7.6. Фосфатирование металлов

В связи с тем, что фосфатные пленки имеют высокое сопротивление и выдерживают напряжение до 300 и даже 1000 В, они применяются в основном для получения изоляционного слоя на трансформаторных, роторных и статорных пластинах. Кроме того, фосфатные покрытия не смачиваются расплавленным металлом, что используется в металлургической промышленности.

Защитные свойства фосфатных пленок на стали выше, чем пленок, полученных при химическом оксидировании в щелочных растворах. Стойкость против коррозии повышается покрытием лаками, пропиткой маслами или консистентными смазками. Фосфатные пленки на алюминии и магнии менее защищены от коррозии, чем пленки, полученные электрохимическим оксидированием.

Фосфатированию подвергаются углеродистые и низколегированные стали, чугун, некоторые цветные и легкие металлы. Высоколегированные стали фосфатируются плохо и пленки на них более низкого качества, чем на углеродистых сталях.

Образование фосфатной пленки начинается с электрохимического процесса растворения основы металла. При этом металл в ионном состоянии на анодных участках переходит в раствор, а на катодных участках выделяется водород:

Ме²⁺ + 2Н₃РО₄ —> Ме(Н₂РО₄)₂ + Н₂.

В результате этой реакции содержание Н₃РО₄ в растворе понижается, что уменьшает концентрацию ионов водорода и приводит к увеличению гидролиза первичных фосфатов с образованием вторичных и третичных солей:

Ме(Н₂РО₄)₂ МеНРО₄ + Н₃РО₄;

ЗМе(Н₂РО₄)₂ Ме(РО₄)₂ + 4Н₃РО₄.

Образующиеся однозамещенные фосфаты легко растворяются в воде, двухзамещенные — трудно растворимы, а трехзамещенные — практически не растворяются. Получающаяся при реакциях свободная фосфорная кислота увеличивает концентрацию ионов водорода в растворе, что благоприятно сказывается на дальнейшем процессе. Выделившийся на поверхности металла осадок нерастворимых фосфатов образует с металлом прочную кристаллохимическую связь.

Кислотность раствора играет большую роль при получении фосфатных покрытий. Раствор должен содержать некоторый избыток фосфорной кислоты, чтобы создать благоприятные условия для образования нерастворимого трехзамещенного фосфата и предотвращения диссоциации однозамещенного фосфата. Но чрезмерный избыток кислоты способствует образованию однозамещенных солей, приводящих к формированию несплошной пленки или даже препятствующих возникновению пленки.

При исследовании фосфатирования стали выяснили, что формирующаяся пленка состоит из двух слоев: 1) внутреннего, гладкого, эластичного, непосредственно примыкающего к металлу, достаточно пористого; 2) наружного, хрупкого, имеющего кристаллическую структуру, состоящую из вторичных и третичных фосфатов и определяющего основные положительные свойства пленки. Скорость процесса постепенно уменьшается по мере роста внешнего слоя и изоляции покрываемого металла от воздействия раствора.

В зависимости от способа предварительной обработки поверхности деталей, условий фосфатирования и природы обрабатываемого металла изменяются толщина и структура фосфатных пленок. Травление стали, в кислотах приводит к образованию крупнокристаллической фосфатной пленки, а гидроабразивная обработка—к мелкокристаллической.

На толщину и структуру фосфатных пленок влияют также состав обрабатываемого металла и условия фосфатирования. Так, в обычных растворах на полированной поверхности стали образуется в течении 30 мин мелкокристаллическая пленка толщиной 1—4 мкм.

Таблица 19