Фосфатирование металла — методы и составы

Фосфатирование
Фосфатирование используют для дополнительной защиты от коррозии, улучшения твердости, износостойкости, повышения электроизоляционных свойств основного покрытия на черных и цветных металлах. Суть процесса фосфатирования состоит в создании на поверхности защищаемого изделия слоя малорастворимых фосфатов железа, цинка или марганца.

Фосфатированию подвергаются: чугун, низколегированные, углеродистые стали, кадмий, цинк, медь, сплавы меди, алюминий.

Фосфатированию плохо поддаются высоколегированные стали.

Изделия, подвергшиеся фосфатированию, эксплуатируются даже в тропиках. Фосфатная пленка не боится органических масел, смазочных, горячих материалов, толуола, бензола, всех газов, кроме сероводорода.

Под воздействием щелочей, кислот, пресной, морской воды, аммиака, водяного пара покрытие довольно быстро разрушается. Непродолжительный срок службы покрытия также связан с его низкой эластичностью и прочностью.

Процесс фосфатирования нашел широкое применение в автомобильной промышленности. Фосфатная пленка – наилучший грунт. Стальной корпус автомобиля перед покраской подвергают фосфатированию, а далее окрашивают эмалями.

Фосфатное покрытие
Толщина и структура фосфатного покрытия
Толщина фосфатного слоя составляет от 2 – 8 до 40 — 50 мкм (зависит от режима фосфатирования, подготовки поверхности, состава раствора для фосфатирования). Толщина покрытия связана с его структурой. Мелкокристаллические защитные слои имеют меньшую толщину (1 – 5 мкм) и обладают более выраженной защитной способностью. В связи с этим их намного чаще используют. Получают такие покрытия из цинкфосфатных растворов, которые содержат ускорители (окисляющие элементы). Мелкокристаллические слои не используются в качестве самостоятельных защитных. После получения такого слоя поверхность подвергают дополнительной обработке лакокрасочными материалами.

Крупнокристаллические фосфатные слои более толстые, получают их из марганцевофосфатных растворов. После промасливания могут служить самостоятельными покрытиями.

Кристаллы фосфатов имеют пластинчатую структуру, благодаря чему пленка отлично впитывает различные пропитки, лаки, удерживая их в себе.

Фосфатное покрытие состоит из двух слоев. Первый, плотно прилегающий к поверхности слой, плотно связан с металлом, незначительной толщины, имеет пористую структуру, а также гладкий и достаточно эластичный. Он состоит, в большей части, с монофосфатов железа. Второй слой (наружный) – состоит из монофосфатов марганца, вторичных и третичных фосфатов. Он более хрупкий, кристаллический. Характеристиками именно наружного слоя обуславливается ценность фосфатных пленок.

Цвет фосфатного покрытия
Цвет фосфатного покрытия колеблется от светло-серого до темно серого (почти черного). Светло-серые фосфатные пленки образуются на цветных металлах и малоуглеродистых сталях. Предварительно подвергшихся пескоструйной обработке поверхностях, в растворах повышенной кислотности.

Если чугунное (либо из высоколегированной стали) изделие предварительно подвергалось травлению, и концентрация ортофосфорной кислоты больше обычного — фосфатный слой получается более темного оттенка. Фосфатное покрытие зеленоватого оттенка образуется на поверхности стали, содержащей никель и хром.

Свойства фосфатного покрытия
Полученное фосфатное покрытие может использоваться как самостоятельное защитное, но в большинстве случаев его используют как основу под лакокрасочное, смазочное, либо перед пассивированием. То, что его очень редко используют, как самостоятельное, можно объяснить тем, что оно легко разрушается под воздействием кислот и щелочей.

Фосфатное покрытие не подвергается воздействию кислорода воздуха, смазок, масел, керосина, не смачивается расплавленными металлами. Фосфатный слой может выдержать непродолжительное влияние температуры около 500 °С. Наибольшая минусовая температура, при которой не разрушается покрытие -75 °С. При длительной выдержке фосфатный слой теряет свои защитные свойства и постепенно разрушается.

Фосфатное покрытие отличается высоким электросопротивлением, может выдержать напряжение до 500 В. Чтоб повысить пробивное напряжение готового фосфатного покрытия (до 1000 В) – его дополнительно пропитывают бакелитовыми либо масляными лаками. Фосфатное покрытие по твердости мягче стали, но более твердое, чем латунь или медь.

При щелочном оксидировании стали полученный защитный слой имеет меньшую защитную способность, чем обычные фосфатные слои.

Подготовка поверхности перед операцией фосфатирования играет важную роль, т.к. от ее способа и качества во многом зависят свойства полученного покрытия, а именно – структура, адгезионная способность, толщина, цвет фосфатной пленки.

При фосфатировании заранее протравленной поверхности (с использованием HCl, H2SO4, H3PO4) образуются крупнокристаллические, рыхлые фосфатные слои, толщиной до 40 – 50 мкм. Они обладают достаточно низкими защитными свойствами, поэтому для улучшения качества пленки деталь промывают в 3 – 5 % растворе кальцинированной соды, а далее в воде и затем только фосфатируют. Или же в 1 – 2 % растворе хозяйственного мыла и 5 – 8 % растворе кальцинированной соды при температуре 55 – 60 °С.

Мелкокристаллические, тонкие (толщиной от 5 до 10 мкм) пленки образуются на поверхностях, обработанных пескоструйным методом с последующим обезжириваниям (с использованием органических растворителей или же химическим способом), также механически обработанные кругом, и т.п. Такие фосфатные пленки отличаются хорошей адгезией к поверхности и высокими защитными свойствами.

Суть процесса фосфатирования
Фосфорная кислота (H3PO4) образует три вида солей (именно на свойствах солей фосфорной кислоты и основан метод защиты): дигидрофосфаты, моногидрофосфаты, фосфаты.

Дигидрофосфаты Me(H2PO4)2 – однозамещенные соли, где Me – двухвалентный металл. Образуются сразу при первичном контакте металла с фосфорной кислотой. Взаимодействие описывается реакцией:

Me + 2H3PO4 → Me(H2PO4)2 + H2↑.

При дальнейшем взаимодействии кислоты с металлом (концентрация кислоты уменьшается) образуются двухзамещенные (моногидрофосфаты MeHPO4) и трехзамещенные (фосфаты Me3(PO4)2) соли.

Реакции образования вторичных и третичных солей:

Me(H2PO4)2 ↔ MeHPO4 + H3PO4 — продуктами реакции являются двухзамещенная соль и свободная ортофосфорная кислота;

3Me(H2PO4)2 ↔ Me3(PO4)2 + 4H3PO4 – образуется трехзамещенная соль, свободная ортофосфорная кислота.

Труднорастворимые фосфаты железа – основная составляющая часть фосфатных покрытий. Их качество определяется свободной и основной кислотностью раствора, природой катионов металла, концентрацией монофосфатов.

При введении в раствор для фосфатирования окислительных анионов (например, ClO3, NO2, NO3) процесс формирования защитной пленки значительно ускоряется.

При фосфатировании на поверхности металла наблюдается два основных процесса – осаждение фосфатов и растворение основного металла.

Фосфатирование черных металлов
Сегодня самое широкое применение получил препарат для фосфатирования Мажеф. Выпускается в виде серой массы, расфасованной по бочкам или ящикам. Отличается характерным кисловатым запахом. Название препарата произошло от первых букв его составных частей: марганец, железо, фосфорная кислота.

Фосфатная пленка при использовании данного препарата обладает хорошими защитными свойствами.

Процесс получения фосфатной пленки с использованием данного препарата имеет свои недостатки: высокие температуры, узкий рабочий интервал температур, длительность операции, наводораживание стали (из-за сильного выделения водорода). Чтоб снизить наводораживание уменьшают длительность процесса.

Фосфатирование может быть электрохимическим и химическим.

