鋼鐵零件磷化缺陷原因分析及解決方案

吳萬(wàn)平　姚殿民

【摘 要】本文針對(duì)鋼鐵零件磷化過(guò)程中，鋼鐵零件表面成膜時(shí)存在的主要缺陷問(wèn)題;介紹了生銹泛黃泛綠、掛白色浮灰現(xiàn)象的產(chǎn)生，分析形成生銹泛黃泛綠、掛白色浮灰現(xiàn)象的原因;并根據(jù)缺陷現(xiàn)象的成因，提出預(yù)防和解決該問(wèn)題的思路與方法。

【關(guān)鍵詞】生銹泛黃泛綠;掛白色浮灰;缺陷成因;解決方法

中圖分類號(hào)： TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.016

Cause Analysis and Solution of Phosphating Defect of Iron and Steel Parts

WU Wan-ping YAO Dian-min

（China Shipbuilding Industry Corporation N0.722 Research Institute， Wuhan Hubei 430079， China）

【Abstract】In this paper， the main defects existing in film forming on the surface of iron and steel parts during phosphating process are introduced， the occurrence of rust yellowing， greening and hanging white floating ash phenomenon is introduced， the causes of rust yellowing， greening and hanging white floating ash phenomenon are analyzed， and the ideas and methods to prevent and solve this problem are put forward according to the causes of the defects.

【Key words】Rusting; Yellowing; Greening; Hanging white floating ash; Causes of defects; Solutions

0 引言

鋼鐵零件浸入磷化液（某些酸式磷酸鹽為主的溶液），在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)換膜的過(guò)程，稱之為磷化。磷化膜具有微孔組織，經(jīng)填充、浸油或涂漆處理后，給基體金屬提供保護(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕;用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力;在金屬冷加工工藝中起減摩潤(rùn)滑作用。磷化的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜零件內(nèi)表面獲得保護(hù)膜層。這是其它許多電化學(xué)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，磷化工藝在金屬防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 磷化的分類

磷化工藝可根據(jù)其磷化液的主要成分和成膜離子的種類分為：鋅系、錳系和鐵系等;根據(jù)磷化處理過(guò)程中，磷化液溫度的高低又可以分為：高溫、中溫、常溫磷化。

2 磷化的原理

磷化過(guò)程包括化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)。不同磷化體系、不同基材的磷化反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜。科學(xué)家在這方面已做過(guò)大量的研究，隨著對(duì)磷化研究逐步深入，當(dāng)今各學(xué)者比較贊同的觀點(diǎn)是磷化成膜過(guò)程為：將鋼鐵件浸入磷化液組成的酸性稀水溶液（PH值為1～3，溶液相對(duì)密度為1.05-1.10）中，酸的浸蝕使基體金屬表面氫離子濃度降低，產(chǎn)生的氫原子;加入促進(jìn)劑氧化掉所產(chǎn)生的氫原子生成水，進(jìn)一步降低了金屬表面氫離子的濃度。同時(shí)也將溶液中的二價(jià)鐵氧化成為三價(jià)鐵。由于金屬表面氫離子濃度的急劇下降，導(dǎo)致磷酸根多級(jí)離解;當(dāng)金屬表面離解出的磷酸根與溶液中（金屬界面）的金屬離子（如二價(jià)鋅、二價(jià)錳、二價(jià)鐵）達(dá)到溶度積常數(shù)時(shí)，就會(huì)形成磷酸鹽沉淀，磷酸鹽沉淀與水分子一起形成磷化晶核，晶核繼續(xù)長(zhǎng)大成為磷化晶粒，無(wú)數(shù)個(gè)晶粒緊密堆積形成磷化膜。磷酸鹽沉淀的副反應(yīng)將形成磷化沉渣。

3 磷化的掛灰、泛黃泛綠現(xiàn)象

磷化膜正常外觀應(yīng)為結(jié)晶致密、連續(xù)均勻的淺灰到深灰色膜，膜層應(yīng)結(jié)晶致密、連續(xù)和均勻。但是，如果在實(shí)際操作過(guò)程中，沒(méi)有掌控好相關(guān)工藝參數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)生銹泛黃泛綠、掛白色浮灰的現(xiàn)象，不能形成完整的磷化膜，防護(hù)能力降低，耐熱性也有所降低。分析其主要原因如下：

3.1 工序間隔時(shí)間

各個(gè)工序間的間隔時(shí)間如果太長(zhǎng)，會(huì)造成工件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中二次生銹，特別是經(jīng)過(guò)酸洗工序之后的零件，其表面上常常會(huì)殘留一些殘?jiān)徒佑|銅;零件極易在空氣中氧化生銹泛黃泛綠。生銹泛黃泛綠的零件，嚴(yán)重影響磷化效果，造成零件泛黃泛綠，不能形成完整的磷化膜。

3.2 含雜質(zhì)的水清洗零件

工業(yè)用自來(lái)水中，一般含有Na+、Mg2+、Ca2+、Fe2+等陽(yáng)離子以及Cl-、SO42-、SHO3-等陰離子;還可能含有某些有機(jī)物。水中總可溶性固體含量在200～700×10-4%范圍內(nèi)，氯化物含量在8～200×10-4%范圍內(nèi)，PH值也各異。井水的情況則更為復(fù)雜。水中含有的這些雜質(zhì)對(duì)各種鍍液會(huì)帶來(lái)不利影響。水質(zhì)對(duì)鍍層的影響中，最常見(jiàn)的是水痕。但是其影響并非僅限于此，以含有雜質(zhì)的自來(lái)水或者井水清洗零件，造成零件的耐蝕性不合格的情況時(shí)有發(fā)生。然而這種影響往往不被人重視。例如：Fe2+在高溫磷化中很不穩(wěn)定，容易被氧化成Fe3+并且轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣哞F沉淀，從而導(dǎo)致磷化溶液渾濁，造成游離酸度、總酸度以及促進(jìn)劑含量的波動(dòng)，影響磷化結(jié)晶的生成。

