关于磷化工序地浅解

关于钢丝〔盘条〕磷化的浅解

1．0磷化的目的和基本原理：

1．1钢丝表面涂着物的特性：

钢丝的加工和使用，要求材料在保存或加工过程和加工结束后的一定时间段内，材料表面不产生锈蚀或表面涂着物不产生潮解；在加工过程中得到低的摩擦系数。

钢丝因再加工和使用的需要，钢丝表面选择的涂着物有：涂石灰、涂硼砂或其类似物、电镀金属、磷化等。电镀金属仅是在一些特殊产品的要求而使用。

涂石灰是早期钢丝生产工艺中广泛使用的方式，它成本低；但是这种方式在再加工时产生粉尘有害健康且不适应高速拉拔。

涂硼砂是适用于高速拉拔且成本低廉的方式。虽然它易于潮解，但对涂后的中间品有适当的管理措施是可以避免的。且特别在涂后直接拉拔的工艺是被广泛选用。目前国外虽开始限制使用硼砂产品，因此出现其类似物。但是这种涂层只适用于中间产品的表面而不适用于最终产品的表面；因为它抗锈蚀能力差，但强于石灰涂层。

磷化的涂着层具有一定的抗锈蚀能力，和具有一定的电抗；在后加工过程中得到低的摩擦系数。好的磷化膜本身具有很好的塑性，在变形中能够很好地保持其连续性；

同时，它不仅能和皂——硬脂酸钠，发生反应产生更有利于润滑的金属皂类，而且其表面又可以很好地附着皂液和润滑剂；这有利减小变形摩擦因数、减少模具磨损。

1．2 磷化膜的形成和特性：

1．2．1 磷化技术的机理：

磷化处理过程是化学与电化学反应过程，主要是由下述步骤组成：

a．酸的浸蚀使基体金属表面 H+ 离子浓度降低。当金属表面与酸性磷化液接触时，钢丝表面被溶解，使金属与溶液中酸反应产生氢，从而使界面的 PH 值上

升，以致磷酸锌〔以锌系为例〕沉积于钢丝表面。由于亚铁在溶液中的存在，

不论因酸后的带入还是在槽内反应产生，磷酸铁锌也同时沉积于钢丝表面。

其总反应方程如下：

5Zn(H2P04)2+Fe(H2P04)2+8H20--+ Zn 3(P04)2。4H20+ Zn 2Fe(P04)2。4H20+ 8 H3P04

磷酸盐沉淀的副反应将形成磷化沉渣，即亚铁离子被氧化后同磷酸反应生成磷

酸铁在溶液中沉淀：

Fe³¯+ P04³¯＝＝FeP04

但是在这钢丝表面的二种磷膜沉积物有不同的特性；称前者Zn 3(P04)2。4H20称为

H 相，H 相晶体呈棒状，继续磷化时层结构呈层状结构，与钠皂反应生成润滑性能

良好的锌皂。在后期的加工变形中能很好保持连续性。

— 1 —

这结构可以避免脱落和确保润滑效果。

Zn 2Fe(P04)2。4H20称为 P 相，P相晶体呈球状且是多孔性，结构较疏松，不利于

皂化反应；而利于吸附皂液以增加其表面润滑效果。

对于用于拉拔的磷化涂层我们需要H 相，因为它有良好的延展性和同皂液生成硬脂

酸锌而使拉拔摩擦系数降到左右。但是一般的条件下，P相在磷膜中无法避免它的

存在，H相与P相的比例随磷化条件而异。这两相含量的比例称为P比，P比是P/〔P+H〕。

对于要求耐腐蚀性的涂层希望涂层的P比高；而对需塑性再加工的希望P比低。

铁离子被氧化后同磷酸生成磷渣。但是在磷渣中同时存在磷酸锌。研究报告表明：

磷化渣中：FeP04·2H20约50．4％：Zn3(P04)2约35．49％。

1．2．2 磷化膜的性能

a．耐蚀性：

磷化膜的厚度一般在3～15 g/m2之间，甚至要更厚，取决于材料的要求和磷化液的

成份及工艺参数。耐蚀性能由工艺配方和工艺条件、磷化膜成分、结构、膜厚和环

境条件等决定。例如研究表明，不同的磷化液酸比值对磷化膜的耐蚀性影响也很大；

随着磷化液酸比值的增加，磷化膜的硫酸铜点滴时间增加，即磷化膜的耐蚀性有所提

高。

磷化膜在大气条件下很稳定，能起防止钢铁生锈的作用。主要作用于工序间和库存

等室内的防锈，防锈期较短，一般不用于户外。

检验耐腐蚀方法见 GB 6807。简易法可用CuSO4的配方，30 S为指标。或NaCl配方，

1 h为指标。也可用中性盐雾试验，见GB/T 11376。

定量的测量方法：

耐碱性：l浓度NaOH，25℃条件下，5分钟的減重。

耐酸性：PH=2的酸液中的溶解量来评估。

b．耐热性

在温度高于106℃时，磷酸锌膜重量开始变化，直到109℃失重为止。温度继续升

高到420℃，一直保持恒重。一般认为它可耐热至500℃。

c．电性能

磷酸盐膜是高电阻层膜，有很好的电绝缘性。它的击穿电压约为240～250V。

d. 牢固程度：

牢固程度，有两个内容，即：同基体结合的牢固程度；和膜本身的结构的结合牢固

程度。

再加工时的涂层损失说明其牢固程度。牢固程度与磷膜结构、加工条件有关。按产

品的技术性能的需要经常一定工艺条件下保持加工后具有的膜结构和保持一定膜

厚。

这种膜的加工的牢固程度可以用用涂层损失〔f〕来恒量。

1－f ＝g1d0/g0d1

— 2 —

d1g1——加工后直径和涂层厚

d0g0——加工前直径和涂层厚

涂层损失愈小表示膜结构牢固程度愈优。

中科院有个专利。但需用脉冲信号，需要用专用儀器。

e再加工的润滑性：

其润滑性能同膜的结构和P比、磷化后工序—皂化工序有关。〔见下：，〕

磷化的工艺

配方：

目前的钢丝行业较多使用中温磷化。磷化反应是吸热反应，因此要加热进行磷化。加热温度逾高则反应加快。若企图降低温度又要求一定的反应速度则需用促进剂。现在有用电化学的方法，使用电能达到要求。

为达到稳定的磷膜的结构和厚度，需要有稳定成份的磷化溶液。一般的工艺配方的制定由产品要求而订，并在实践中验证。如下：

a. 磷化后钢丝表面膜量厚度。

b. 磷膜质量，包括达到下道工序要求和一定的牢固性、耐腐蚀性能和润滑性能

等。

配方的几项指标：

配方的确定必须同工艺相匹配，且由长期的实践监控使之稳定。

a．温度：

磷化配方首先要指定工作温度，例如中温磷化一般在70℃左右。同时温度可以易于自动控制。

温度可控，当将工序温度决定后，其它的可相应决定。

b.酸比：

酸比同温度在一定的工艺条件下呈函数关系。温度与酸比呈反比。

所谓酸比一般是使用总酸度与游离酸的比。因为这一对存在一个化学平衡。

磷化化学反应方程：

3Zn〔H2PO4〕2 →Zn3（PO4）2↓＋4H3PO4

平衡常数（K）＝[Zn3（PO4）2][ H3PO4]四次方/ [ Zn〔H2PO4〕2] 三次方。

有研究报告，这个磷化反应在不同温度的平衡常数：

温度25℃37℃98℃

平衡常数0。013 0。029 0。71

这说明，温度与酸比呈反比的原因。

— 3 —