Химическое фосфатирование черных металлов, в свою очередь, подразделяется на холодное, нормальное и ускоренное.

Холодное фосфатирование
Холодное фосфатирование проводится без подогрева рабочих растворов. Фосфатное покрытие получается довольно тонким и используется в качестве основы под покраску. В основу растворов для холодного фосфатирования входят препарат Мажеф и однозамещенный фосфат цинка (Zn(H2PO4)2). NaNO2 и NaF играют роль активаторов процесса.

Составы для холодного фосфатирования:

Состав №1: 25 – 30 г/л пр. Мажеф, 35 – 40 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 5 – 10 г/л NaF, длительность обработки 40 минут;

Состав №2: 60 – 70 г/л Zn(H2PO4)2, 80 – 100 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 0,3 – 1.0 г/л NaNO2, продолжительность обработки 15 – 25 мин.;

Состав №3: 100 г/л Zn(H2PO4)2, 6 г/л NaF, 2 г/л NaNO2, длительность обработки 30 — 40 минут;

Состав №4: 18 – 21 г/л ZnO, 80 – 85 г/л H3PO4, 1 — 2 г/л NaNO2, продолжительность обработки 15 – 20 минут.

Если температуру раствора увеличить – можно получить мелкокристаллическое покрытие.

Растворы для холодного фосфатирования довольно быстро гидролизуются (при контакте составных веществ с водой разлагаются основные молекулы и образуются новые соединения), увеличивается свободная кислотность раствора. Это отрицательно сказывается на качестве фосфатного покрытия, т.к. слой получается пористый и с низкими защитными характеристиками. Поэтому холодное фосфатирование используется довольно редко.

Нормальное фосфатирование
Препарат Мажеф, используемый также и при нормальном фосфатировании, имеет химический состав: 2,4 – 2,5 % Fe, 14 % Mn, 46 – 52 % фосфатов, 1 % SO42-, самую малость ионов хлора и CaO, 1 – 2 % H2O.

Однозамещенные соли ортофосфорной кислоты, марганца, железа (MnHPO4, Fe(H2PO4)2, Mn(H2PO4)2) и являются основой препарата.

Наилучший результат фосфатирования дает раствор, содержащий 30 – 33 г/л препарата Мажеф. Температура – 97 – 98 °С. Если вести процесс при более высоких температурах – образуется много шлама, а при более низких – покрытие имеет кристаллическую структуру.

Длительность процесса нормального фосфатирования: время выделения водорода + выдержка около 5 – 10 минут. Кислотность раствора (общая) должна составлять около 30 точек, свободная 3 – 4 точки. (Точка – мера общей и свободной кислотности раствора. Одна точка показывает количество мм 0,2 н. раствора щелочи, израсходованного на процесс титрования 10 мл фосфатного раствора).

Если свободная кислотность превышает указанное значение – ухудшаются свойства фосфатного слоя, а сам процесс затягивается по времени. При уменьшении – полученные пленки слишком тонкие и незащитные.

При повышении концентрации препарата Мажеф до 100 – 200 г/л получают более толстые фосфатные слои с повышенными защитными свойствами и мелкокристаллической структуры. С повышением концентрации немного уменьшают температуру рабочего р-ра (до 80 – 85 °С).

При фосфатировании высоколегированных сталей количество препарата Мажеф составляет около 30 – 32 г/л. Дополнительно вводят 10 – 12 % BaCl2 для улучшения качества фосфатного слоя. Изделие выдерживают в рабочем растворе 45 – 60 минут при температуре около 100 °С.

Ускоренное фосфатирование
Ускоренное фосфатирование получило довольно широкое промышленное применение, т.к. процесс ведется быстрее, чем при нормальном, и имеет свои преимущества.

Длительность процесса ускоренного фосфатирования (с использованием препарата Мажеф) составляет 8 – 15 минут. Рабочий раствор подогревают до температуры 45 – 65 °С (или же 92 – 96 °С, если использовать электролит №2). Дополнительно вводят окислители (NaF, Zn(NO3)2 и др.), благодаря которым ускоряется процесс фосфатирования, выделяется намного меньше водорода и окисляется Fe2+ до Fe3+.

Растворы для ускоренного фосфатирования с применением препарата Мажеф:

Раствор №1: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 65 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 2 – 5 г/л NaF;

Раствор №2: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 70 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 4 – 5 г/л NaNO3, 0,1 – 1,0 г/л H3PO4.

После ускоренного фосфатирования изделия обрабатывают раствором бихромата калия, а далее – сушат.

Пленки, полученные при ускоренном фосфатировании, небольшой толщины и не отличаются высокими защитными свойствами, поэтому их используют как основу (грунт) для лакокрасочных покрытий.

Ускоренное фосфатирование может проводится и с использованием других растворов, например, цинкофосфатных (основа – первичный фосфат цинка).

Составы для ускоренного фосфатирования с применением цинкофосфатных растворов:

Состав №1: 8 – 12 г/л Zn(H2PO4)2, 10 – 20 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 30 – 40 г/л Ba(NO3)2, температура 75 – 85 °С, продолжительность 3 — 10 минут;

Состав №2: 28 – 36 г/л Zn(H2PO4)2, 42 – 58 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 9,5 – 15,0 г/л H3PO4, температура 85 – 95 °С, продолжительность 10 – 25 минут.

Покрытия, полученные в вышеописанных электролитах, состоят с Zn3(PO4)2•4H2O и Zn2Fe(PO4)2•4H2O. Большая часть фосфатов образуется на поверхности в первые минуты процесса, когда скорость нарастания фосфатов превышает скорость их растворения. При одинаковых значениях этих скоростей рост фосфатной пленки прекращается.

Ускоренное фосфатирование можно проводить как погружением в ванну с раствором, так и распылением состава на поверхность.

Для струйного ускоренного фосфатирования часто используют раствор на основе препарата Мажеф следующего состава: 30 – 60 г/л пр. Мажеф, 50 – 70 г/л Zn(NO3)2•6H2O, 2 – 4 г/л NaNO2. Температура раствора — 15 – 25 °С, рН 2,6 – 3,2.

Широко используются концентраты для фосфатирования стали (на основе первичных фосфатов), такие, как КФЭ-1, КФЭ-2, КФ-1, КФ-3.

Чтоб улучшить структуру покрытия в основной р-вор вводят оксалаты цинка (до 0,1 г/л). При фосфатировании в таком растворе с поверхности изделия удаляется ржавчина.

Частным случаем химического — является черное фосфатирование. Используется в оптическом приборостроении. Фосфатная пленка черного цвета более привлекательна на вид и более коррозионноустойчива, чем полученные другими способами. Процесс черного фосфатирования состоит с двух частей. Сначала, предварительным фосфатированием, получают черную пленку. Далее, при фосфатном пассивировании, заполняются поры начального слоя.

Электрохимическое фосфатирование
Электрохимическое фосфатирование проводят в растворах схожего состава, но с использованием постоянного либо переменного тока. Это позволяет повысить производительность процесса.

Детали развешивают на катодных штангах, анодами служат пластины (цинк или углеродистая сталь, зависит от состава электролита). Плотность тока – от 0,3 до 3 А/дм2. Продолжительность процесса – от 5 до 20 мин.

Полученные пленки используются в качестве подслоя для лакокрасочного покрытия.

Недостаток электрохимического фосфатирования – низкая рассеивающая способность электролита. Вследствии, на деталях сложной формы фосфатное покрытие ложится неравномерно.

Фосфатирование цветных металлов
Фосфатированию часто подвергают многие цветные металлы. Чаще всего это цинк, магний, алюминий, кадмий, никель, титан.

Фосфатирование титана проводят для повышения его износостойкости, антифрикционных свойств. Процесс ведется при температуре 98 – 99 °С около 10 – 30 минут. Применяемый состав: 10 – 100 г/л ортофосфорной кислоты и такое же количество фторидов (NaF, NH4F или KF).