3.3 槽體、加熱管材料選擇不當(dāng)及零件結(jié)構(gòu)不合理

對(duì)于槽體材料、加熱管材料的選擇，如果選擇不當(dāng)槽體、加熱管，酸洗時(shí)可能會(huì)被加劇腐蝕并產(chǎn)生金屬渣，導(dǎo)致磷化液的污染影響磷化成膜。對(duì)于某些管形件或易形成死角的零件，因零件結(jié)構(gòu)易存水不利于排水，將會(huì)產(chǎn)生積液引起局部過(guò)度腐蝕，同樣會(huì)產(chǎn)生金屬渣，并且殘余液體、金屬渣不易清除，將極大地影響磷化膜的質(zhì)量。

4 解決方法

針對(duì)磷化缺陷產(chǎn)生的主要原因，采取下面解決辦法：

4.1 恰當(dāng)?shù)墓ば蜷g隔時(shí)間

工序間最好設(shè)有水膜保護(hù)，可減少生銹;所以應(yīng)盡量縮短工序間的間隔時(shí)間。但是工序間的間隔時(shí)間若太短，零件存水處的水，不能完全有效地瀝干，產(chǎn)生串槽現(xiàn)象，特別在噴淋方式時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互噴射飛濺串槽，使槽液成分不易控制，甚至槽液遭到破壞。因此在考慮工序間隔時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件幾何尺寸、形狀，選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)墓ば蜷g隔時(shí)間。

4.2 溢流水清洗

水洗時(shí)如果使用了含雜質(zhì)的水清洗零件，導(dǎo)致磷化溶液游離酸度、總酸度以及促進(jìn)劑含量的變化;此時(shí)應(yīng)對(duì)溶液進(jìn)行維護(hù)：（1）游離酸度高時(shí)，加入N55，游離酸度低時(shí)，加入PA277-100A;（2）總酸度高時(shí)，讓其自然降低，總酸度低時(shí)，加入PA277-100A;（3）促進(jìn)劑高時(shí)，讓其自然降低，促進(jìn)劑低時(shí)，加入PA277-100C;質(zhì)量要求高的電鍍企業(yè)，對(duì)清洗水質(zhì)有明確的規(guī)定，如航空工業(yè)中的電鍍企業(yè)，在對(duì)電鍍零件進(jìn)行前處理清洗時(shí)用軟化水;要求軟化水中氯離子的含量Cl-<15×10-4%，總鹽含量<50×10-4%;提倡溢流水洗，以保證工件充分清洗干凈，減少串槽現(xiàn)象。溢流時(shí)應(yīng)該從底部進(jìn)水，對(duì)角線上部開(kāi)溢流孔溢流。

4.3 選擇正確槽體、加熱管材料及零件結(jié)構(gòu)

雖然對(duì)于槽體加熱管材料的選擇，不是磷化工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容，如果在工藝設(shè)計(jì)時(shí)不予提醒，可能會(huì)造成設(shè)備設(shè)計(jì)人員的疏忽，而影響整個(gè)生產(chǎn)線的正常有效地運(yùn)行。對(duì)于硫酸、鹽酸酸洗時(shí)，其槽體材料只能選用玻璃鋼、花崗巖、塑料，加熱管只能選用鉛銻合金管、陶瓷管，而不能選用不銹鋼材料。如果是采用磷酸酸洗，其槽體及加熱管材料均可選用不銹鋼材料，當(dāng)然玻璃鋼、塑料、花崗巖均可。對(duì)于某些管形件或易形成死角存水的工件，必須選擇適當(dāng)?shù)奈恢勉@好工藝孔，保證水能在較短的時(shí)間內(nèi)充分流盡。否則會(huì)造成串槽或者要在空氣中長(zhǎng)時(shí)間瀝干，發(fā)生再次生銹，影響磷化效果。

對(duì)于任何一種磷化液都會(huì)或多或少地產(chǎn)生沉渣，除采取以上三項(xiàng)措施以外，平時(shí)還要對(duì)磷化溶液中沉淀物進(jìn)行打撈除渣，防止磷化溶液老化;應(yīng)在磷化工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須選擇具有磷化除渣裝置的磷化生產(chǎn)線，特別是噴淋磷化時(shí)，除渣裝置必不可少。典型的除渣裝置有：斜板沉淀器、高位沉淀塔、離心除渣器、紙布袋濾渣等都可供選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

磷化膜生銹泛黃泛綠，主要產(chǎn)生于前處理過(guò)程;而掛白色浮灰現(xiàn)象則發(fā)生于磷化膜成膜過(guò)程中;只要對(duì)零件進(jìn)行正確有效的前處理，平時(shí)做好磷化液的維護(hù)，可避免發(fā)生生銹泛黃泛綠現(xiàn)象。加強(qiáng)磷化前的中和與水洗;調(diào)整游離酸度與總酸度的比值（總酸度<30時(shí)），以防止游離酸度過(guò)高，造成零件過(guò)度腐蝕;控制磷化反復(fù)次數(shù)，補(bǔ)充硝酸根離子，補(bǔ)足硝酸鋅，防止磷酸鹽缺失;同時(shí)沖洗干凈零件表面上殘留的磷化溶液，并及時(shí)進(jìn)行后處理;這樣可有效抑制磷化膜掛白色浮灰現(xiàn)象的發(fā)生，提高零件的抗腐蝕能力。

【參考文獻(xiàn)】

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