氧磷化工艺技术研究
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氧磷化工艺技术研究
摘要:本文针对氧磷化工艺技术进行了深入研究与分析。
首先介绍了氧磷化的定义和原理,强调了该工艺在现代工业生产中的重要性和应用前景。
随后,对目前存在的氧磷化工艺技术进行了综述,包括常见的湿法和干法氧磷化工艺,并深入探讨了各种工艺的特点、优缺点以及适用范围。
在研究中,我们发现了现有氧磷化工艺存在一些问题,如工艺复杂、耗能高、环境影响等。
针对这些问题,我们提出了一种创新的氧磷化工艺技术,并依据实验数据和模拟结果对其进行了评估。
关键词:氧磷化防锈耐蚀性工艺
(一)概述
化学磷酸盐处理简称磷化,是一种重要的研究领域,涉及到应用和发展中的化学和材料科学。
该技术的研究旨在开发高效、环保和可持续的氧磷化工艺,以满足日益增长的需求并减少对有限资源的依赖。
首先,氧磷化工艺技术的研究包括对氧磷化反应机理和动力学的探索。
其目标是深入理解在氧与磷之间发生的化学反应过程,以及反应速率和条件对产物的影响。
这种理论研究为优化酸、温度、催化剂和其他操作参数提供了理论基础,以实现更高的反应效率和产品质量。
其次,氧磷化工艺技术的研究还包括对催化剂的设计和开发。
催化剂在氧磷化反应中起着至关重要的作用,可以加速反应速率、调控产物分布和提高选择性。
研究人员致力于探索新型催化剂的合成方法、表征技术和催化机理,以提高催化剂的效率和稳定性。
此外,氧磷化工艺技术研究还关注绿色和可持续发展。
在工艺设计和开发的过程中,研究人员将努力降低能源消耗、减少废弃物产生,并优化产品分离和回收的方法。
他们还致力于减少有害物质的排放,并开发环境友好的氧磷化工艺,以确保可持续发展。
(二)磷化膜的主要特征有:
(1)磷化膜本身并不具有很高的耐蚀性,但磷化膜层经过浸油或涂漆处理
后组成的复合膜层可以对基体金属产生良好的保护作用。
(2)磷酸盐膜的孔隙率并不高,占膜体积的0.5%~1.5%,但膜层具有很好
的吸附性。
包括物理吸附和化学吸附。
(3)磷化膜层还具有不沾附熔融金属(Sn、Al、Zn)的特性,在钢铁零件
进行渗氮处理时,通常采用镀锡的方法对零件非渗氮区域进行保护。
为防止锡在
高温时流入渗氮区域,可以在欲氮化的表面进行磷
(三)氧磷化的机理
氧磷化处理所采用的溶液由磷酸钡、磷酸锌及磷酸二氢锌组成。
磷酸二氢锌,分子式为Zn(H2PO4)2,在常温下会发生水解:
Zn(H2PO4)2(溶于水)→ZnHPO4(不溶于水)+H2PO4
在加热情况下:
3ZnHPO4→Zn3(PO4)2+H3PO4(1-1)
3Zn(H2PO4)2→Zn3(PO4)2(沉淀)+4H2PO4(1-2)
可溶性的磷酸二氢盐水解可以生成不溶的磷酸一氢盐(ZnHPO4)和正磷酸盐(Zn3(PO4)2)沉淀在溶液底部。
在溶液中加入适当的氧化剂,如硝酸盐,能够起到加快反应速率的作用,其
反应机理如下:
Zn(NO3)2→Zn2++2NO3-(1-3)
2NO3-+12H++5Fe→N2↑+5Fe2++6H2O(1-4)
硝酸根离子在溶液中加速了金属铁的溶解,不断的将亚铁离子转化为正铁,
加快了反应速度,使生成的磷化膜细密牢固。
Fe2++NO3-
+2H+→Fe3++NO2↑+H2O (1-5)
3Fe3++3HPO42-+PO43-
→Fe2(H2PO4)3+FePO4↓ (1-6)
反应生成的磷酸铁盐和磷酸氢铁盐,一部分沉积在金属表面生成不溶于水的磷化膜,另一部分在槽底生成沉淀。
(四)试验
通过工艺试验,确定氧磷化工艺参数
4.1试验方法
4.1.1工艺流程
化学除油→热水洗→流动冷水洗→弱腐蚀→流动冷水洗→氧磷化处理→冷水洗→热水洗→吹干
4.1.2溶液成分
硝酸钡Ba(NO3)2 化学纯硝酸锌Zn(NO3)2 化学纯磷酸二氢锌Zn(H2PO4)2 化学纯
4.2试验内容
(1)膜层厚度与氧磷化时间关系
