高碳鋼線材高溫磷化工藝的研究和分析

賀磊 李曉明 賈越

摘 要： 通過研究磷化機(jī)理和鋅系高溫磷化工藝，分析溫度、酸濃度劑等因素對(duì)磷化膜形成的影響。通過大量生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定酸洗濃度范圍、磷化浸泡時(shí)間范圍等參數(shù)，以得到適合于金屬冷拔加工且延展性良好的等軸晶磷化膜。

關(guān)鍵詞： 高碳鋼線材;磷化工藝;研究和分析

【中圖分類號(hào)】TG174 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.33.224

1 引言

磷化是金屬材料前處理中應(yīng)用的一種生產(chǎn)工藝，這種技術(shù)在20世紀(jì)40年代起步，通過90年代的不斷完善，目前廣泛應(yīng)用于金屬制品行業(yè)。

我廠現(xiàn)有一條2010年投入使用的酸洗浸泡式磷化生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)5萬噸，其工藝流程為：

原料起吊→酸洗→高壓水沖洗→水浸洗→磷化→水洗→皂化

該生產(chǎn)線磷化液使用的是鋅系磷化劑，磷化采用高溫磷化工藝，磷化液原料總酸度要求在550點(diǎn)以上;磷化的高碳鋼線材用于拉拔生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備主要是水箱拉絲機(jī)?，F(xiàn)通過磷化在線材表面得到均勻細(xì)致、表面延展性高且具有一定厚度的磷化膜，使其滿足線材后續(xù)拉拔加工的條件。但隨著磷化液參數(shù)、工藝環(huán)境條件的不斷變化，磷化膜的重量及表面質(zhì)量都會(huì)隨之發(fā)生變化。因此需要根據(jù)不同因素的影響程度，確定最合理的磷化工藝參數(shù)要求。

1.1 磷化膜的構(gòu)成

正磷酸（H3PO4）是一種3價(jià)酸，能與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)3種鹽。根據(jù)不同的環(huán)境、條件形成1價(jià)、2價(jià)和3價(jià)磷酸鹽，當(dāng)然也會(huì)產(chǎn)生其他形式的酸性鹽和堿性鹽。通常1價(jià)、2價(jià)磷酸鹽呈現(xiàn)水溶性和不穩(wěn)定性，而3價(jià)磷酸鹽卻不溶于水、相較穩(wěn)定。對(duì)于目前后續(xù)拉拔工藝來說，表面晶體狀磷化膜要求3價(jià)磷酸鹽占比更多。

1.2 磷化膜的產(chǎn)生機(jī)理

磷化膜的產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，主要取決于1價(jià)磷酸鹽與3價(jià)、1價(jià)磷酸鹽的轉(zhuǎn)換。鋅系1價(jià)磷酸鹽會(huì)溶解形成2價(jià)磷酸鹽和3價(jià)磷酸鹽及游離酸，溫度對(duì)其變化和轉(zhuǎn)換起到關(guān)鍵作用。

①酸使線材金屬表面H+濃度下降：

2H++2e→2[H]→H2

②磷酸根離解和磷酸鹽結(jié)晶：

H3PO4→H2PO-4+H+→HPO42-+2H+→PO43-+3H+

3Zn2++2PO43-+4H2O→4H2O·Zn3（PO4）2（磷化膜）

在鋅系磷酸鹽中，必須要保證始終存在一定游離酸，抑制其水解反應(yīng)，保證磷化槽液的穩(wěn)定性。溫度的升高時(shí)會(huì)增加離解度，其化學(xué)反應(yīng)過快，會(huì)產(chǎn)生大量不必要的3價(jià)磷酸鹽沉淀。同時(shí)離解的平衡還受濃度影響，濃度越低離解度越高，游離酸也會(huì)越高，不斷加速磷化槽液惡化。因此濃度設(shè)計(jì)需要有適宜的工作溫度與濃度狀態(tài)。

