钢铁磷化实验报告

钢铁的磷化

摘要：本文简要介绍钢铁磷化的原理与工艺，主要根据化学实验的结果，以及对成品的检测，阐述了这一机理，论证了磷化对钢铁表面的改性作用，得出了磷化对钢铁性能改进的重要性。 关键词：原理 工艺 除锈 磷化膜

引言 ：磷化处理工艺应用于工业己有90多年的历史，大致可以分为三个时期:奠定磷化技术基础时期、磷化技术迅速发展时期和广泛应用时期。

磷化膜用作钢铁的防腐蚀保护膜，最早的可靠记载是英国Charles Ross 于1869年获得的专利(B.P.No.3119)。从此，磷化处理工艺应用于工业生产。在近一个世纪的漫长岁月中，磷化处理技术积累了丰富的经验，有了许多重大的发现。磷化广泛应用于防蚀技术，金属冷变形加工工业。二战前后时期磷化处理技术重要改进主要有:低温磷化、各种控制磷化膜膜重的方法、连续钢带高速磷化。当前，磷化技术领域的研究方向主要是围绕提高质量、减少环境污染、节省 能源进行。

一、 磷化原理

工件（钢铁或铝、锌件）进入磷化液（某些酸式磷酸盐为主的溶液），在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转化膜的过程，称为磷化。也就是说，磷化处理是在锰、铁、锌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242)(PO H M 表示。在磷化过程中发生如下反应：

434

242)(PO H MHPO

PO H M +↓→

432434

)(3PO H PO M MHPO

+→

或者以离子反应方程式表示：

+

-

+

+↓+↓→+H PO M MHPO

PO H M

5)(342434

422

当金属与溶液接触时，在金属/溶液界面液层中+

2M 离子浓度增高或+H 离子

浓度降低,都将促使以上反应在一定温度下向生成难溶磷酸盐的方向移动。由于铁在磷酸里溶解，氢离子被中和同时放出氢气：

↑

+=++

+

222H Fe

H

Fe

反应生成的不溶于水的磷酸盐在金属表面沉积称为磷酸盐保护膜，因为它们就是在反应处生成的，所以与基体表面结合得很牢固。

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：

222H e H

=+-

+

在微电池的阳极上，铁被氧化为离子进入溶液，并与-42PO H 发生反应。由于+2Fe 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：

+

-=-22Fe

e Fe

242422)(2PO H Fe PO H Fe

=+-

+

434

242)(PO H FeHPO PO H Fe +=

432434

)(3PO H PO Fe FeHPO

+=

与此同时，阳极区溶液中的242242)()(PO H Zn PO H Mn 、也发生如下反应：

434

242PO H MHPO PO H M +=）（

4

32434

)(3PO H PO M MHPO

+↓=

式中的M 为Mn 和Zn 。阳极区的反应产物2432

43243)()(PO Zn PO Mn PO Fe 、）（、一起结晶，形成磷化膜。 二、 磷化工艺 磷化工艺流程如下：

化学除油→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→磷化处理→冷水洗→磷化后处理→冷水洗→去离子水洗→干燥。 1.除油

本实验中我们所用的除油配方如下：

表1：除油液配方

名称

质量/g 43PO Na 16.283 32CO Na

16.420 32SiO Na

1.361

2.除锈

将工件放入3％的稀盐酸中活化30s左右。

3.磷化

磷化按照温度不同可分为三种低温磷化，中温磷化，高温磷化。本次试验采用中温磷化和高温磷化这两种方法。

（1）中温磷化

表2：中温磷化工艺配方

溶液组成与工艺条件g/L 硝酸锌磷酸二氢

锌

游离酸度

/点

总酸度/

点

温度/℃时间/min

配方80-100 25-40 4-7 50-80 60-70 50

具体实验时，步骤如下：

（1）先称取磷酸锌和磷酸二氢锌，结果重量分别为44.546g和18.040g；（2）接着将它们分别用少量水调和，将调成糊状的磷酸二氢锌在不断搅拌下融入20L

m磷酸中，然后将硝酸锌加入，最后加水至500L

m；

（3）将配好的溶液加热至65℃，50min后取出即可。

附注：游离酸度是指溶液中磷酸二氢盐水解后产生的游离磷酸的浓度。总酸度是指总酸度是磷化液中各种酸性物质的总和。

（2）高温磷化

表3：高温磷化工艺配方

溶液组成与工

艺条件

氧化锌磷酸温度/℃时间/min

配方9g/L 23L

mL/85-95 20

具体实验时，步骤如下：

（1）先称取氧化锌和磷酸，结果重量分别为4.499g和11.5mL；

（2）将氧化锌用水调成糊状，将磷酸加入，最后加水至500L

m；

（3）将配好的溶液加热至90℃,20min后取出即可。

4.磷化后处理

一般磷化后应对磷化膜进行填充和封闭处理。实验时，填充处理的步骤为：（1）先称取重铬酸钾和碳酸钠分别是20g和1.5g；

（2）将其混合，加水至500mL,加热至温度为90℃后，15min后取出即可。