选取几组试件在氧磷化过程中保温不同的时间,测量氧磷化前后试件直径D 的变化,计算氧磷化的膜层厚度,进而摸索出氧磷化膜层厚度与时间的关系。
(2)膜层厚度与溶液温度关系
分别选用几组试样按工艺流程进行处理,在进行氧磷化处理时,分别选取不同的槽液温度,保温一定时间观察试件的外观是否可以生成氧磷化膜。
通过测量
氧磷化前后试样外径的变化,计算处氧磷化膜层的厚度,探索膜层厚度与温度的
关系。
(3)氧磷化膜层耐蚀性试验
对不同工艺参数下得到的试样,在室温下浸入3%的氯化钠溶液中浸泡15min,在室温下干燥后观察试件表面是否有锈蚀。
4.3结果讨论与分析
4.3.1膜层厚度与氧磷化时间的关系
表1膜层厚度与氧磷化时间的关系
通过分析实验数据可得,氧磷化进行2分钟时,试件表面不能有效的生成氧
磷化膜。
当氧磷化处理时间在3分钟到5分钟时,零件表面会生成氧磷化膜,此
时厚度很小,一般不超过3微米,膜层外观颜色呈灰黑色。
由试验所得到的数据
可以分析出。
从反应开始到反应进行5分钟的时间段内,氧磷化膜层处于生长阶段。
在3分钟到5分钟的时间段内膜层生长速度较快。
当反应进行到10分钟时,膜层生长速度变得缓慢,反应逐渐趋于平衡。
此时氧磷化膜的生长和溶解达到反
应平衡,膜层厚度基本保持不变。
4.3.2膜层厚度与溶液温度的关系
通过观察几组不同温度下氧磷化处理后的试件情况,确定能够生成氧磷化膜
的温度在73℃~85℃的温度范围内,当氧磷化处理的温度在73℃~78℃时,试
件氧磷化后的外观颜色为灰黑死至黑色。
膜层的光泽度与试件自身的表面粗糙度
有关,试件表面的光度越高,膜层颜色越显得光亮,氧磷化反应在较短的时间内
生成的膜层厚度很小,一般在零至几微米的范围内,不会对零件尺寸造成影响。
4.3.3氧磷化膜层耐蚀性能试验
将不同工艺参数处理后的试件,在室温下浸入3%的氯化钠溶液中浸泡15min,取出后用流动冷水冲洗。
将冲洗后的试件在室温下干燥30min后观察试件表面是
否产生锈蚀。
虽然生成的氧磷化膜层较薄,仅有几微米。
但膜层进行上述的防护
性试验后,在规定的时间内均未出现锈蚀等任何腐蚀现象,耐蚀性能均可以达到
使用要求。
4.3.4氧磷化膜的外观状态及微观形貌
选取3个同材料试片分别对其各自进行氧磷化,磷化及氧化处理,然后观察
三者的外观状态及膜层性能。
在图1中可以看出,氧化膜和氧磷化膜的外观状态均为黑色,其中氧化膜的
颜色更深一些。
但通过厚度测量可以发现,氧化膜的厚度仅在0.5μm左右,而
氧磷化膜的膜层厚度则可以达到3μm左右,甚至更厚。
磷化膜外观颜色呈均匀
的灰色,膜层致密,表面无明显斑点和锈蚀,外观合格,厚度为5μm左右。
(a)氧化膜(b)氧磷化膜(c)磷化膜
图1 氧化、氧磷化和磷化膜的照片(a.b.c)
从图2中可以看出,氧化膜和磷化膜的结晶组织都较为平整,与外部有较大
的接触面积,因此二者的摩擦性能较好。
而磷化膜的微观状态为疏松的结晶组织,因此附着力强,适合作为涂漆底层。
(a)氧化膜(b)氧磷化膜(c)磷化膜
图2氧化、氧磷化和磷化膜的微观形貌
从上述试验可以看出当氧磷化的温度低,时间短时,膜层生长速度慢,此时
的膜层厚度薄,耐蚀性差。
当控制温度在73℃~78℃,氧磷化处理时间3min~
5min时,可以得到质量较为稳定的膜层。
测量氧磷化的膜层厚度为(3~5)微米,膜层颜色为灰黑色至黑色,表面光滑均匀,具有一定的耐蚀性。
(五)结论
综上所述,经氧磷化处理的钢铁零件形成的氧磷化膜,由于膜层比氧化膜厚,其耐腐蚀性能在长时间摩擦后仍然能够保持良好。
因此,这种膜层既具备了氧化
膜的耐磨性,又具备了磷化膜对腐蚀的较好抵抗力。
因此,解决了氧化膜层过薄
导致容易被磨擦和耐蚀性变差的问题,还克服了磷化处理后表面粗糙、摩擦性能
差的缺点。
因此,非常适合于那些既需要抗摩擦又需要抗腐蚀的零件,可以在这
类零件的表面处理工艺中得到广泛应用。
参考文献
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