钢铁的磷化处理

钢铁的磷化处理
摘要：金属磷化处理工艺可以改变金属表面原有的性质，从而提供新的物理特性或物理化学特性，因而广泛应用于金属的表面处理领域中。

本文主要介绍钢铁的中温与高温磷化，通过实验来研究两种磷化膜的性质，对它们的原理、配方和生产工艺进行了简要的介绍。

关键词：机理，中温，高温，工艺
1.引言
磷化处理是指钢铁零件在含有锌、锰、钙、铁或碱金属的磷酸盐的溶液中进行化学处理,在其表面上形成一层不溶于水的磷酸盐膜的过程。

磷化是钢铁表面处理的常用手段,磷化膜厚度一般为 5 μm-20 μm，为微孔结构,与基体结合牢固，具有良好的吸附性、润滑性、耐蚀性、不粘附熔融金属性及较高的电绝缘性等。

磷化膜主要用作涂料的底层、金属冷加工时的润滑层、金属表面保护层以及用作电机硅钢片的绝缘处理、压铸模具的防粘处理等。

磷化处理所需设备简单,操作方便,成本低,生产效率高,被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造及家电等工业生产中[1]。

2.磷化膜的形成机理[2]
磷化处理是在含有锌、锰、铁的磷酸二氢盐与磷酸组成的溶液中进行的。

金
属的磷酸二氢盐可用通式M(H
2PO
4
)
2
表示,M为金属。

下面主要介绍磷化膜形成的
电化学机理。

从电化学的观点来看，磷化膜的形成可认为是微电池作用的结果。

在微电池的阴极上发生氢离子的还原反应，有氢气析出：
2H+ + 2e = H
2
在微电池的阳极上，铁被氧化为离子进入溶液，并与H
2PO
4
-发生反应。

由于
M2+的数量不断增加，pH值逐渐升高，促使反应向右进行，最终生成不溶性的正磷酸盐晶核，并逐渐长大。

下面是阳极反应：
M - 2e = M2+
M2++2H
2PO
4
-= M(H
2
PO
4
)
2
M(H
2PO
4
)
2
= MHPO
4
+H
3
PO
4
3MHPO 4=M 3(PO 4)2↓+ H 3PO 4
3.实验工艺与配方
工艺流程：化学脱脂（碱性除油）→热水洗→冷水洗→酸洗→热水洗→磷化→冷水洗→磷化后处理。

3.1配方与溶液配制
一、碱性除油液：
碱性化学除油溶液配方
二、酸洗除锈液：3%的稀盐酸
三、测定总酸度和游离酸： 0.1 mol/L 的NaOH 溶液，酚酞，甲基橙
高温磷化酸比值控制在7-8，中温磷化控制在10-15。

四、磷化液
1)中温磷化工艺配方：硝酸锌80-100 g/L, 磷酸二氢锌25-40 g/L
镀液配制过程：
（1）先称取硝酸锌和磷酸二氢锌，结果重量分别为23.0000g 和9.000g ；
（2）接着将它们分别用少量水调和，调成糊状的磷酸二氢锌在不断搅拌下融入10L m 磷酸中，然后将硝酸锌加入，最后加水至250L m ；
（3）进行酸度检验并补救
2）高温磷化工艺配方 ：氧化锌9 g/L ，磷酸 23L mL /
镀液配制过程：
（1）先称取氧化锌和磷酸，结果重量分别为2.25g 和5.75 mL ；
（2）将氧化锌用水调成糊状，将磷酸加入，最后加水搅拌至250 L m ；
（3）进行酸度检验并补救；
五、填充液：重铬酸钾和碳酸钠
（1）称取重铬酸钾和碳酸钠分别为20.000 g 和1.500 g ；
（2）将其混合，加水搅拌至500 mL 。

3.2具体实验步骤
步骤一 在圆片状的样品上接近边缘处打一圆孔
步骤二碱性除油
将配置好的除油液加热到50-60 ℃，将工件加入到混合液中，不断搅拌，时间为3至5 min。

