磷化基础知识

磷化基础知识

1.总括

磷化（phosphorization）是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的主要目的是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与耐腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑的作用。磷化处理工艺应用于工业已有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，磷化处理技术累积了丰富的经验，有了重大的发现和突破。一战期间，磷化技术的发展中心由英国移至美国。1909年美国T.W.Coslet将锌、氧化锌或磷酸锌盐溶于磷酸中制成了第一个锌系磷化液。这一研究成果大大促进了磷化工艺的发展，拓宽了磷化工艺的发展前途。Parker防锈公司研究开发的Parco Power配制磷化液，克服了许多的缺点，将磷化处理时间提高到了1hr。1929年Bonderizing磷化工艺将磷化时间缩短到了10min，1934年磷化处理技术在工业上取得了革命性的发展，即采用了将磷化液喷射到工件上的方法。二战结束后，磷化技术很少有突破性的进展，只是稳步的发展和完善。磷化广泛应用于防蚀技术，金属冷变形加工工业。这个时期磷化处理技术重要改进有：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。

2.分类

2.1.按照磷化处理温度分类

（1）高温型

80℃以上处理。形成的磷化膜较厚，可以达到10~30g/m2，处理液的游离酸度（FA）和总酸度（TA）的比值（以下称作酸比）为1：（4~8）

优点：膜耐蚀性强

缺点：加温时间长，溶液挥发量大，能耗大，磷化沉积物多，游离酸度不稳定。结晶容易出现粗细不均匀。

（2）中温型

50-80℃，处理时间一般为2-15分钟，膜重一般为1-7g/m2，处理液的游离酸度与总酸度的比值为1：（10~15）

优点：游离酸度比较稳定，易掌握，磷化时间短，生产效率高，耐蚀性优良。（3）低温型

30-50℃，处理时间一般为2-10分钟，节约能源，能耗小。皮膜细致紧密。处理液的游离酸度与总酸度比值为1：20左右

优点：皮膜细致紧密，能耗小

缺点：相对而言，控制工艺较为繁琐

（4）常温型

10-40℃，一般需要加入促进剂，磷化时间因各公司药剂和工艺不同差距较大（我司目前一般为2-5分钟），溶液游离酸度和总酸度比值为1：（20~40），膜重一般为1~5g/m2。

优点：药品消耗少，溶液稳定

缺点：溶液配制相对繁琐，控制工艺也相对繁琐

2.2.按照磷化液成分分类

（1）锌系磷化

（2）锌钙系磷化

（3）铁系磷化

（4）锰系磷化

（5）复合磷化磷化液由锌、铁、钙、镍、锰等元素组成

（6）无磷磷化对应环保禁令而面向市场的新型处理液，主要由锆或钼等元素组成。

2.3.按照磷化施工方式来分类

（1）浸渍磷化

适用于高、中、低温磷化，特点：设备相对简单，对工件的外形适应性较高，但是对槽体循环装置要求较高。现今应用比较广泛的施工方式。

（2）喷淋磷化

适用于中、低温磷化工艺，可处理大面积工件，如冰箱、洗衣机壳体。特点是：处理时间较短，成膜反应速度较快，生产效率高。

（3）刷涂磷化

上述两种方法都无法实施时，会采用刷涂磷化的方法。一般在常温下操作，磷化后工件自然干燥，但是磷化效果不如前两种，现在很少人用这种方法。

3.作用及用途

3.1.磷化的作用

3.1.1涂装前磷化的作用

①增强涂装膜层（例如涂料涂层）与工件间的结合力

②提高涂装后工件表面涂层的耐蚀性

③提高装饰性

3.1.2非涂装磷化的作用

①提高工件的耐磨性

②令工件在加工过程中具有润滑性

③提高工件的耐蚀性

3.2.磷化的用途

①防护用磷化皮膜用于钢铁件耐蚀防护处理。磷化膜类型可用锌系、锰系。

膜重一般为5-20g/m2。磷化后涂防锈油、防锈脂、防锈腊等。

②油漆底层用磷化膜增加漆膜与钢铁工件之间的附着力和防护性。磷化膜类

型可以锌系或者锌钙系。磷化膜重一般控制在1~10g/m2。

③冷加工润滑用磷化膜钢丝、焊接钢管拉拔所需，膜重一般控制在1~10g/m2；

精密钢管拉拔，膜重一般控制在4~10g/m2；钢铁件冷挤压成型，膜重可能大于10g/m2。

④减摩用磷化膜磷化膜可以起减摩作用。一般用锰系磷化，也可以用锌系磷

化。对于有较小动配合间隙工件，磷化膜重一般控制在1~3g/m2；对于有较大动配合间隙工件（如减速箱齿轮），磷化膜重一般控制在5~20g/m2。

⑤电绝缘用磷化膜一般用锌系磷化，用于电机及变电器中的硅片磷化处理。

4.原理

4.1.磷化对象

磷化是常用的前处理技术，原理上是应属于化学转换膜处理，主要是应用于钢铁表面磷化，有色金属（如铝、锌）件也可应用于磷化。为了取得良好的磷化处理效果，通常汽车行业要求指标如下：

C附着量：6~7mg/m2

铁粉附着量：10mg/m2以下

外观：银白色（黄色和蓝色的钢板氧化物比较多，视为不良）

4.2.磷化原理

工件（钢铁或铝、锌件）浸入磷化液（当然也有喷淋方式），在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程，称之为磷化。

钢铁件浸入磷化液（由Zn（H

2PO

4

）

2

、Fe（H

2

PO

4

）

2

）、Mn（H

2

PO

4

）

2

组成的酸

性稀水溶液）中，磷化膜的生成反应如下（以锌系皮膜为例）：

2Zn2++Fe2++2PO

43-→Zn

2

Fe(PO

4

)

2

▪4H

2

5.工艺

磷化工艺流程主要有以下几步：

脱脂→水洗→（酸洗）→水洗→表调→磷化→水洗→纯水洗→干燥→后处理工艺5.1.脱脂

脱脂的主要目的，是除去处理对象表面的油污和炭粉，为了有效的去除油污，许多厂家采用二道脱脂的工艺。我公司的脱脂剂大多数为碱性粉剂，少部分为液体药剂以及部分酸性药剂。脱脂的方式有浸渍和喷淋。一般来说，脱脂剂的温度越高，脱脂性能越好，但是过高的温度会影响脱脂剂中表面活性剂的活性，所以脱脂剂的温度应当控制在一定的范围内（详情参照各药剂的产品说明书）。而脱脂剂的碱度越高，理论上脱脂性能也会越好。但是碱度也带来2个弊端：第一：对后续水洗不利；第二：过高的碱度，会对一些基材有侵蚀作用，例如镀锌件表面的锌层。所以对于不同的基材，必须选用对应碱度的脱脂剂（详情参考药剂说明书）。