢铁构件的磷化或局部磷化,能获得中等和较薄的磷化膜,设备投资少,磷化方便。缺点是磷化膜不够均匀,受人为因素影响较大。

  其他分类方法还有按磷化促进剂类型分,可分为硝峻盐型、亚硝酸盐型、氯酸盐型、有机氮化物型、钼酸盐型等;按磷化后是否水洗分类,分为水洗型磷化液和不水洗型磷化液;按磷化槽液沉渣的多少分类,分为多渣型磷化和低渣型磷化;按促进剂是否单独补加分类,分为内含促进剂型磷化和促进刑单独补加型磷化;按磷化液中是否含亚硝酸盐和镍盐分类等。

  4 磷化膜的标志符号

  4.1 磷化膜的标志符号的顺序组成

  4.1.1 磷化膜类型,按表3所示的缩写符号表示。

  4.1.2 磷化膜用途的表示符号

  g-减摩;

  i-电绝缘;

  r-耐腐蚀和增强有机涂层或胶教剂的结合力;

  z-冷变形加工润滑。

  4.1.3 单位面积上的膜层质量,单位为g/m2,容许误差为土30%。

  4.1.4 磷化膜后处理方法的表示符号

  a-清漆,涂料或其他高分子材料封闭;

  d-无机或有机盐封闭;

  e-染色;

  f-浸涂油、脂;

  s-皂化;

  w-涂蜡。

  4.2 磷化膜的标志符号实例说明

  Znph·r·4·a

  Znph-锌系磷化膜;

  r-用于耐腐蚀和增强有机涂层或胶黏剂的结合力;

  4-单位面积上的膜层质量为(4土1.2)g/m2;

  a-后处理采用的清漆涂料或其他有机涂料。

  在实际应用中,标志符号的四个部分不一定全部写出,例如,对不需要进行后处理的工件其标志符号可仅由前三部分表示,如果需方没有给出单位面积上的膜层质量,则可选用表3或其他相应数值。

  5 磷化技术的发展

  国内磷化技术的研究起步较晚,20世纪80年代中期以后,随着汽车、电冰箱、洗衣机等家电行业的迅速发展和技术引进工作的加快,磷化技术逐渐被重视和推广应用。日本、德国、美国等工业发达国家从80年代中期以后,开始在中国设立磷化技术的专业公司,近几年来得到进一步扩大。国内从事磷化技术的研究院所和企业有:武汉材料保护研究所、兵器工业总公司第五九研究所、广州电器研究所、第一汽车制造公司、杭州五源科技实业有限公司、成都祥和磷化有限公司等。

  磷化技术的发展趋势是向着低温、低能耗的方向发展;向着低污染、低毒性方向发展;向着低浓度、低成本方向发展。

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