关西培训讲稿磷化与金属前处.ppt
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1、磷化与金属前处理,湖南大学化学化工学院,主要内容,磷化的基本原理金属基材汽车磷化技术工艺参数对磷化工艺的影响复合金属的磷化磷化膜的性能检测前处理技术的发展趋势,磷化的基本原理,发展历史、定义、分类及原理,涂装前处理的目的,除去表面污物,必要时进行表面化学转换,使被处理件具有一定的粗糙度,平整度,增强金属抗腐蚀能力及漆膜对金属基底的附着力污物的类型锈蚀:氢氧化物 多孔吸水机油、润滑油、防锈油、车创油、影响附着力,干燥性氧化皮FeO Fe3O4 Fe2O3 机械污物,灰沙,酸、碱、盐、毛刺、焊锡,磷化的发展历史,1906,美国 Coslett 铁屑 1盎司 磷酸 4盎司 水 160盎司 在沸腾处理
2、液中处理2-2.5hrCoslett 将氧化锌(磷酸锌)溶于磷酸二氢盐磷酸化处理剂 1930 Parker 发现铜盐促进作用1934 添加氧化剂 防止金属表面产生氢气,加快磷化膜形成,喷淋法 防锈 油漆底层 环保,低温、快速、高耐蚀性,薄膜化发展,3%NaCl中出现腐蚀的时间(hr),无覆膜 0.1磷化膜 0.5 镀铬 23-24磷化膜+石蜡 60两层烤漆 70磷化膜+烤漆 500,磷化的定义和作用,将金属(钢、锌、铝、镉及其合金)浸入(或喷淋)磷酸二氢盐的酸性溶液中,在一定工艺条件下,金属表面形成磷酸盐薄膜Zn3(PO4)24H2O Zn2Fe(PO4)24H2O,Zn2Ca(PO4)22H
3、2O,磷化膜的作用提高基体与涂层的附着力产生耐蚀性改善材料的冷加工性能,如拉丝、拉管、挤压、冷拔改善表面摩擦学性能以促进其滑动充当电绝缘层,涂装前磷化的目的,提高涂料附着力减小涂膜下的腐蚀电流磷化层形成抗水和氧扩散的屏障一旦涂膜破裂可使漆膜裂纹处的腐蚀延迟,锌系磷化机理,正磷酸离解:K10.7110-2K27.9910-8K34.8010-13只有第一个氢原子容易发生离解。Me H3PO4Me(H2PO4)2 H2,3Zn(H2PO4)2-3ZnHPO4+3H3PO4(1),3ZnHPO4 2-Zn3(PO4)2+H3PO4(2),3Zn(H2PO4)22-Zn3(PO4)2+4H3PO4(3
4、)水溶 水不溶,磷化膜形成电化学反应,Fe-2e-Fe 2+微阳极金属溶解(4),2H+2e 2H 微阴极释放出氢气(5),H3PO4 H2PO4-+H+HPO42-+2H+PO43-+3H+(6)金属工件表面H+平衡向右移动,锌系磷化,PHOSPHATING REACTION,2Zn 2+Fe 2+2PO43-+4H2O Zn2Fe(PO4)24H2O(7)Phosphophyllite,3Zn 2+2PO43-+4H2O Zn3(PO4)24H2O(8)Hopeite,成膜反应当金属表面离解出的PO43-与槽液界面金属离子达到 饱和时(Zn 2+Mn 2+Ca 2+Fe 2+达到饱和时(K
5、sp 9.0*10-33 Zn3(PO4)2形成磷酸盐,促进剂加速 O+H R+H2O(9),Fe 2+O Fe 3+R(10),微阴极部分反应生成氢气引起极化使得磷化反应速度渐趋缓慢去极化 氧化剂 金属离子 物理方法,副反应 Fe 3+PO43-FePO4沉淀(11),P ratio=P/P+H,实现低温磷化的几点结论,适当的氧化剂可以提高反应速度较低氢离子浓度使反应(6)向右移动,产生PO43-,(7)(8)无需太大过饱和即可形成沉淀磷化沉渣取决于 4,5,9,10,氢离子浓度高,二价铁多,促进剂强,沉淀增加低温配方设计:1)在磷化反应进行时,微阳极溶解发热,但这远远不能在常温下驱动磷化反
6、应;2)常温磷化是全面的微电池腐蚀,钢铁的混同电位,pH2.3-2.7,氢的电极电位 0.14-0.16v,氢的氧化能力弱,阴极去极化难,磷化膜成膜困难,金属和磷化液界面pH值变化小,不容易产生磷酸二氢盐的水解,3)促进剂要求:促进剂的电极电位要比钢铁的混同电位高,加速氢的去极化作用,扩大阴极区,缩小阳极区,也就是说凡是能够提高去极化速度和封锁阳极区,扩大阴极区的物质都能加速磷化反应。4)故低温磷化需要较强氧化剂,高酸比,表面调整,磷化膜的基本性质,物理机械性质:磷化处理后,金属的物理性质如硬度、磁性、弹性不变磷化膜具多孔性,因为磷化膜是由大小不一的结晶组成的,与晶体的细度有关。磷化膜的耐蚀性
7、:磷化膜为不良导体,可抑制金属表面微电池的形成,但是多孔,耐蚀性有限。磷化膜耐有机溶剂,磷化膜容易被酸碱侵蚀 耐碱性:Zn3(PO4)24H2O pH 5-11 Zn2Fe(PO4)24H2O pH 4-13磷化膜的耐热性较差 Zn3(PO4)24H2O 115 Zn3(PO4)22H2O 275 Zn3(PO4)2 100-130烘烤有利于提高磷化膜的耐蚀性 Zn2Ca(PO4)24H2O Zn2Fe(PO4)24H2O Zn3(PO4)24H2O,磷化膜的分类,按磷化膜的成分分:锌系磷化、铁系磷化、锰系磷化,锌钙系磷化按磷化膜膜重分:GB-6807-2001 重量级:7.5g/m2 次重量
8、级:4.6-7.5 g/m2 轻量级:2 次轻量级:2按温度分:高温磷化90-98,中温磷化50-75 低温磷化,30-50,常温磷化,z,低锌磷化 2000 x 7500,扫描电子显微镜照片SEM,典型的三元阳离子锌系磷化2000 x左 7500 x右,扫描电子显微镜照片SEM,扫描电子显微镜照片SEM,磷化的促进剂,氧化剂:NaNO3,NaNO2 NaClO3,过硼酸盐,双氧水等硝酸盐:1)加速铁的溶解和氧化Fe 2+10Fe+NO3-+36 H+18Fe 2+3N2+18H2O 2)去极化作用,将氢气氧化成水,扩大阴极区,6H2+NO3-N2+6H2O亚硝酸钠:1)加速铁的溶解 3Fe+