Магний фосфатируют в р-рах однозамещенных фосфатов для защиты от коррозии. Фосфатирование магния (как и алюминия) применяют реже, чем его оксидирование.

Для кадмия, алюминия, цинка и большинства цветных металлов фосфатная пленка используется в качестве основы перед нанесением лакокрасочного покрытия.

Алюминий фосфатируют в растворах ортофосфорной кислоты с содержанием CrO3 и NaF или HF. Пленки имеют голубовато-зеленый цвет, поэтому процесс получил название «голубое фосфатирование». Получившийся фосфатный слой тонкий (около 3 мкм), гладкий, аморфный, не отличается высокими защитными свойствами (имеет низкие прочностные характеристики). Состав покрытия таков: около 50 – 55% CrPO4, 17 – 23% AlPO4, 22 – 23% воды. После промывки в холодной воде и сушки при температуре ниже 60 °С фосфатная пленка становится более прочной, может выдержать температуру до 300 °С. Если готовое фосфатное покрытие на протяжении 10 минут обрабатывать в 10 % растворе K2Cr2O7 (при температуре 75 – 80 °С) – его коррозионная стойкость значительно увеличится.

Для фосфатирования кадмия, цинка применяют универсальный цинк-фосфатный раствор. Для получения фосфатной пленки на цинке можно использовать раствор на основе композиции Ликонда Ф1А, обработка ведется при температуре 19 – 40 °С на протяжении 5 – 10 минут. В итоге – на поверхности цинка образуется мелкокристаллическая серо-дымчатая фосфатная пленка с высокими защитными свойствами (лучше, чем при хроматировании).

Никель (его сплавы) фосфатируют только матовый, на блестящем покрытие почти не осаждается. Рекомендованный состав раствора: 15 г/л H3PO4, 13 г/л NaF, 200 г/л Zn(NO3)2. Длительность обработки – 35 – 45 минут при температуре 25 – 35 °С. рН раствора около 2,0.

Улучшение защитных свойств фосфатных пленок
Фосфатные пленки не обладают достаточными защитными свойствами из-за своей пористой структуры, поэтому после получения их еще дополнительно обрабатывают. Для этого применяют пассивирующие растворы K2Cr2O7 (калия дихромат) либо Na2Cr2O7 (натрия дихромат). Процесс ведется при температуре 70 – 80 °С. Пассивирование фосфатных пленок возможно в двух составах: 80 – 100 г/л хромата и 3 – 5 г/л. Для первого раствора время выдержки составляет 10 – 20 минут, и дополнительная промывка до сушки. Для второго – 1 – 3 минуты, после фосфатирования изделие сушат без предварительной промывки.
После проведения операции пассивирования готовые изделия пропитывают минеральным маслом (горячим), а далее гидрофобизируют (3 – 5 мин). Для гидрофобизации применяют 10 % раствор в бензине кремнийорганической жидкости ГФЖ-94.
Если деталь предназначена для холодной деформации – ее промывают и обрабатывают около 3 – 5 минут при 60 – 70 °С в мыльном растворе (70 – 100 г/л хозяйственного мыла).

Методы и составы для фосфатирования металлов

Проблемой защиты металла от коррозионного разрушения человечество озабочено с тех пор, как научилось выплавлять из руды медные изделия.

С тех пор производство стали значительно усовершенствовалось, разработаны и новые способы защиты от коррозии. Но несмотря на значительные достижения в этой области, обеспечить 100% неподверженность разрушению подобных изделий, в условиях земной атмосферы, практически невозможно.

Одним из наиболее совершенных способов предохранения железа от воздействия неблагоприятной среды и придания его поверхности повышенной износостойкости является фосфатирование.

Фосфатирование: действие защитного механизма

Фосфатирование металла представляет собой процесс покрытия поверхности цветных и чёрных сплавов тончайшей фосфатной плёнкой, которая надёжно защищает поверхность от ржавчины.

В узлах, работа которых сопряжена с постоянным процессом трения, данная технология позволяет значительно увеличить износостойкость контактируемых поверхностей. Процессу фосфатирования поддаются практически все сплавы, за исключением высоколегированной стали, на которой фосфатная плёнка образуется очень низкого качества.

Этот способ защиты металла от разрушения позволяет в течение очень длительного времени эксплуатировать изделия в следующих условиях:

• Повышенной влажности.
• Воздействию моторных масел.
• В среде органических растворителей.
• В электроустановках с напряжением до 1000 В.
• В качестве грунта под лакокрасочным покрытием.

Фосфатная плёнка отлично защищает основной материал в перечисленных условиях, но в щелочной и кислотной среде быстро разрушается. Поэтому прежде чем приступать к покрытию металла для защиты от разрушения, необходимо точно знать состав среды, где будет эксплуатироваться изделие, поверхность которого подверглось процессу фосфатирования.

Методы фосфатирования

Получение защитной фосфатной плёнки на поверхности можно различными способами, целесообразность которых зависит от габаритов обрабатываемой детали, а также от области применения защищённых таким способом металлических деталей и конструкций.

В промышленности наиболее часто используются следующие методы фосфатирования металлической поверхности:

1. Использование препарата «Мажеф».

Наиболее распространённый способ фосфатирования, который осуществляется в специальных фосфатирующих ваннах, наполненных раствором препарата «Мажеф» в концентрации до 40 г/л. Для образования устойчивой фосфатной плёнки, металлическое изделия помещают в раствор препарата, доводят его до кипения и при периодическом помешивании кипятят в течение 15 — 20 минут. Этого времени достаточно для покрытия металла защитным слоем.

Для того чтобы фосфатная плёнка образовалась надлежащего качества с толщиной защитного слоя до 5 — 10 мкм, поверхность изделия необходимо зачистить с помощью пескоструйного аппарата или абразивного круга.

Фосфатирование металла с помощью препарата «Мажеф» может быть использовано для покрытия низкоуглеродистой стали, особенно часто данный метод используется для получения качественного антикоррозийного грунта под покраску.

2. Применение фосфорной кислоты.

Данный метод позволяет получить холодное фосфатирование металла, но толщина защитного слоя, в данном случае, будет не более 5 мкм.

Для протекания стабильного процесса фосфатирования данным методом температура раствора должна быть в диапазоне от +18 до +25 градусов. Для получения высококачественного защитного слоя, необходимо чётко соблюдать процентное соотношения действующих веществ входящих в состав раствора.

Концентрация химикатов должна быть следующая:

1. Фосфорная кислота — 40 г/л.
2. Азотнокислый цинк — 200 г/л.
3. Сернокислый натрий — 8 г/л.
4. Окись цинка — 15 г/л.

Продолжительность обработки таким раствором составляет около 30 минут.

3. Использование монофосфата цинка.

Данный способ применяют для защиты стали применяемой в электрике и машиностроении. Защищаемую поверхность помещают в раствор следующих химикатов:

1. Монофосфат цинка — 20 г/л.
2. Нитрат натрия — 35 г/л.

Процесс фосфатирования осуществляется в растворе при температуре около +60 градусов. Продолжительность данной операции составляет 15 — 20 минут.

4. Применение фосфатирующей пасты.

Данный способ может быть использован при комнатной температуре. Рабочий состав пасты состоит из фосфатирующего раствора и наполнителя в соотношении 3/2. В качестве наполнителя может быть использован тальк или каолин. На обрабатываемую поверхность раствор наносится с помощью кисти.

Фосфатирование в домашних условиях

В домашних условиях могут использоваться методы защиты металлов, которые не получили широкого применения на производстве. Одним из таких способов покрытия поверхности защитной фосфатирующей плёнкой является электрохимическая обработка.

Для нанесения на поверхность защитной плёнки применяется переменный или постоянный ток. В качестве электролита используются раствор фосфорной кислоты или препарата «Мажеф».