對(duì)于高碳鋼線材的鋅鹽磷化膜來說，存在少量的鐵離子可提高抗腐蝕性，但當(dāng)鐵離子過高時(shí)，其耐腐蝕能力會(huì)大幅下降，導(dǎo)致磷化槽液就無法繼續(xù)使用。

1.3 促進(jìn)劑

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，陰極產(chǎn)生氫氣將會(huì)引起極化，使得磷化反應(yīng)速度逐漸變得緩慢。因此，需要采取一些有效措施來促進(jìn)磷化膜形成，如：添加一些重金屬鹽等。

2 磷化工藝

在試用該廠生產(chǎn)的磷化劑時(shí)，我們與廠家技術(shù)人員通過探討，展開各種試驗(yàn)方案，以望得到更有效的磷化工藝參數(shù)。

2.1 酸洗試驗(yàn)效果對(duì)磷化質(zhì)量的影響

在環(huán)境溫度有效，磷化液參數(shù)固定的條件下，試驗(yàn)不同鹽酸濃度、酸洗液鐵離子濃度的影響，見表1。

2.2 確定磷化膜膜重的因素及水平

影響膜重因素很多，為了提高試驗(yàn)效率，本次試驗(yàn)選取同一批號(hào)原料試樣，同樣添加量的促進(jìn)劑和相對(duì)固定的總酸和游離酸比值，見表2。

2.3 退膜實(shí)驗(yàn)

退膜前先進(jìn)行稱重，后在70-80℃三氧化鉻溶液中煮10-12min。退膜后再次稱重，根據(jù)公式計(jì)算得出數(shù)據(jù)并對(duì)關(guān)鍵試驗(yàn)做金相分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 酸洗

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在環(huán)境溫度為25-35℃情況下，影響鹽酸酸洗的主要因素是鹽酸氫離子濃度和三價(jià)鐵離子濃度。當(dāng)鹽酸氫離子濃度大于100g/m2，酸洗時(shí)間20-35min時(shí)，原料脫膜試驗(yàn)后的鋼基表面可以清洗干凈，不會(huì)影響后序磷化。當(dāng)鹽酸氫離子濃度小于100g/m2時(shí)，原料脫膜試驗(yàn)后的鋼基表面開始存在不同程度的污物或氧化鐵痕跡。當(dāng)鹽酸中鐵離子濃度大于150g/m2時(shí)，氫離子濃度大小、酸洗浸泡時(shí)間已不再產(chǎn)生影響，其脫膜試驗(yàn)后鋼基表面存在不同程度的污物或氧化鐵痕跡，且原料使用時(shí)存在脫膜，發(fā)亮的現(xiàn)象。

3.2 磷化

通過數(shù)據(jù)分析，三個(gè)影響因素都會(huì)對(duì)磷化質(zhì)量產(chǎn)生影響，其中磷化浸泡時(shí)間長短影響為主因，通過生產(chǎn)使用后得到：

磷化浸泡的最佳時(shí)間時(shí)間為3±0.5min;

磷化槽液的最佳控制溫度為70-75℃;

磷化的最佳總酸度值為55-65點(diǎn);

通過試樣金相組織的分析，發(fā)現(xiàn)金屬表面磷化是一個(gè)形核生產(chǎn)的過程，在浸泡1min時(shí)，枝狀晶格開始溶解，隨之時(shí)

間逐漸形成等軸晶。

4 結(jié)語

高碳鋼線材在浸泡時(shí)，前20秒的反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，20秒后開始快速反應(yīng)，在2-3分鐘會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，接近5min后反應(yīng)將會(huì)停止。通過金相分析，浸泡1min時(shí)枝狀晶快速形成，但其不是完整的膜，數(shù)量較少且表面較為粗糙;浸泡2min時(shí)已形成完成磷化膜，雖然磷化膜具有較好的延展性，但這種枝狀晶在拉拔過程中易發(fā)生脫落;浸泡3min，溫度控制75℃時(shí)形成的等軸晶磷化膜具有更好延展性，很適合拉拔加工。

參考文獻(xiàn)

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