钢铁件磷化处理技术的应用及发展趋势

摘 要：本文就钢铁的磷化处理做了较为详细的叙述，包括磷化处理的分类、工艺、磷化液

的选取原则，以及钢铁磷化处理发展过程，最后主要从磷化药剂和磷化设备两方面来简述了磷化处理未来的发展趋势。

关键词：钢铁磷化处理；工艺；原理；磷化剂；发展趋势

Abstract: In this paper, phosphate processing steel do a more detailed description, including the classification of phosphate processing, process, selection principle phosphate solution, as well as iron and steel phosphate processing development process, the last major pharmaceutical and phosphate from phosphate both devices to briefly phosphating future trends. Key words: Iron phosphate treatment; Principle; Bonderite; Development trends.

1、引言

目前随着国民经济的快速发展，钢铁已变成现代生产生活中必不可少的金属材料。由于铁的物理化学性质决定了它极易受环境的影响，与周围的介质发生化学反应生成锈蚀，使后处理的质量无法保证，从而减少使用寿命。为解决这个问题，研究金属的防护措施，采用磷化处理技术。钢铁表面磷化处理，是用化学的方法对要涂装的金属制品进行的必要的预处理。将金属表面与含磷酸二氢盐的酸性溶液接触，通过化学与电化学反应形成一种稳定的、不溶性的无机化合物膜层的过程，这层膜称之为磷化膜1。其主要作用是：通过对金属表面的磷化预处理。使之易涂装、易喷塑、易涂蜡和上防锈油等，并能提高金属表面的耐腐蚀性能，有效抑制涂层下的腐蚀．磷化技术广泛应用于车辆、船舶、轻工、化工、机械、电器及国防等领域。其处理方法由最初的纯浸渍法发展到喷淋法、锟除法以及浸喷混合法的自动化生产；其体系由单一金属体系(铁)到今天的多元体系(铁、锌、锰、镍、钙)；添加剂也从无到有，改善了磷化膜的质量，提高了成膜速度；黑色金属的黑化和磷化相结合，在金属表面生成的共生膜，起到了装饰、防护作用，有着广阔的应用和推广价值2。

2、钢铁磷化的分类：

按磷化工艺温度分类：大致分为：高温磷化．80～98℃；中温磷化，45～80℃；低温磷化，30～45℃；室温磷化，5～30℃3-4。按磷化膜单位膜重分大致分为：薄膜型磷化，膜重小于l～ll0g/m ；中等膜型磷化，膜重l~10g/m。；厚膜型磷化．膜重大于10g/m 。按成膜主要金属离子分：更多的情况是以构成磷化膜的主要金属离子作为划分标志，这样又可分为锌系磷化、锰系磷化、铁系磷化、锌-2钙系磷化、锌一锰系磷化、碱金属磷化等5。

高温磷化：有纯锰系高温防锈磷化，这类磷化所形成的磷化膜防锈效果最为理想，应用最为广泛，溶液中往往加入少量镍盐及盐为促进剂除此之外，还有锌系高温厚膜磷化。中温厚膜磷化：高温磷化温度高，能耗高，溶液蒸发量大，稳定性差。中温磷化能耗低，磷化速率快，且磷化膜的防锈性能与高温磷化的接近，其酸比控制在10～15，因此中温厚膜磷化应用日趋增多6-7。室温磷化：常温发黑工艺常存在一些问题，如溶液稳定性差、沉淀量多，膜层与基体结合不牢固且易粉化，抗蚀性有限等8-9。为此，在常温发黑体系中引入了磷化成分，使处理液能同时进行黑化与磷化处理，从而将氧化、磷化的优点巧妙地结合在一起，克服各自的缺点。

3、磷化工艺

传统的磷化工艺如下10：

除油一热水洗一冷水洗一酸洗除锈一冷水洗一中和一冷水洗一活化一冷水洗一磷化一热水洗一冷水洗一钝化一烘干。即为除油、除锈、活化(表面调整)、磷化、钝化。

防锈磷化工艺流程11：工件一脱脂一水洗—酸蚀一冷水洗—磷化—水洗—钝化—水洗一皂化—干燥一油封。

除油：除油的方法大致分为：有机溶剂法、水乳化溶剂法和碱性溶剂法三种。有机溶剂法采用的有机溶剂有以下几种：汽油等石油系溶剂、苯等芳香族溶剂、三氯乙烷等氯烃系溶剂、氟里昂113等氟烃系溶剂。水乳化溶剂法：水乳化清洗剂