Заготовка, на которую планируется нанести защитный слой устанавливается на электрод, который будет опущен в ванну с электролитом, в качестве анода используются цинковые стержни, к которым также подводится электричество.

Для качественной обработки металла достаточно 25 В постоянного или переменного тока. Процедура нанесения защитного слоя занимает около 30 минут. Данный способ фосфатирования идеально подходит для защиты деталей прямолинейной формы.

Если геометрия изделия подвергаемого таким способом обработки сложнее, то фосфатирующий слой ложится недостаточно равномерно, что значительно снижает защитные свойства данного метода нанесения фосфатной плёнки.

Многие методы фосфатирования, которые используются на производстве, могут быть применены в домашних условиях, при условии соблюдения техники безопасности при обращении с химическими составами, а также точного следования методики нанесения защитного слоя.

Препарат «Мажеф» может быть использован в домашних условиях. Применение данного химического соединения позволяет нанести на поверхность изделия фосфатную плёнку, которая является идеальным грунтом для окраски.

Фосфатирование металла перед покраской, надёжно защитит кузов автомобиля от воздействия ржавчины, даже в тех местах, где краска будет удалена в результате механического воздействия. Перед тем как приступить к нанесению защитного слоя, с поверхности удаляется пыль и грязь, также необходимо тщательно обезжирить поверхность металла.

Можно обойтись без самостоятельного приготовления рабочей смеси, для этого можно приобрести готовые растворы в аэрозольной упаковке, с помощью которых можно осуществить равномерное распыление вещества. Покраску можно будет производить только после того, как обработанный участок полностью высохнет.

Некоторые фосфатирующие составы для защиты металла, можно наносить кистью. При таком варианте нанесения защитной плёнки, необходимо следить за равномерностью распределения фосфатирующей грунтовки по поверхности изделия.

Если обрабатываемая деталь небольшого размера, то в домашних условиях можно осуществить горячий способ нанесения защитного покрытия. Для этой цели используется «Мажеф» или смесь фосфорной кислоты и азотнокислого цинка. При проведении такой операции следует соблюдать осторожность и использовать защитные приспособления для глаз, а работу производить в хорошо проветриваемом помещении.

P.S. Применение фосфатирования металла позволяет избежать возникновения ржавчины, поэтому не стоит пренебрегать данным способом защиты поверхности. Несмотря на то, что данный способ применяется, чаще всего для предохранения чёрных сплавов от разрушения, его можно использовать и для покрытия меди, кадмия и алюминиевых изделий.

Детали из алюминия после обработки таким методом надёжно защищаются от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, при этом на поверхности образуется голубоватый налёт, который может иметь декоративное назначение. Данная технология широко используется при изготовлении сувенирной продукции, но прежде всего применяется для защиты алюминия, при его размещении в помещениях с высоким уровнем влажности.

Фосфатирование металла и стали

Фосфатирование следует рассматривать как химический процесс образования фосфорнокислых солей железа, цинка и марганца на поверхности черных металлов. Фосфатирование является одним из самых простых, экономичных и надежных способов массовой защиты от коррозии для деталей из черных металлов, главным образом, для углеродистых и низколегированных сталей и для чугуна.

Основным ценным свойством фосфатной пленки является ее высокая коррозионная устойчивость во всех видах горючих, смазочных и органических масел, в бензоле, толуоле и во всех газах, кроме сероводорода. В очень агрессивных средах, например в щелочах, кислотах, аммиаке, в пресной и морской воде и в водяном паре фосфатная пленка нестойка. 0днако ее коррозионная стойкость может быть повышена во много раз после пропитывания ее смазочными маслами или лаками. Фосфатная пленка является наилучшим грунтом под окраску стальных корпусов легковых машин, которые после штамповки фосфатируют кругом и по фосфатному грунту окрашивают эмалями.

Важным свойством фосфатных пленок, особенно после пропитки их смазочными маслами, является существенное снижение трения при операциях холодного волочения, прокатки и глубокой вытяжки листовой стали. При введении этой операции снижается и потребная мощность оборудования и улучшается качество обработки. Фосфатирование применяется для защиты от коррозии цветных металлов (алюминия, цинка, магния и других металлов) и для гальванических покрытий, но основной областью применения все же является обработка черных металлов.

Высоколегированные стали, особенно хромовольфрамовые, хромованадиевые и стали, легированные медью, фосфатируются с трудом и образуют пленку низкого качества. Нержавеющие стали совсем не поддаются фосфатированию.

При перегибании фосфатированного листа железа на 180° фосфатная пленка дает трещину и осыпается в точках изгиба, но не отслаивается и не допускает дальнейшего проникновения коррозии под пленку. Пластичные кристаллы нерастворимых фосфатов создают высокоразвитую микропористую структуру фосфатной пленки. Поэтому фосфатная пленка хорошо впитывает и прочно удерживает различные лаки, краски и смазки. Пленка обладает высокими электроизоляционными свойствами, которые могут быть повышены путем ее пропитывания специальными изоляционными лаками. Толщина фосфатной пленки колеблется от 7-8 мкм до 40-50 мкм и зависит от вида механической обработки, способа подготовки поверхности к покрытию, а также от состава раствора и режима фосфатирования.

Фосфатирование не изменяет механических свойств стали. Твердость и износостойкость фосфатной пленки невелики. Жаростойкость и электроизоляционные свойства ее сохраняются до 550-600 °С.

Подготовка поверхности к фосфатированию существенно сказывается на качестве фосфатной пленки. Так, детали, имеющие чистовую механическую обработку кругом, фосфатируются с образованием тонкой, мелкокристаллической пленки толщиной до 6-10 мкм. Такие же результаты дает подготовка поверхности посредством очистки металлическим песком, гидропескоочистки и сухой галтовки с песком.

Травление приводит к образованию рыхлой, крупнокристаллической пленки толщиной до 40-50 мкм. Поэтому детали после травления промывают в 3-5%-ном растворе кальцинированной соды, затем промывают в воде и фосфатируют.

Высокотемпературное фосфатирование

Высокотемпературное фосфатирование проводят при температуре от 50 до 98 °С в различных препаратах. Наилучшая по качеству фосфатная пленка образуется при воздействии препарата «мажеф», который выпускается в виде серой массы с характерным кислым запахом и поставляется в деревянных ящиках или бочках. Этот препарат получил название по начальным буквам его составных частей: марганца, железа и фосфорной кислоты. Соответственно составу этого препарата и фосфатная пленка на черных металлах состоит из солей этих металлов, имеет темной серый цвет и пористую, мелкокристаллическую структуру.

Этот вид фосфатирования является наиболее распространенным процессом, так как раствор весьма прост по составу, а получаемая фосфатная пленка наиболее доброкачественна. 0бщепри-нятая концентрация препарата «мажеф» при фосфатировании равна 27-32 г/л. Растворение препарата «мажеф» сопровождается частичным его разложением, с образованием нерастворимых соединений, осаждающихся на дне ванны. Полностью удалять этот осадок со дна ванны нельзя, так как он участвует в образовании фосфатной пленки.

Зарядка ванны препаратом «мажеф» проста и состоит в отвешивании препарата из расчета 30 г/л и в засыпке его в кипящую воду в ванну при механическом перемешивании или барботиро-вании сжатым воздухом.

Для правильной эксплуатации ванны и получения доброкачественной фосфатной пленки необходимо, чтобы фосфатный раствор после зарядки или корректирования имел требуемую кислотность.

При фосфатировании без добавок процесс ведут при температуре раствора 96-98 °С. Для получения заданной температуры раствор доводят до кипения, после чего выключают нагревание и, дав осесть взмученному осадку, загружают деталь. Для поддержания температуры подогревание раствора ведут непрерывно, не давая раствору вскипеть, так как взмученный осадок, поднимаясь со дна, осаждается на поверхности деталей, придавая им грязный серый вид и ухудшая качество фосфатной пленки.

