Фосфатирование

Сущность химического фосфатирования состоит в обработке поверхности металлов и сплавов в подкисленных растворах однозамещённых фосфатов или монофосфатов Fe, Mn, Zn, Ba, Ca и др.

Фосфатные покрытия представляют собой плёнку нерастворимых в воде фосфорнокислых соединений, образовавшихся в результате взаимодействия металла с фосфорной кислотой и её кислыми солями. Такие покрытия наносят для улучшения коррозионной стойкости поверхности. Защитная способность их по отношению к стали выше, чем оксидных покрытий, полученных химическим путём. Фосфатные покрытия обладают хорошими адгезионными свойствами, а в сочетании с лакокрасочными покрытиями или после дополнительной пропитки маслами или другими полимерными материалами защитные свойства становятся сопоставимыми с защитой, достигаемой с помощью гальванических покрытий. Фосфатные покрытия устойчивы в обычных атмосферных условиях, нейтральной водной среде, и ряде органических растворителей, смазочных маслах, но разрушаются под действием неорганических кислот и щелочей. Фосфатные плёнки обладают хорошими электроизоляционными свойствами, их пробивное напряжение в зависимости от толщины и условий формирования осадка достигает 250 - 500В, а после пропитки электроизоляционными лаками - до 1000 В. Антикоррозионные и электроизоляционные свойства не ухудшаются до 200 ⁰С.

Формирующаяся на поверхности металла солевая плёнка состоит из двух слоёв: тонкого барьерного, пластичного, весьма пористого, непосредственно прилегающего к металлу, срощенного с ним и внешнего, имеющего кристаллическую структуру, хрупкого, состоящего из вторичных и третичных фосфатов, определяющего основные качества покрытия. По мере роста внешнего слоя поверхность металла всё больше изолируется от рабочего раствора, скорость формирования покрытия уменьшается и когда она станет скоростью её растворения, рост осадка прекратится.

Фосфатирование осуществляется методом погружения детали в раствор кислых фосфорнокислых солей.

Формирование фосфатной плёнки можно рассматривать как электрохимический процесс, при котором анодной реакцией является переход металла в раствор, а катодной - выделение водорода. Ионы металла при взаимодействии с фосфорной кислотой образуют на его поверхности труднорастворимые фосфаты:

Me²⁺ + 2H₃PO₄ = Me (H₂PO₄)₂ + H₂ (4.24)

Вследствие уменьшения содержания в растворе фосфорной кислоты и соответственно увеличения рН раствора, возрастает гидролиз первичных фосфатов с образованием вторичных и третичных фосфатов:

3 Me (H₂PO₄) ₂ = Me ₃ (PO₄)₂ + 4H₃PO₄ (4.25)

Me (H₃PO₄) ₂ = Me HPO₄ + H₃PO₄ (4.26)

Растворимость фосфатов в воде резко падает с увеличением числа замещённых металлом атомов водорода. Трёхзамещённые фосфаты практически не растворяются и поэтому служат основой защитной плёнки. Ионы обрабатываемого металла являются составной частью формирующегося фосфатного слоя, что обеспечивает прочную кристаллохимическую связь покрытия с основой. Образующаяся в результате реакций (4.25) и (4.26) фосфорная кислота повышает концентрацию в растворе ионов водорода, благодаря чему становится возможным дальнейший ход процесса. Образование однозамещённых фосфатов затрудняет образование защитного покрытия и даже может препятствовать его образованию. Поэтому для смещения реакции в сторону образования труднорастворимых третичных и вторичных солей необходимо поддерживать некоторый избыток кислоты в растворе на требуемом уровне. Выделяющийся в ходе реакции (4.24) водород частично диффундирует в металл, что ухудшает его пластичность и указывает на ограничение применения фосфатирования для обработки тонкостенных деталей и пружин, а также для деталей, работающий в режиме знакопеременных нагрузок.

Применяемые в ряде фосфатирующих растворов добавки нитратов и нитритов способствуют интенсификации процесса формирования плёнки. Поддержание оптимальной концентрации нитратов в электролите также важно, как и концентрации фосфорной кислоты.

Толщина и структура фосфатных покрытий во многом зависит от природы обрабатываемого металла или сплава и состояния его поверхности. На полированной углеродистой стали за 30 минут формируется мелкокристаллическая плёнка толщиной 1 - 4 мкм. Гидрообразивная обработка способствует образованию мелкокристаллических осадков, а предварительное травление стали - крупнокристаллических. При формировании крупнокристаллической плёнки за 60 - 90 минут толщина покрытия достигает 10 - 15 мкм.

Химическому фосфатированию могут подвергаться углеродистые, низколегированные, среднелегированные стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы цинковые и кадмиевые покрытия и др. Благодаря хорошей адгезии фосфатирование широко применяют для грунтования под лакокрасочные покрытия в различных областях машиностроения: автомобильной, сельскохозяйственной, судостроительной и др. Фосфатированию подвергают различные крепёжные детали с последующим пропитыванием смазочными веществами, поскольку фосфатирование не приводит к изменению размеров детали. Фосфатные покрытия не смачиваются расплавленными металлами. Это свойство используется в металлургической промышленности и в машиностроении. Покрытия обладают электроизоляционными свойствами, которые широко используются в приборостроении и электронной промышленности. Фосфатирование используется для обработки таких сплавов как АМг, АЛ4, на которых защитная плёнка не уступает по свойствам анодированным покрытиях, однако нанесение оксидных плёнок является более трудоёмким и дорогим. Широко применяют фосфатирование для повышения надёжности лакокрасочных покрытий на деталях из медных сплавов за счёт лучшей адгезии их к лакокрасочной поверхности. Способность фосфатных покрытий хорошо пропитываться маслами, смолами, красками - одно из наиболее ценных свойств их.

Защитная способность фосфатных плёнок на магнии и его сплавах в ряде случаев выше, чем плёнок, полученных химическим оксидированием. Фосфатирование цинка и кадмия, при котором исключаются операции осветления и пассивирования покрытий, значительно улучшают их антикоррозионные свойства в жестких климатических условиях.

Достоинством процесса фосфатирования является дешевизна: его осуществление не связано с трудо- и энергозатратами, дорогостоящим сложным оборудованием и материалами. При определённых условиях процесс фосфатирования сочетается с одновременным обезжириванием или травлением металла. Совмещение в одной операции подготовки поверхности и нанесения покрытия снижает трудоёмкость работ.

Широкое применение для повышения коррозионной стойкости изделий из стали нашел процесс фосфатирования. Фосфатные покрытия представляют собой пленки из труднорастворимых солей железа и цинка. Физические свойства покрытия, толщина, кристаллическая структура, глубина проникновения его в основной металл зависят от подготовки поверхности перед обработкой, способа нанесения покрытия, времени обработки и состава раствора.

Фосфатирование углеродистых, низко- и среднелегированных сталей и чугуна проводится в растворе препарата «мажеф», представляющего собой смесь солей марганца Mn(H₂PO₄)₂ · 3H₂O, MnHPO₄ и железа Fe(H₂PO₄)₂, концентрация которого составляет 40 г/л. Введение в раствор нитратов цинка позволяет ускорить процесс. Фосфатирование протекает особенно эффективно при температуре 90 – 100 ⁰С. Холодное фосфатирование можно осуществлять при большой концентрации свободной фосфорной кислоты и введении солей азотной, азотистой и плавиковой кислот. При обычном фосфатировании за 30 - 60 минут обработки получается довольно толстое коррозионно-стойкое покрытие.

Непрерывно растущие требования к качеству и долговечности конструкционных материалов ведут к поискам новых видов материалов и покрытий.