9、2NO2-+8H+3Fe 2+N2+4H2O 2)将钢铁表面产生的氢气氧化成无害的水,消除氢脆。3)把过多的二价铁离子氧化成三价铁,促使槽液平衡。Fe 2+NO2+2H+Fe 3+NO+H2O 4)加速磷化膜的形成 3Zn(H2PO4)2+2 Fe+2NaNO2 Zn3(PO4)2+2FePO4+N2+2NaH2PO4+4H2O,氧化型促进剂,氯酸盐3Zn(H2PO4)2+4Fe+2NaClO3Zn3(PO4)2+4FePO4+2NaCl+6H2O喷淋磷化,与间硝基苯磺酸钠有协同作用有机硝基化合物:间硝基苯磺酸钠过氧化氢0.05g/L:强促进剂,喷淋工艺3Zn(H2PO4)2+H2O2Zn3(
10、PO4)2+4H3PO4+2H2O由于磷酸的产生,需要连续补加碱,几种氧化剂的氧化还原电位,氧化还原电位对促进剂选择的指导作用:磷化液pH2.3-3.0 氢的电极电位,氧化剂可氧化氢气,但是若电极电位太高,则磷化液不稳定,沉渣,还原型促进剂,碱金属的亚硫酸盐,连二硫酸盐,亚磷酸盐,甲醛,苯甲醛,羟胺等.其促进作用为去极化作用和封锁阳极区以SO32-为例:SO32-+6H+6eS2-+2H2O,金属离子的促进作用,金属离子:Cu2+Ag+Ni2+Co2+,最早发现的具促进作用的金属离子是Cu2+。微量(mg/L)的Cu2+可以6倍提高成膜速度原理:1)置换作用:铜和银都具有较高的电极电位,金属表
11、面微阳极溶解时,微阴极磷化成膜,微量的铜的扩散沉积扩大了阴极区,明显的加快了成膜速度。铜盐不仅催化了硝酸盐的分解,促进氧化反应 Cu2+Fe Cu+Fe2+3Cu+8H+2NO3-3Cu2+4H2O+2NO 总结 8H+2NO3-+6e+4H2O+2NO 铜对硝酸盐在阴极上的还原起了催化作用,促进阴极去极化2)促进活性点的形成:Ni2+Co2+的加入不会起置换作用,明显促进活性结晶点的形成,无镍时,在磷化的最初10秒,活性点337个,加入镍后,活性点增加到780个;3)参与成膜:Ni 2+Co2+的加入还可以参与成膜反应,在低锌磷化中,正是依靠镍和锰的加入,来提高磷化膜的耐蚀性特别是耐碱性,金
12、属基材,种类、成分及应用,金属基材来源和质量决定了磷化膜的质量,Carbon Steels碳钢 Stainless Steels不锈钢Coated Steels涂层钢Aluminum铝magnesium镁,金属基材,Low Carbon0.08-0.35%carbon contentMedium Carbon0.35-0.50%carbon contentHigh Carbon 0.55%carbon content,Carbon Steels,METAL SUBSTRATES,STAINLESS STEEL 不锈钢Is used to construct the tanks used in
13、the phosphate system.(用作磷化系统的容器)Stainless steels are made by using chromium as the principal alloying element.4%Cr=stainless steel(含Cr4%以上即为不锈钢)Most contain 11.5%CrOutstanding corrosion resistance.Resist mild acid attack.,METAL SUBSTRATES,HOT DIP GALVANIZED(热镀锌板)The process by which steel strip is d
14、ipped through a molten zinc bath so as to form a thin coating(HDG,Galvalume,Galfan)ELECTROLYTIC GALVANIZING(电镀锌板)The process by which a zinc or zinc alloy is deposited on steel by the reduction of metal ions from solution.(Electrozinc,Electrozinc/iron,Electrozinc/nickel),Galvanizing Process,金属基材,Alu
15、minum-Zinc SurfaceZinc CoatingZinc-Iron AlloySteel Substrate,Zinc Coatings(crystalline surface)Steel Substrate,Hot Dipped Galvanized,Electrozinc,金属基材,铝材Used primarily as material on decklids and hoods and otherstructural areas,i.e.bumper rails and heat shields.Alloy Type is Important6111 v.6022 ultr
16、a low copperavoid high copper content(3-4%)that mayeffect filiform corrosion performanceProcess Considerationsavoid high alkaline cleaner formulationsenhance phosphate bath chemistrymaintain the amount of Al processed 10%Waste Treatmentfederal regulations-F019,金属基材对磷化膜性能的影响,基材成分影响较小,基材组织对磷化膜有影响,如冶炼过
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