Реакция препарата «мажеф» с поверхностью деталей сопровождается бурным выделением водорода, которое постепенно снижается и заканчивается полностью, когда вся поверхность деталей покроется, без просветов, нерастворимой пленкой.

Для полной уверенности в окончании процесса детали выдерживают в ванне в течение 5-10 мин, после чего выгружают, промывают и сушат.

Продолжительность фосфатирования зависит от назначения фосфатной пленки. Так, при фосфатировании в целях защиты от коррозии, выдержка зависит от марки стали и состава раствора и колеблется в пределах от 15-20 мин до 1 ч. Для электроизоляционного покрытия обычно достаточно 30-40 мин, а для предохранения от затекания расплавленного металла достаточно 20-30 мин.

Приспособления для завешивания деталей при фосфатировании изготовляют из углеродистой стали. Мелкие крепежные детали фосфатируют в железных сетчатых корзинках (достаточно глубоких) для удобства перетряхивания деталей и устранения непокрытых участков. При наличии большой программы мелкие детали загружают в стальные перфорированные барабаны и фосфатируют в ваннах при их вращении, как это делается при гальванических покрытиях.

Корпус ванны фосфатирования сваривают из листового железа, без футеровки внутри. При подогревании паром ванну снаружи футеруют теплоизоляционной массой или обшивают деревом. В этом случае глухой паровой змеевик делают съемным и располагают его по задней стенке ванны, но ни в коем случае не по дну. Все указанные требования связаны с тем, что через несколько дней паровые змеевики, даже при их расположении вертикально, вдоль задней стенки ванн, покрываются твердой коркой нерастворимых фосфатов. Эта корка непрерывно увеличивается и в результате настолько затрудняет теплопередачу, что процесс нагревания до необходимой температуры удлиняется до нескольких часов, а затем достижение рабочей температуры становится невозможным. Именно поэтому корректировщик фосфатных ванн должен внимательно следить за длительностью нагревания и своевременно останавливать ванны для текущей очистки змеевиков. Для этой цели удаляют из ванны съемный змеевик, обрубают зубилом или молотком корку фосфатов и отбивают эту корку со стенок и дна ванны, после чего монтируют змеевик и заряжают ванну.

Для изготовления змеевиков применяют фосфористую бронзу, латунь или некелированные, или хромированные стальные трубы. Возможно также покрытие стальных змеевиков фторопластом.

Более удобен электрический нагрев ванн. Для этой цели наружный стальной кожух ванны футеруют внутри огнеупорным кирпичом, располагая нагревательные элементы вдоль стенок ванны, а корпус ванны делают съемным для удобства ремонта. Удаление водорода и паров воды производят посредством бортовых вентиляционных отсосов, а верх ванны после загрузки деталей закрывают крышкой.

Весьма экономичным мероприятием является покрытие зеркала ванны слоем поплавков из пустотелого полиэтилена или пенопласта.

Удельный расход препарата «мажеф» составляет 120-140 г на метр квадратный фосфатируемой поверхности. При фосфатировании деталей с большой поверхностью корректирование раствора производят после выгрузки каждой партии деталей. При накоплении на дне ванны большого количества осадка, мешающего нормальной эксплуатации ванны, раствор сливают, осадок вычищают из ванны и производят вновь зарядку ванны.

Помимо препарата «мажеф» при высокотемпературном фосфатировании применяются составы на основе следующих компонентов:

1. Фосфорнокислый цинк однозамещенный (монофосфат) Zn₂HPO₄;
2. Азотнокислый цинк Zn(NO₃)₂;
3. Азотнокислый барий, технический Вa(NО₃)₂, который может быть заменен азотнокислым кальцием Са(NO₃)₂.

При фосфатировании крупных деталей применяются электролиты, состав (г/л) и режимы обработки представлены в табл. 5.18.

Фосфатированные детали пассивируют раствором двухромовокислого калия концентрацией 2-3 г/л и сушат. Фосфатная пленка имеет светло-серый цвет, толщину 8-10 мкм, мелкокристаллическую структуру, обладает электроизоляционными свойствами и пригодна в качестве грунта под окраску или промасливание.

Низкотемпературное фосфатирование

Низкотемпературное фосфатирование можно использовать в качестве грунта под окраску, применяется следующий состав (г/л) и режим обработки:

• препарат «мажеф» — 25-30;
• азотнокислый цинк — 35-40;
• фтористый натрий — 5-10;
• температура, °С — 15-30;
• продолжительность, мин — 40.

Этот состав также используют для грунтовки перед окраской, с повышением концентраций препарата «мажеф» до 50-60 г/л и азотнокислого цинка до 50 и даже до 90 г/л. Фосфатная пленка имеет темно-серый цвет, мелкокристаллическую структуру и обладает хорошей сплошностью.

Указанный раствор в смеси с тальком в соотношении 3:2 применяют для фосфатирования больших поверхностей. Эти растворы можно наносить кистью. Для получения надежных результатов нанесение раствора производят трехкратно, с промежуточными сушками на воздухе. Затем детали промывают струей воды и раствором двухромовокислого калия концентрацией 23 г/л и сушат.

Таблица 5.18. Составы электролита и режимы работы.

Технология и способы фосфатирования металла

Фосфатирование металла как эффективный метод защиты. Способы и процесс выполнения. Свойства и преимущества фосфатированных поверхностей. Выполнение своими руками в домашних условиях.

Проблема защиты поверхности металлов от коррозии актуальна с того времени, как человечество принялось изготавливать из руды нужные ему вещи. Несмотря на постоянное совершенствование технологий, обеспечить полную защиту не удается. Эффективным методом предохранения от негативного влияния атмосферы и повышения износоустойчивости считается фосфатирование металла.

Описание и назначение технологии фосфатирования

Фосфатирование стали – обработка элементов из металлов веществами, основным компонентом которых является фосфорнокислая соль. На изделии формируется высокопрочная пленка, обладающая малой электропроводностью и препятствующая возникновению очагов коррозии. Благодаря значительному улучшению адгезионных свойств технология широко применяется также как подготовительный этап для металлических элементов перед покраской.

Фосфатирование практикуется для низколегированных и углеродистых сталей, чугуна, алюминия, цинка, кадмия, сплавов на основе меди. На элементах из высоколегированных марок формируется слой защиты невысокого качества.

Свойства и преимущества фосфатного покрытия

Подвергнутые фосфатированию детали из металла могут эксплуатироваться под влиянием различных факторов:

• высокой влажности;
• синтетических масел и лакокрасочных покрытий;
• органических химически активных веществ;
• напряжения до 1000 В.

Благодаря фосфатированию значительно повышается износоустойчивость поверхностей, находящихся в постоянном взаимодействии в узлах трения.

Формирующийся на поверхности стали, меди, алюминия и иных металлов слой создает надежную защиту в вышеперечисленных условиях, но не может сопротивляться щелочам и кислотам, водяному пару. Потому следует заранее выявить особенности применения изделия из металла, подвергаемого фосфатированию.

Суть процесса

При реакции образуется три типа солей:

• однозамещенные фосфаты;
• дигидрофосфаты;
• фосфаты.

При фосфатировании происходит образование фосфатов и разжижение металла.

Однозамещенные соли возникают в процессе первоначального контакта кислоты и металла. При последующих соприкосновениях появляются двух- и трехзамещенные соли.

К главным элементам слоя относятся малорастворимые фосфаты, параметры которых устанавливаются свободной и основной кислотностью примененного вещества, происхождением катионов, количеством монофосфатов в объеме слоя.

Для форсирования процесса формирования пленки в рабочую жидкость рекомендуется включать окисляющие ионы (ClO₃, NO₂, NO₃).

Виды фосфатирования

• погружением элементов в емкость, заполненную активной жидкостью;
• рассеиванием в камере;
• нанесением фосфатирующей грунтовки.

