Краткие теоретические сведения

Для химической промышленности борьба с коррозией является одним из решающих факторов, определяющих себестоимость и качество продукции. В ряде случаев возможность производства продукта определяется наличием коррозионно-стойкого материала. Для борьбы с коррозией металлов, в первую очередь черных, широко применяются различные средства: легирование, покрытие цветным металлом, нанесение защитных пленок (оксидирование, фосфатирование, хромирование), нанесение лаков или красок и т. п.

Фосфатированием называется процесс нанесения на поверхность металла защитной пленки, состоящей из практически нерастворимых солей фосфорной кислоты. Благодаря простоте осуществления и дешевизне процесса, фосфатирование является одним из распространённых методов защиты металла от атмосферной коррозии. В растворах кислот и щелочей фосфатные пленки разрушаются. Фосфатные покрытия имеют черный цвет, обладают значительной твердостью, но сравнительно хрупки, пористы и сами по себе еще не обеспечивают достаточной защиты изделия, поэтому применяются главным образом в сочетании с лакокрасочными покрытиями, а именно в качестве подслоя перед нанесением лаков, чтобы улучшить сцепление последних с покрываемой поверхностью. В этом случае пористость фосфатной пленки является положительным фактором, так как способствует прочному сцеплению с лакокрасочными покрытиями. Часто фосфатные пленки обрабатывают хроматными растворами и пропитывают смазкой. Такая дополнительная обработка значительно повышает защитные свойства пленки. Фосфатирование применяется также в сочетании со смазками для уменьшения трения в ряде механических операций, а также для покрытия таких деталей, как болты, гайки и т. д. Фосфатированию подвергают в основном углеродистые стали, так как в этом случае получается наиболее равномерная фосфатная пленка с хорошей адгезией покрытия с металлической поверхностью.

Фосфатирование поверхности металла происходит в результате его взаимодействия с растворами гидроортофосфатов железа и марганца, т. е. мажефа, состав которого в общем виде выражается формулой Ме(Н₂Р0₄)₂, где Me – железо или марганец. Мажеф – кристаллическое вещество сложного состава, формула которого nFe(H₂PO₄)₂ + mMn(H₂PO₄)_2. В последнее время разработан способ фосфатирования черных металлов в растворе дигидрофосфата цинка Zn(H₂ PO₄)₂ . (Методику приготовления этого раствора смотри в инструкции к лабораторной работе.)

В результате многоступенчатой электролитической диссоциации
соли по уравнениям Me (H₂PO)₂ —> Me²⁺ + 2H₂PО₄^-

H₂PО₄^- = Н⁺ + HPО₄^2-

HPО₄^2- = Н⁺ + PО₄^3-

раствор мажефа имеет слабокислую реакцию. Поверхность металлического изделия, погруженного в раствор мажефа, дифференцируется на анодные и катодные участки. Анодные участки, разрушаясь, посылают в раствор ионы железа: Fe – Fe²⁺ + 2е

На катодных участках происходит процесс:

2Н⁺ + 2е Н₂

В результате этих процессов раствор, граничащий с поверхностью изделия, обогащается ионами железа.

Вследствие того, что произведения растворимости солей МnНР0₄ и FeHPО₄, а также Fe₃(PО₄)₂ и Мn₃(РО₄)₂ очень невелики, слой раствора, граничащий с поверхностью изделия, становится пересыщенным относительно этих солей, которые и кристаллизуются на поверхности металла, образуя фосфатное покрытие по реакциям:

Ме²⁺ + HPO₄^2- МеНРО₄

3Ме²⁺ + 2PO₄^3- Ме₃(РО₄)₂

Качество фосфатных покрытий сильно зависит от условий фосфатирования. Главные факторы, влияющие на защитные свойства фосфатных покрытий: 1) концентрация соли в растворе; 2) продолжительность фосфатирования; 3) температура процесса; 4) состояние фосфатируемой поверхности.

По опытным данным установлено, что высокое качество покрытий может быть получено из раствора, содержащего препарат мажеф в количестве 27–30 г /дм³при 86–98°С или из цинкофосфатного концентрата. При более низких температурах фосфатирование протекает очень медленно и при недостаточно прочном сцеплении фосфатной пленки с поверхностью металла. Полученная при более высоких температурах фосфатная пленка отличается большой пористостью и шероховатостью.

Окончание процесса фосфатирования соответствует моменту прекращения выделения водорода из раствора. Период времени, протекающего от погружения изделия в раствор мажефа до момента прекращения выделения водорода, колеблется в пределах от 80 до 100 минути зависит не только от концентрации раствора, температуры, состава металла и состояния поверхности, но и от содержания примесей, способа подготовки поверхности и т. п. Установлено, что при некоторых условиях лучшее покрытие можно получить в несколько раз быстрее, чем требуется времени до момента полного прекращения выделения водорода. Из этого следует, что более высокими защитными свойствами обладают тонкие пленки. Очевидно, более толстые пленки, отличающиеся большими внутренними напряжениями, обычно содержат трещины, сильно понижающие качество фосфатных покрытий.

В таблице 2.7.1 приведены данные, характеризующие время полного фосфатирования (время с момента погружения изделия в раствор до прекращения выделения водорода из раствора) и время оптимального фосфатирования (время, в течение которого образуется пленка с оптимальными защитными свойствами).

Чтобы интенсифицировать процесс фосфатирования, который на практике идет, как правило, не менее 45–60 минут, применяют специальные приемы, например добавки солей металлов с более положительным потенциалом, нежели у железа. Так, при добавлении солей меди (около 1 % от количества фосфатов железа и марганца) при 95–98°С образуется защитная пленка фосфатов марганца, железа и меди, а длительность фосфатирования снижается до 8–10 минут.

Таблица 2.7.1

Время фосфатирования, мин

Помимо химического метода, применяют и электрохимическое фосфатирование в растворе фосфата цинка при 60–70 °С, напряжении около 20 В и плотности тока 4 а/дм², В этих условиях длительность фосфатирования составляет всего 4–5 минут, причем полученная пленка обладает лучшими антикоррозионными свойствами, чем пленка, нанесенная химическим способом.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: