§ 33. Фосфатирование металлов

В связи с тем, что фосфатные нленки 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⁺ + 2Н₃Р0₄ —*> Ме(Н₂Р0₄)₂ + Н₂.

В результате этой реакции содержание Н₃Р0₄ в растворе понижается, что уменьшает концентрацию ионов водорода и приводит к увеличению гидролиза первичных фосфатов с об­разованием вторичных и третичных солей:

Ме(Н₂Р0₄)₂ =*=* МеНР0₄ + Н₃Р0₄;

ЗМе(Н₂Р0₄)₂ =<=* Ме(Р0₄)₂ + 4Н₃Р0₄.

Образующиеся однозамещенные фосфаты легко растворяют­ся в воде, двухзамещенные — трудно растворимы, а трехзаме- щенные — 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 покрытии. 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 несплош- пой 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

Таблица 28

Неполадки при фосфатировании черных металлов, их причины и способы устранения

Неполадки	Причины	Способы устранения
Светло-серый порош­кообразный налет на пленке	Взмучивание осадка при фосфатировании	Удалить осадок, дать раствору отстояться
Неравномерная пятни­	Плохая подготовка деталей перед фосфа- тированием	Улучшить очистку по­верхности деталей
стая пленка	Детали из высоколе­гированной стали	Использовать специ­альный раствор
Тонкая светло-серая просвечивающая плен­ка	Недостаточная про­должительность фос­фатирования	Увеличить продолжи­тельность фосфатиро­вания до прекращения газовыделения
	Низкая концентрация мажефа и других ком­понентов	Увеличить концентра­цию мажефа и других компонентов
Пониженная стой­кость пленки против коррозии	Низкая температура раствора	Повысить температуру раствора до 97—99 °С
	Неправильное соотно­шение между общей и свободной кислотно­стью	Откорректировать рас­твор добавками Н3Р04 или МпСОз

образуется в течение 30 мин мелкокристаллическая пленка толщиной 1—4 мкм. При крупнокристаллической структуре пленки длительность процесса увеличивается до 60—90 мин вследствие более продолжительного доступа раствора к метал­лу, а толщина пленки достигает 10—12 мкм. В коррозионных условиях мелкокристаллические пленки из-за меньшей порис­тости обладают более высокой защитной способностью, чем крупнокристаллические пленки большей толщины.

5. Какие составы растворов приме­няются для оксидирования маг­ниевых сплавов?

6. Каковы свойства фосфатной плен­ки?

7. Что такое препарат «Мажеф»?

8. Почему ванну фосфатирования нельзя подогревать со дна?

9. Что является признаком оконча­ния процесса фосфатирования?

10. Для каких целей применяют фос­фатирование цветных металлов?

11. Что такое эматалирование?

Основой многих растворов для фосфатирования служит пре­парат «Мажеф», в состав которого входят соли Мп(Н₂Р0₄)₂Х X Н₂0, МпНР0_4> Ре(Н₂Р0₄)₂. Процесс в таком растворе осо­бенно интенсивно протекает при температуре 90—100°С и ускоряется при введении специальных добавок окислителей, из которых наибольшее применение получили азотнокислые и азо­тистокислые соли цинка и бария. Добавки-деполизаторы спо­собствуют уменьшению выделения водорода, что учитывается при обработке тонкостенных деталей и пружин, но защитная способность фосфатных пленок, полученных из растворов с окислителями, ниже чем в их отсутствии.

Перспективным является применение концентрированных растворов мажефа (100—200 г/л), в которых можно получить мелкокристаллические фосфатные пленки, защитная способ­ность которых выше, чем пленок, полученных в растворах с обычной концентрацией препарата (30—40 г/л). Температура концентрированного раствора понижается до 80—85 °С.

Признаком окончания процесса фосфатирования считают прекращение выделения пузырьков водорода. Детали рекомен­дуется дополнительно выдерживать в фосфатирующем растворе еще в течение 5—15 мин в связи с продолжением роста плен­ки. Дальнейшее пребывание деталей в ванне нежелательно, так как может вызывать оседание нерастворимых фосфатов и срастание их с пленкой, что ухудшит ее качество. Неполадки при фосфатировании приведены в табл. 28.

Возможность совмещения в одном процессе операций под­готовки поверхности металла и нанесения фосфатного покры­тия является перспективным в развитии технологии фосфати­рования.

Контроль фосфатирующего раствора ведется на общую и свободную кислотность титрованием пробы щелочью с индика­торами соответственно фенолфталеином и метилоранжем.