Специализированная линия фосфатирования повышает производительность труда при обработке элементов из металла в серийном изготовлении.

Холодное (низкотемпературное)

Технология подразумевает обработку поверхности при 20–40 °C. Холодное фосфатирование выполняется по одному из следующих способов:

1. Резервуар наполняется жидкостью, в которую в соответствии с объемом загружается требуемое количество соли «Мажеф». Заранее вскипяченный и отстоянный фтористый натрий и нитрат цинка добавляются в жидкость. Для увеличения уровня кислоты дополнительно на каждую точку следует внести 1,5 г «Мажефа» и по 2–3 г нитрата цинка и фтористого натрия.
2. Раствор основан на концентрате, состоящем из 80 г монофосфата цинка, 750 г нитрата цинка, 160 г кислоты фосфорной, 40 г соды и 1 л воды. Для приготовления 100 л фосфатирующей жидкости на 85 л воды вливается 12 л натра едкого, затем вновь добавляется 3 л воды и 40 г натрия нитрита. Показатель кислотности при фосфатировании регулируется с помощью едкого натра.

Нормальное

Продолжительность процесса определяется от начала отделения водорода плюс 5–10 минут. Суммарная кислотность жидкости принимается порядка 30 точек, свободная – 3–4 точки.

Точка является единицей измерения кислотности. Одна единица устанавливает количество в мл 0,2 н. щелочного раствора, приходящегося на титрование 10 мл жидкого фосфата.

При превышении свободной кислотностью принятой величины параметры фосфатного слоя ухудшатся, продолжительность формирования защиты металла увеличится, пленка получится слишком малой толщины.

Для формирования утолщенного фосфатного слоя с тонкокристаллическим строением и улучшенными защитными параметрами нужно увеличить удельную долю «Мажефа» до 100–120 г/л. Вместе с этим следует снизить нагрев рабочей жидкости до 80–85 °C.

Для фосфатирования высоколегированных изделий препарат «Мажеф» добавляется в объеме 30–32 г/л. Выдержка в фосфатирующем растворе выполняется на протяжении 45–60 минут при 100 °C.

Ускоренное (электроизоляционное)

Для фосфатирования листовых деталей из кремнистых и электротехнических сталей следует заранее убрать оксид кремния, появляющегося на поверхности при изготовлении. Для этого детали располагают в установке вертикально с малыми зазорами, требующимися для промывания удаленного вещества. После изделия подвергаются обезжириванию под воздействием щелочи, промываются и передаются на травление в соляной кислоте.

Далее элементы обрабатываются проточной водой, пассивируются опусканием в жидкость с кальцинированной содой, вновь промываются и поставляются в емкость.

Фосфатирование поверхности металла проводится на протяжении 30–40 минут в нагретом растворе с «Мажефом» объемом 30 г/л. По завершении процесса изделия промываются струей воды, пассивируются в нагретом 5–10%-м растворе дихромата калия, обдаются горячей водой и просушиваются.

Образованный после фосфатирования на поверхности металла слой серого цвета глубиной 15–20 мкм имеет тонкокристаллическое строение.

Электрохимическое

Фосфатирование поверхности металла по данной методике выполняется с использованием веществ, применяемых для предыдущего метода, но под воздействием электротока.

Детали располагаются на применяющихся в качестве катодов шлангах, анодами являются стальные либо цинковые пластинки. Подается ток 0,3–3,0 А/дм². Процедура занимает 5–20 минут.

Сформированная таким способом пленка может служить как предварительный слой для будущей покраски.

Химическое фосфатирование имеет серьезный недостаток – небольшую разделяющую способность электролита, из-за чего пленка на металл укладывается прерывисто.

Основные способы обработки

Препаратом «Мажеф»

Обработка солью «Мажеф» – разновидность химического фосфатирования. Деталь опускается в емкость с подготовленным фосфатирующим веществом. «Мажеф» используется для элементов и конструкций в качестве антикоррозионной грунтовки перед последующей окраской.

«Мажеф» – это гранулы зеленого цвета, по форме похожие на соль. Вещество состоит из фосфора, железа и марганца.

Количество препарата «Мажеф» – 50–70 г/л воды. Металл опускается в приготовленный для фосфатирования состав, подогревающийся и постепенно доводящийся до кипения с постоянным перемешиванием. Емкость кипятится 15–20 минут, такого срока хватает для формирования на металле пленки толщиной 5–10 мкм.

Следует приготовить состав с небольшим запасом, так как при кипении некоторая его часть испаряется.

Фосфорной кислотой

• кислота фосфорная – 40 г/л;
• нитрат цинка – 200 г/л;
• натрия сульфат – 8 г/л;
• цинка оксид – 15 г/л.

В полученном растворе элемент либо конструкция из металла проходит струйную обработку на протяжении получаса.

Такая технология оптимально подходит для крупногабаритных изделий. По сравнению с применением ванн продолжительность процесса снижается, уменьшается расход применяющихся веществ.

Метод с монофосфатами цинка

• цинка монофосфат – 20 г/л;
• натрия нитрат – 35 г/л.

Металл фосфатируется в ванне при реакции с раствором, прогретым до 60 °C, на протяжении 20 минут.

Обработка фосфатирующими пастами

• процедура выполняется без нагрева;
• грунт наносится на металл обыкновенной кистью;
• для работы не требуется емкость.

В составе грунтовки имеются металлический пигмент и растворяющее вещество на базе ортофосфорной кислоты, а в составе лакокрасочных материалов – цинк. При реакции с кислотой цинк окисляется, формируя прочную пленку.

Фосфатирующие грунтовки и пасты широко применяются для любых деталей независимо от размеров. Поверхность необходимо пассировать для повышения адгезии.

Фосфатирование в домашних условиях

Для формирования защитного слоя требуется применение электротока. В качестве электролитических жидкостей применяются разбавленные «Мажеф» либо фосфорная кислота. Элемент, подлежащий обработке, ставится на погруженный в емкость электрод. На стержни из цинка, использующиеся в роли анода, также подается ток напряжением 25 В. Вся процедура занимает порядка получаса.

Такой способ подходит для изделий с прямолинейными очертаниями; объемные элементы сложной геометрической формы подвергаются обработке хуже: пленка на них укладывается неровно, что снижает ее характеристики.

Приготовление реагентов

Способы проверки качества пленки

Контроль качества образованного в результате фосфатирования покрытия осуществляется по нескольким параметрам.

Цвет слоя – от серого до черного, светло- либо темно-серый (для оцинкованных изделий).

Не относятся к браку:

• неоднородность кристаллов;
• наличие белесого налета, легко стираемого;
• присутствие шлама;
• разводы, натеки и пятна.

Не допускается наличия крупных шламовых отложений, необработанных пятен либо полосок, царапин металла, коррозированных участков.

1. Удельный вес покрытия, приходящийся на площадь, должен составлять 3–8 г/м².
2. Строение. Фосфатный слой, на который в дальнейшем предполагается нанесения лакокрасочного покрытия, должен иметь тонкокристаллическое строение.
3. Защитные параметры.

Испытания проводятся по ГОСТ 9.302-88. Обработанный металл после проверки должен сохранять свой цвет, на пленке не должны присутствовать коррозированные участки, кроме острых кромок и точек соединения неразъемных конструкций.

1. Маслоемкость покрытия должна быть более 2 г/м².
2. Тщательность промывки. Удельная токопроводимость жидкости после промывания металла должна быть менее ее первоначального значения, увеличенного в три раза.

А вы сталкивались когда-нибудь с фосфатированием изделий из металла? Может быть, вы занимались этим дома самостоятельно? Поделитесь, пожалуйста, своим опытом в комментариях.

Технология фосфатирования – залог долговечности металла

Перед покрытием металлических конструкций лакокрасочным составом поверхность подвергают специальной обработке смесью фосфорнокислых солей. Качественно выполненное фосфатирование обеспечивает долговечность внешнего покрытия, защищая основу от коррозии. Благодаря пленке фосфатов повышается адгезия краски к основному материалу при существенном замедлении подпленочной коррозии по случаю повреждения краски.