由有机溶剂、乳化剂和水组成。有机溶剂一般为石油制品，乳化剂可选阳离子、阴离子、非离子表面活性剂的一种或几种复配使用。碱性溶剂法：碱性清洗液中含有阴离子表面活性剂以及无机化合物如磷酸盐、硅酸盐、多磷酸盐、碳酸盐、硼酸盐、氢氧化钠或有机多价螯合剂如EDTA—Na、柠檬酸钠等。通常碱性溶液的清洗效果较好。

除锈：除锈可分为机械除锈和酸洗除锈两类。其中机械除锈还包括喷砂除锈和手工除锈。喷砂除锈可提高金属基体的表面积，增加磷化结晶的活性点，有利于形成致密的磷化膜。但由于酸洗法除锈简单易行，因而大多数厂家在实际生产中是采用酸洗法。

表面调整处理(活化)：工件经过除油、除锈后，金属表面遭到不同程度的侵蚀，减少了磷化结晶的活化中心。如果直接磷化会使磷化膜变得粗糙，孔隙率增大。通常须经过表面活化处理。钢铁表面的铁锈或氧化皮会影响成膜过程， 必须认真清除。去除氧化膜用酸冼前方法即使表面无锈的零件，在空气中存放而形成一层钝化璃，必须酸洗去除。

磷化后处理(钝化)：钝化的目的是封闭磷化膜的孔隙，控制磷化剂残渣的腐蚀作用，进一步增强膜的防蚀能力。最常用的钝化剂是六价的铬化合物，如铬酸、重络酸或铬酸盐。在pH为2～4的酸性六价铬溶液中，铬能使磷化膜晶间区发生钝化，并且能与磷化膜作用生成不溶于水的三价铬化合物，把晶体与晶体之间的间隙封闭，从而提高了磷化膜的抗蚀性能12。

4、磷化的基本原理

铁系磷化：在磷化技术发展初期所采用的工艺大多是铁系磷化，由于它具有反应速度快，工艺简单、无沉渣等特点，至今依然具有一定的生命力，许多行业的表面处理还在采用此工艺。目前，铁系磷化的发展已趋于用复合型药荆和简单操作取代传统工艺，因而不仅出现了酸洗、磷化“二合一 的磷化液，也出现了除油、除锈、磷化、钝化“四合一”的磷化液。这些复合型磷化液中含有H3PO4、

H2PO4、HPO4、HPO4。与传统的配方一样不含除铁离子以外的其它重金属

-2-3-HPOHPOHPOHPO344244离子。磷化过程为、、、等与基体铁反应，生成

-2-3-磷化膜。

锌系磷化：相对而言，锌系磷化、锰系磷化是应用最广的磷化工艺。而且它们拥有大致相同的成膜机理，下面来简述锌系磷化成膜过程。由于钢铁是铁碳合金，在磷酸的作用下Fe和FeC形成无数的原电池。在阳极区，铁溶解成Fe离

2子进入溶液中，在钢铁表面附近的溶液中Fe浓度不断增高PO4浓度也不断增22高，当Fe、Zn、PO4的离子积大于成膜磷酸盐的溶度积时就产生沉淀，沉

23-3-积在钢铁表面形成磷化膜。

5、磷化液

磷化液应包括乳化性能优异的各种表面活性剂及洗涤剂等组成的去油剂；对金属锈蚀产物有较强溶解作用的酸液，包括有机酸在内组成的除锈剂；对金属表面垢质有较好分解作用和溶化性能的元机、有机酸和盐类所组成的去垢剂；为确保碑化液在使用中不腐蚀基体金属，加有相应的高效缓蚀剂；为增加对金属表面的保护作用，加入能和金属基体生成钝化膜层的钝化剂；以及在去锈、脱脂、去垢等作用后，能使金属表面生成很强防腐蚀性能的磷化剂等部分13-14。

铁系磷化剂为淡蓝色酸性涂体，可在钢铁、锌、铝的表面形成厚0.8—1.7μm，呈黄红兰彩色膜层，与电泳涂装，粉末涂装具有优良的配套性，使漆膜抗弯曲、抗变形、防着力强15。产品单液使用，性能稳定，几乎无沉渣，槽液管理方便，消耗成本低，处理温度宽。锌系磷化剂可在室温下对钢铁、锌表面形成灰色均匀致密之磷酸盐膜，用作涂漆底层，可增强油漆附着力和防锈力。本产品工艺范围广，成膜迅速均匀。每公斤浓缩液可处理工件表面30—40m。低温磷化液适用于钢铁制品的表面处理。可在短时间内形成一层致密的磷化膜，磷化膜的防锈能力强，可明显提高基体与涂层的结合力16。最大的优点在于槽液稳定性极强，磷化时间短，处理温度低，不需任何加热设备，磷化膜细致均匀，操作工艺范围宽，沉渣极少，属于环保型磷化液。镀锌板磷化液适用于镀锌板制品的磷化处理，以及镀锌板制品与冷板制品的混线磷化处理，可在短时间内形成一层致密的磷化膜，磷化膜的防锈能力强，可显著提高基体与涂层的结合力。中

