Фосфатирование металла

Фосфатирование используется для стальных изделий, не требующих декоративного вида, и заключается в обработке последних специальным химическим составом (соль Мажеф), в результате которой на поверхности стали образуется фосфатная пленка (фосфат железа) с высокими защитными свойствами.

1. Зачем и как применяется

Фосфатирование применяется для низколегированных и углеродистых сталей, чугуна, алюминия, цинка, кадмия и сплавов на основе меди. На высоколегированных марках сплавов защитный слой не отличается высоким качеством.

В зависимости от качества подготовки поверхности детали пленка может иметь разную кристаллическую структуру. Наиболее высокими защитными свойствами обладают мелкокристаллические пленки. Фосфатная пленка очень хорошо связана с основным защищаемым металлом (на молекулярном уровне), обладает отличной адгезией лакокрасочных и других покрытий (хорошо окрашивается), имеет высокую маслоемкость.

Фосфатная пленка не только предотвращает коррозию металла, но и является отличной грунтовкой под лакокрасочное покрытие. Она часто используется в автомобильной промышленности, поскольку не только улучшает адгезию краски к металлу, но и значительно замедляет коррозию под покрытием в случае повреждения краски.

Первые результаты исследований по фосфатированию металлов были проведены Дж. Р. Эвансом. Акимов Г.В. заложил основы метода ускоренного фосфатирования черных металлов. При пропитке (заполнении пор) фосфатных покрытий автор впервые предложил использовать растворы хромовой кислоты.

2. Получаемые характеристики: преимущества и недостатки

Толщина фосфатной пленки варьируется от 2-15 до 40-50 мкм, в зависимости от типа химической обработки, способа подготовки покрываемой поверхности, состава раствора и режима фосфатирования.

Прочность сцепления фосфатной пленки со сталью очень высока. Если обработанный фосфатами стальной лист согнуть, то фосфатное покрытие потрескается или разрушится при изгибе, но не отслоится, и дальнейшая коррозия не проникнет под покрытие.

Пластинчатые кристаллы фосфата создают развитую микропористую структуру фосфатной пленки. Поэтому фосфатная пленка хорошо впитывает и удерживает различные лаки, краски и смазки. Пленка обладает высокими электроизоляционными свойствами. Пробивное напряжение до 1000 В может быть дополнительно увеличено путем пропитки специальными изолирующими лаками. Термостойкость и электроизоляционные свойства сохраняются до 825-875 K.

Фосфатные пленки имеют высокоразвитую шероховатую поверхность и являются хорошей грунтовкой для лакокрасочных покрытий. Основными недостатками фосфатных пленок являются их низкая прочность и плохая эластичность.

Цвет фосфатных покрытий варьируется от светло-серого до темно-серого (почти черного). Светло-серые фосфатные пленки встречаются на цветных металлах и мягких сталях, которые подвергались пескоструйной обработке в жидкостях с повышенной кислотностью.

3. Виды фосфатирования

3.1 Химическое фосфатирование

Эта процедура применяется к металлам с непрочной структурой. К ним относятся: алюминий, низколегированная сталь, а также магний и цинк. Подтипом химического фосфатирования является аморфное фосфатирование. В этом процессе используются фосфаты железа.

3.2 Ускоренное фосфатирование

При использовании в растворах, содержащих нитраты, введение 50-70 г/л нитрата цинка в раствор с мажефом и повышенной кислотностью позволяет сократить время обработки до 10-20 минут. Такое решение позволяет наносить покрытие на критически важные компоненты, например, пружины с диаметром проволоки 0,5 мм.

3.3 Черное фосфатирование

Этот процесс используется для декоративной обработки металлических изделий. При этом на поверхности образуется черная пленка. Плотность этой пленки достаточна для придания дополнительной прочности любому изделию.

3.4 Цинковое фосфатирование

Используется для фосфатирования цинка и других сплавов на основе цинка. Были разработаны и оптимизированы два раствора: цинксодержащий и безцинковый. Цинковое фосфатирование дает наилучший защитный эффект, но стоит дороже остальных технологий.

3.5 Холодное фосфатирование

Более экономичный метод, так как раствор сохраняется в течение более длительного времени и нет дополнительных требований к безопасности (усиление местной вентиляции, покрытие ванн и т.д). Этот метод используется для нанесения покрытия методом распыления, а также для устранения дефектов и восстановления покрытия в условиях ремонта и эксплуатации.

3.6 Фосфатирование в нагретых растворах

Чаще используется в промышленности. Например, покрытия, содержащие соли железа и марганца, могут быть изготовлены из раствора с содержанием 20-40 г/л препарата мажеф, без перемешивания при температуре 92-98°С в течение одного часа.

3.7 Нормальное фосфатирование

Наилучший результат фосфатирования дает раствор, содержащий 30 – 33 г/л препарата Мажеф. Температура – 97-98°С. 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.

3.8 Электрохимическое фосфатирование

Электрохимическое фосфатирование может осуществляться с использованием переменного или постоянного тока. Полученная под воздействием тока пленка используется в качестве грунтовки для покраски.

При фосфатировании с переменным током в качестве электролита используются растворы мажефа, а также растворы, применяемые при ускоренном фосфатировании. Напряжение, подаваемое на стержни ванны, составляет 15-20 В. Электродами являются обрабатываемые заготовки.

4. Дополнительная обработка

Дополнительная обработка повышает защитные свойства фосфатных пленок. Такая обработка производится в растворах хрома, промасливанием, гидрофобизированием или окраской. Промасливание обычно производится веретенным или авиационным маслом при температуре 100-110°С, при этом существенно повышаются антикоррозионные и антифрикционные свойства детали. Гидрофобизирование заключается в создании дополнительно на поверхности деталей тонкой водоотталкивающей (гидрофобной) пленки.