检验除油效果：
水膜法（1）除油水洗后的工件（禁止手拿），直立，让水自然留下
（2） 30秒后，观察工件表面
（3）工件表面应被水均匀覆盖，不得有断流、水珠、或无水膜现象（工件上部已干燥的部分除外）。

步骤三热水洗与冷水洗
热水洗：加热蒸馏水或自来水到70 ℃左右进行清洗。

冷水洗：把样品放在自来水下直接冲洗，直至冲洗干净为止。

步骤四酸洗除锈
将工件放入3%的稀盐酸中活化30 s左右
步骤五磷化处理
1）中温磷化
将活化后的工件热水洗后立即加入到60-70 ℃的磷化液中，50min后取出。

2）高温磷化
将活化后的工件热水洗后立即加入到加热到85-95 ℃的磷化液中，20min 后取出。

步骤六磷化后处理
磷化后对磷化膜进行填充和封闭处理。

将磷化后的工件加入到90 ℃的填充液中，15 min后取出，填充后，在润滑油中进行封闭。

4.实验结果分析
4.1表面形貌
分析：磷化膜由于基体材料及磷化工艺的不同可由深灰到黑灰色，特殊工艺可实现纯黑色、红色及彩色。

磷酸盐转化膜外观呈灰色或黑色，是有一系列大小不同的晶体所组成，在晶体的联结点上形成细小裂缝的多孔结构。

经过填充、浸油或涂漆处理后，在大气条件下具有较好的抗蚀性。

图1和图2分别为中温磷化和高温磷化工件的表面磷化膜形貌。

由图可以看出磷化膜有微孔、镀层不均匀、
有的地方甚至没镀上。

这可能是工件的预处理没有做好，酸洗时间过长，活化后未立即放入镀液中。

镀液的游离酸过高、零件表面有残酸等都会导致磷化膜结晶粗糙多孔。

图1 中温磷化100倍图2 高温磷化100倍
4.1磷化膜厚度
锯开→镶嵌→砂轮磨→砂纸磨→抛光→腐蚀（3%硝酸酒精溶液）→酒精洗→烘干→金相显微镜观察→测镀层厚度→拍照片
图3中温磷化厚度400倍图5 高温磷化厚度100倍
中温磷化厚度：0.013×0.5=0.0065mm（400倍下2格）
高温磷化厚度：0.013×1=0.013mm（100倍下1格）
分析：零件的材料和表面状态、镀液的总酸度、游离酸度、温度等都对磷化膜的厚度有影响。

高、中碳钢和低合金钢容易磷化，磷化膜黑而厚实。

提高总酸度能加快磷化反应，使膜层薄而细致。

过高，常常使膜层过薄，过低，磷化速度缓慢，层厚而粗糙。

游离酸度过低使磷化膜薄甚至没有磷化膜。

温度高能加快磷化速度，提高附着力，硬度、耐蚀性。

5.中温磷化与高温磷化比较
中温磷化的溶液稳定，磷化速度快，生产效率高，但溶液成分复杂，难配置。

高温磷化的耐腐蚀性、结合力、硬度和耐热性都比中温高，沉积速度也比中温快，磷化膜粗细均匀。

但高温磷化溶液加热时间长，挥发量大，成分变化快，磷化膜易夹杂沉淀，沉淀物难清理。

6.结束语
磷化处理后钢铁表面的磷化层具有很好耐腐蚀性，可防止钢铁的腐蚀。

作为组长的我带领组员完成了这次实验，我们不仅掌握了高温与中温磷化处理的原理、工艺、试剂配置、镶嵌操作过程等，还意识到团队合作的重要性。

虽然在实验过程中遇到了一些困难，但在我们共同努力以及老师的指导下都得到了解决。

致谢：感谢王兰老师与纪嘉明老师的指导与帮助。

参考文献
[1]孙国新,钢铁磷化技术及其发展〔J〕.山东化工,1994,2:26-31.
[2]钱苗根，姚寿山，张少宗.现代表面技术[M].北京：机械工业出版社，2002.5.。