Зачем нужно фосфатирование металла

В процессе эксплуатации металлические изделия изнашиваются, страдают от разрушающего воздействия атмосферных факторов и коррозии. Обычное вскрытие поверхности лакокрасочными составами полностью не избавляет от проблемы разрушения механизмов с течением времени. Для повышения износостойкости металлических изделий их подвергают фосфатированию. Процедура способствует появлению на поверхности металла тонкого защитного слоя, который на длительное время обеспечит металлу защиту от окисления с образованием ржавчины.

Технология создания защитной пленки впервые была применена в 1869 году путем погружения раскаленной стали в раствор фосфорной кислоты. Первую процедуру фосфатирования железа, а также стали без нагрева материала осуществили в 1906 году.

Особенности фосфатных покрытий

Фосфатирование в условиях промышленных предприятий выполняется двумя методами – распылением защитного состава либо погружением в него металлического изделия. Для приготовления пленочного вещества используют нерастворимые в воде фосфорнокислые соли – марганец плюс железо или цинк с железом. Получаемый состав, взаимодействующий с металлом, обладает рядом полезных характеристик.

Параметры	Краткий обзор особенностей
Толщина покрытия	Обычно она в пределах 2-50 мкм, но конкретная величина определяется условиями подготовки основы и режима нанесения слоя. В составе слоя две части – плотно связанная с металлом (пористая или гладкая) среда и наружный пласт, характеризующий уровень качества фосфатной пленки
Цветовой показатель	Конкретный цвет поверхности после фосфатирования зависит от типа и состава основного материала. Поверхности цветных металлов и сталей с малым содержанием углерода, которые прошли обработку растворами высокой кислотности, станут серыми (светлого или темного оттенка). Высоколегированная сталь, а также чугун после протравки приобретают темный цвет, зеленоватый оттенок указывает на присутствие в металле основы хрома и никеля
Структура	Обработка марганцевофосфатными эссенциями способствует формированию крупнокристаллического защитного вещества. Для мелкокристаллического покрова (толщина 5-10 мкм), образующегося после обезжиривания, характерны качественные защитные свойства с высокой адгезией

На фосфатирование металла перед покраской изделия не уходит много времени (около часа), а обработанная основа должна хорошо высохнуть перед проведением дальнейших манипуляций. Защитную пленку непросто разглядеть, но она способна выдерживать высокие (до +500°С) и низкие температуры (до -75°С), воздействие напряжения до 500 В. Дополнительная пропитка лаками (масляный, бакелитовый) повышает уровень пробивного напряжения фосфатного пласта.

Польза технологии

После обработки фосфорнокислой солью металлическая поверхность изделия покрывается высокопрочной пленкой малой электропроводности, препятствующей формированию коррозийных очагов. Значительное увеличение адгезивных свойств после обработки основы позволяет широко применять технологию для подготовки металлических конструкций к покраске, защищающей механизмы не только от износа. Фосфатирование помогает:

• улучшить процесс скольжения соприкасающихся элементов;
• облегчить выполнение холодной штамповки стали;
• защитить магниты от действия коррозии;
• повысить стойкость стали к окислению при высоких температурах;
• обеспечить удержание масляно-мыльных структур на поверхности металлов.

Процедуру фосфатирования можно применять практически ко всем видам сплавов – низколегированным и углеродистым сталям, медным сплавам, алюминиевым, чугунным и цинковым деталям. Качество фосфатной пленки, покрывающей высоколегированную сталь, будет низким.

Этапы подготовительных работ

Немаловажную роль для качества поверхностной защиты играет правильное выполнение подготовительных мероприятий, обеспечивающих получаемому покрытию весь спектр полезных свойств. Важно очистить металл от следов ржавчины, удалить остатки устаревшего покрасочного слоя путем механической, химической или термической обработки.

Механическая очистка

Технология ручного очищения основы наиболее эффективна, для обработки потребуется следующий инструмент:

• прочные щетки с проволочной щетиной;
• специальные диски для шлифования;
• агрегат пескоструйного типа (абразив и сжатый воздух).

На площадках промышленных предприятий подготовку поверхностей для последующего фосфатирования выполняют при помощи гидроабразивной очистки путем нанесения абразивной смеси с водой под высоким давлением воздуха. Методика позволяет полностью избавиться от всех водорастворимых загрязнений.

Химический способ

Фосфатирование металла может потребовать удаления ржавчины при помощи химических реагентов, смываемых и не смываемых. На поверхность металлической конструкции вещества наносят кистью либо пользуются методом распыления. Для обработки обычно используют следующие реагенты:

1. Кислота серная или соляная. 5%-е кислотные растворы допускается обогащать смесью, замедляющей коррозию (ингибитор).
2. Кислота ортофосфорная. Состав 15 либо 30%-я эссенции способен преобразовывать ржавчину в аналог защитного покрытия.
3. Оксипропионовая кислота. Нанесение смеси масла вазелинового (100 мл) с 50 г кислоты позволяет превратить очаги ржавчины в соль, легко удаляемую ветошью.

После использования смываемых составов для удаления ржавчины поверхность следует немедленно высушить, обработать антикоррозийным агентом. Несмываемые смеси, взаимодействуя с металлом, образуют грунтовочный пласт, который смывать водой не стоит.

Термическая обработка

С поверхности металлоконструкций следы устаревшей краски удаляют паяльной лампой. По ходу нагревания металла лакокрасочное покрытие подвергается постепенному отслаиванию, что позволяет с легкостью удалить загрязнения при помощи металлической щетки либо обычного шпателя. Термический способ зачистки экономит время, но подходит не для всех типов поверхностей, угрожает высокой пожароопасностью. Для зачистки оцинкованного и листового материала, а также чугуна не подходит по причине реальной деформации или разрушения изделия.

Необходимость обезжиривания

Процедура способствует улучшенному слипанию металла с нанесенной грунтовкой и лакокрасочным веществом. Обезжиривание можно выполнять любыми составами, растворяющими жиры и ржавчину, удаляющими органические наслоения. Чаще всего пользуются комплексными соединениями типа:

• керосина или уайтспирита;
• обезжиривателей на спиртовой основе;
• номерных нитрорастворителей.

От бензина лучше отказаться, он покрывает основу невидимым масляным налетом, ухудшающим адгезию с красящим веществом. При выполнении обезжиривания необходимо соблюдать меры безопасности – работать в хорошо проветриваемом помещении, защитив лицо очками и респиратором, а руки – резиновыми перчатками.

Кратко о сути фосфатирования

Процесс обработки базируется на использовании фосфорной кислоты (H₃PO₄). Сразу после контакта металла с кислотой выделяются дигидрофосфаты Me(H₂PO₄)₂. Дальнейшее взаимодействие металла и кислоты приводит к уменьшению ее концентрации с образованием двух типов солей:

• двухзамещенных MeHPO₄ (моногидрофосфаты);
• трехзамещенных Me₃(PO₄)₂ (фосфаты).

Благодаря свойствам трех видов солей фосфорной кислоты формируется труднорастворимый покров из фосфатов, защищающий поверхность металла от коррозии. Процедура сопровождается осаждением фосфатов с последующим растворением металла основы.

Популярные виды создания защитного слоя

Получение защитной пленки выполняют методом погружения обрабатываемого изделия внутрь специальной емкости с фосфатирующим раствором. Также фосфатную смесь можно наносить путем ее распыления в герметизированной камере либо методом грунтовочной облицовки. Фосфатирование стали под покраску реализуют выбором химической или электрохимической обработки. Создание фосфатного налета для черных металлов выполняется несколькими способами – холодным, нормальным, ускоренным, электрохимическим.

Холодная обработка

Растворы для этого метода фосфатирования не требуют подогрева, их температура составляет 20–40 °C. Хотя толщина фосфатного покрытия получается небольшой, но именно это позволяет использовать его как основу для нанесения краски. Для низкотемпературной облицовки выбирают один из фосфатирующих методов:

1. В жидкость, которой наполнен резервуар, добавляют соль «Мажеф» (30-35 г на литр). Затем вводят требуемый объем смеси из фтористого натрия (5-15 г/л) и нитрата цинка (35-45 г/л). Смесь необходимо заранее вскипятить, дать ей отстояться. Если нужно повысить кислотность раствора, вносят дополнительную порцию «Мажефа» (1,5 г), а также по 3 г фтористого натрия и нитрата цинка.
2. Для приготовления 1 литра раствора понадобится взять монофосфат цинка (80 г), нитрат цинка (750 г), кислоту фосфорную (160 г) с добавлением едкого натра (40 г). Если нужно приготовить 100 литров жидкости для фосфатирования, к 85 л воды добавляют 12 л раствора каустической соды, затем еще 3 литра воды и нитрат цинка в количестве 40 г. Кислотность раствора регулируют при помощи едкого натра.

В зависимости от состава и концентрации антикоррозийного вещества холодная обработка металлоконструкций занимает от 15 до 40 минут. При увеличении температуры раствора удается получать покрытие мелкозернистого типа. Главный недостаток холодной методики – быстрая гидролизация растворов с увеличением свободной кислотности, что ухудшает качество покрова.

Нормальное фосфатирование

Этот вариант нанесения фосфатного покрытия подразумевает использование препарата «Мажеф». Порошок с зеленоватым оттенком представляет собой аналог соли, обогащенной марганцем, железом, фосфором. Препаратом пользуются для подготовки металлических изделий к покраске в качестве антикоррозийной грунтовки

Для достижения результата обработки жидкость, обогащенную солью (30-35 г/л), необходимо нагреть до температуры не более 98°C. Меньшая температура раствора вызывает кристаллизацию облицовочного слоя, а более высокая приводит к повышению шламообразования.

Продолжительность фосфатирования по нормальной методике рассчитывается от времени высвобождения водорода с прибавлением 5-10 минут на выдержку. Показатель общей кислотности раствора должен достигать 30 точек при 3-4 точках свободной кислотности.

Точкой эквивалентности принята величина условной единицы измерения кислотности (свободной и общей) раствора, равной 1 мл 0,1 н. растворенного едкого натра, который необходим для титрования 10 мл фосфатной смеси.

Чтобы добиться утолщения фосфатного слоя усиленной защиты, имеющего тонкокристаллическое строение, необходимо увеличить объем соли «Мажеф» до 120 грамм на литр жидкости. Рабочий состав придется нагревать до температуры, не превышающей 85 °C.

Способ ускоренной обработки

Методику быстрого фосфатирования обычно применяют для промышленной защиты металлоконструкций, но процесс требует более тщательной подготовки поверхности изделий. Подготовка стальных (листовых) деталей включает следующие этапы:

• очищение поверхности с обезжириванием основы щелочью, промывание;
• протравливание чистого изделия в растворе соляной кислоты, затем водой;
• пассивирование в растворе кальцинированной соды с итоговым промыванием.

Химическое фосфатирование очищенной поверхности ускоренным методом продолжается от 15 до 40 минут в зависимости от состава рабочей жидкости. Чаще всего нагреваемый раствор готовят с препаратом «Мажеф» (30 г/л), тогда процесс занимает около 40 минут. Завершив обработку, листовые детали промывают проточной водой, затем подвергают пассивированию в теплом растворе (5-10 %) дихромата калия. На завершающем этапе изделия с защитной пленкой промывают в горячей воде, затем отправляют сушиться.

Электрохимическая методика

Процесс фосфатирования реализуется с использованием растворов, аналогичных ускоренному способу. Отличие в подведении электротока (постоянный либо переменный), что повышает показатели производительности. Для нанесения защитного покрова металлоизделия размещают на штангах (катоды). В качестве анодов применяют пластины, изготовленные из цинка или углеродистой стали. Плотность подаваемого тока в пределах 0,3-3 А/дм 2 , а на саму обработку уходит 5-20 минут.

Серьезным недостатком электрохимического способа защиты металла от коррозии можно назвать низкую рассеивающую способность раствора электролита. Эта особенность оборачивается созданием неравномерного защитного слоя на сложных поверхностях.

Обзор методов фосфатирования

Создать фосфатную пленку, защищающую поверхность металла от агрессивных факторов, можно несколькими способами. Выбор конкретного метода химической обработки зависит от различных факторов, главные из которых – размеры металлоконструкций и область их применения.

Выбор препарата «Мажеф»

Химический способ фосфатирования с «Мажефом» признан наиболее распространенным, но для его осуществления понадобится специальная фосфатирующая ванна. Концентрация раствора составляет 40-70 грамм препарата на литр жидкости.

Как проходит обработка:

• изделие опускают в емкость с фосфатирующим составом;
• резервуар постепенно подогревают, а раствор постоянно перемешивают;
• деталь кипятят 29 минут, за это время она покрывается защитным налетом (5-10 мкм).

Методику фосфатирования на основе соли «Мажеф» применяют для создания антикоррозийного пласта. На поверхностях деталей из сталей низкоуглеродистой категории создается качественный грунтовочный слой.

Преимущество фосфорной кислоты

Химическое вещество применяют для холодного варианта обработки металла. Чтобы получит качественный защитный покров, необходимо точно придерживаться процентного содержания компонентов рабочего состава. Правильная смесь предусматривает следующую дозировку химикатов в г/л:

• азотнокислого цинка – 200;
• фосфорной кислоты – 40;
• окиси цинка – 15:
• сернокислого натрия – 8.

При стабильных параметрах фосфатирования удается получить защитный слой толщиной до 5 мкм. На обработку уйдет 30 минут при обеспечении температуры раствора максимум 18–25 °C. Технологию выбирают для облицовки изделий особо крупных габаритов, методика струйного нанесения экономит расходный материал.

Выбор монофосфатов цинка

Процесс цинкования металлоизделий актуален для промышленной обработки металлоконструкций машиностроительного и электротехнического направления. Грунтование реализуют погружением деталей в смесь химикатов определенной пропорции:

• нитрата натрия – 35 г/л;
• монофосфата цинка – 20 г/л.

Фосфатирование осуществляется при поддержании температуры раствора до +60 °C, формирование защитного пласта занимает не более 20 минут.

Преимущества фосфатирующих паст

Обрабатывающая технология основана на применении специализированных составов фосфатирующего типа. Пасту наносят при помощи кисти, а саму процедуру выполняют в условиях комнатной температуры. Способ создания защитной пленки для дальнейшей покраски деталей имеет два важных преимущества:

• нет потребности в приготовлении рабочей жидкости и ее нагреве;
• простое нанесение грунтовки на металл при помощи кисти.

Особенность грунтовочного состава – присутствие металлического пигмента в растворе ортофосфорной кислоты. Лакокрасочные составы содержат цинк, который вступает в реакцию с кислотой, а процесс окисления формирует пленку особой прочности.

Облицовку металлических деталей фосфатным налетом допускается проводить в домашних условиях по плану электрохимического фосфатирования. Домашняя технология отличается от промышленного варианта отсутствием возможности провести в бытовой обстановке полноценную химобработку поверхности. По этой причине для создания фосфатированного покрытия выбирают детали прямолинейной (простой) конфигурации.

Используемая литература и источники:

• Улиг Г. Коррозия металлов (основы теории и практики). — Металлургия, 1968.
• Антикоррозионная защита / Козлов Д.Ю.. — Екатеринбург: ООО «ИД «Оригами», 2013.
• Верник С., Пиннер Р. Химическая и электролитическая обработка алюминия и его сплавов. — Л, 1960.