温锌钙系磷化液适用于冷热轧板制品的磷化处理，可在短时间内形成一层致密的磷化膜，磷化膜的防锈能力强，可显著提高基体与涂层的结合力。拉丝磷化液适用于钢丝制品的表面处理。可在短时间内形成一层致密的磷化膜，磷化膜的防锈能力强，耐磨性好，适用于钢丝制品的变形加工。最大的优点在于采用单组磷化液，使用时无须添加剂，并且处理温度低，磷化成膜时间短，操制工艺范围宽，易于操作者控制。

6、磷化处理技术的发展趋势

磷化技术从产生之日起发展到今天，已经历了100多年的历史。100多年来，磷化技术从简单的化学腐蚀方式开始，发展成为复杂的、综合性技术；磷化处理用药剂从单一的品种，发展为系列化的数百种产品；磷化处理方式由原来的单纯浸式发展成今天的浸、喷淋、喷浸结合、刷涂等多种形式；磷化处理技术的应用范围也从刚开始的仅以金属防腐为目的，发展成今天的金属涂装前磷化处理、金属的耐磨损磷化处理、金属的防腐磷化处理、金属的塑变性加工前磷化处理等各个方面的应用。最早的磷化处理是将金属（钢铁）件放入加有铁屑的磷酸溶液中，将这种溶液加热到沸腾的温度，经过2.0 h～2.5 h 的处理后，在金属表面获得了一层结晶细密的磷酸盐覆膜，而这种加有铁屑的磷酸溶液就是最早的磷化液。后来，人们对磷化药剂进行了不断改进，主要是为了降低成膜温度和减少成膜时间，通过改变配方，添加各类促进剂等，可使磷化处理在常温至沸腾任何状态下进行，也可将磷化处理时间降在数秒之内完成。现在，磷化药剂品种繁多，已基本系列化。随着磷化药剂的不断进步，磷化处理设备也有了较大的发展，已从当初的几个槽体发展为今天的连续生产线设备，有的还可以用电脑DCS 控制，完全实现了磷化生产的自动化。

随着现代工业的迅速发展，磷化技术得到了广泛的应用和很大的发展，其发展趋势主要表现在新型磷化药剂的开发和各种高效、节能型磷化处理设备的研制两个方面17。 新型磷化药剂的开发：

（1）向高效方向发展：即高效除油剂、高效除锈剂的开发，高质量磷化液、高效率钝化液的研制，这些高效率药剂用量少，浓度低、效率高。

（2）向低能耗方向发展：主要是低温、常温磷化处理药剂得到大量应用。 （3）向低毒性方向发展：降低除油剂、表调剂的污染性，开发无镍、无亚盐的磷化液，开发无铬钝化液。众所周知，氮、磷是造成水体富营养化和海洋赤潮的富营养化物质，因此开发出无氮、无磷的除油剂，是十分有价值的。 （4）向便于工业管理的方向发展：一般磷化处理药剂，无论其性能多好，但如果技术要求过严，工艺条件过于苛刻，对设备保养过于繁琐，那么这种药剂便失去了实用价值。因此，开发生产稳定性好，操作简单，工艺稳定，磷化残渣少的新型低温和常温磷化处理药剂，具有重要的现实意义。

（5）向功能化方向发展：根据不同的使用目的，开发不同的磷化药剂。 新型磷化处理设备的研制：

（1）高效率自动化磷化处理设备的研制：如高效方便的磷化处理输送设备；电脑控制的油水分离设备及磷化除渣设备；工艺参数的自动检测及药剂的自动补加系统的研制。

（2）低能耗设备的研制：节能降耗对各生产工业有重要现意义，因此各种节能型磷化处理设备的研制受到重视，如加温系统的自动控制、节能型加热元器件的开发、新型保温材料的应用。

7、结语

磷化技术经过多年的发展已成为重要的金属表面处理技术，广泛应用于金属防腐、金属涂装前处理、金属冷塑性加工、金属产品的减摩润滑等各个领域。未来磷化处理技术发展的总趋势是：高效率，低污染磷化处理药剂的开发；高效率、低能耗磷化处理设备的研制。

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