6.6.Фосфатирование стали

Цель работы - получение фосфатного покрытия на стали и исследование защитных свойств этого покрытия.

Основные понятия

Фосфатирование - процесс получения на поверхности стали пленки фосфорнокислой соли железа и марганца. Образующаяся пленка обладает высоким омическим сопротивлением и пористостью. Однако последнее приводит к тому, что защитные свойства этих пленок, особенно в условиях коррозии в электролитах, оказываются недостаточными. Из-за большой пористости пленка хорошо удерживает масло, краску и служит отличным грунтом под лакокрасочное покрытие. В сочетании с лакокрасочным покрытием или после пропитки ее маслом фосфатная пленка надежно защищает сталь от коррозии.

Иногда применяют обработку фосфатированного изделия в 7-9 % растворе бихромата калия, который заполняет поры и пассивирует нефосфатированные участки поверхности металла.

Фосфатирование проводят обычно при температуре 96-98^о С путем погружения стальных изделий в раствор, содержащий препарат "Мажеф", в состав которого входят дигидрофосфаты железа и марганца.

Полагают, что образованию фосфатной пленки предшествуют электрохимические реакции:

ионизация железа на анодных участках

Fe Fe²⁺ + 2e (1)

выделение водорода на катодных участках

2 Н⁺ + 2е Н₂

В горячей воде дигидрофосфаты марганца и железа гидролизуются с образованием нерастворимых двух- и трехзамещенных фосфатов МеHPO₄ и Me₃(PO₄) , где Ме - это Fe и Mn.

Mn(H₂PO₄)₂ MnHPO₄ + H₃PO₄ (2)

MnHPO₄ Mn₃(PO₄)₂ + H₃PO₄ (3)

Железо, переходящее в раствор по реакции (1), связывает фосфорную кислоту и при этом равновесие реакций (2) и (3) сдвигается вправо. Выпадающие в осадок двух- и трехзамещенные фосфаты железа и марганца кристаллизуются на поверхности стального изделия, образуя плотную кристаллическую пленку. Фосфатирование заканчивается после того, как вся поверхность защищаемого изделия покроется сплошной пленкой.

Методика и техника эксперимента.

Подготовка поверхности образца стали к фосфатированию включает химическое обезжиривание и химическую активацию, которые проводятся в стеклянных стаканах, содержащих соответствующий раствор. Фосфатирование осуществляют путем выдержки образцов в растворе, содержащем препарат "Мажеф", до прекращения выделения пузырьков водорода. Измерение электродного потенциала производят относительно хлорсеребряного электрода сравнения с помощью ионометра с точностью до десятых долей милливольта.

Требования техники безопасности.

При проведении лабораторной работы необходимо следовать требованиям ГОСТ 12.4.113-82.

Во избежание тепловых ожогов нагрев жидкостей следует осуществлять в химически чистой, не имеющей трещин посуде. Переносить сосуды с нагретой жидкостью нужно двумя руками, подложив под дно сосуда полотенце. При получении ожога необходимо промыть пораженное место раствором перманганата калия или спирта, смазать вазелином или кремом и забинтовать.

Оборудование и принадлежности.

Образцы стали - 6 шт.; раствор для обезжиривания; раствор для активации; раствор препарата "Мажеф"; раствор для определения защитных свойств покрытия; растительное масло; иономер; электрод сравнения; раствор для определения пористости покрытия.

Порядок выполнения работы.

Поверхность образцов зачищают наждачной бумагой, протирают спиртом. Один из образцов оставляют для измерения электродного потенциала, другие подвергают химическому обезжириванию, химической активации и фосфатированию. Химическое обезжиривание проводят в растворе, содержащем 20-40 г/л NaOH, 20-40 г/л Na₃PO₄, 20-40 г/л Na₂CO₃, 3-5 г/л жидкого стекла в течение 10-20 мин при температуре 60-80^о С. После обезжиривания образцы промывают сначала в горячей воде (50-60^о С), затем в холодной в течение 30 с пятикратным окунанием. По окончании промывки проверяют ее качество - поверхность образцов должна быть покрыта сплошной пленкой воды. Химическую активацию осуществляют в растворе, содержащем 50-100 г/л HCl или H₂SO₄ в течение 30 с, после чего промывают в течение 30 с в холодной воде пятикратным окунанием, затем проводят фосфатирование.

Образцы, подвешенные с помощью хлорвиниловой нити к стеклянным палочкам, погружают в раствор для фосфатирования, содержащий 30 г/л препарата "Мажеф" и нагретый до температуры 96-98^оС . Длительность фосфатирования указывается преподавателем. По окончании фосфатирования образцы промывают холодной водой многократным погружением в течение 2 мин и сушат фильтровальной бумагой.

По внешнему виду осуществляют контроль качества покрытия- оно должно иметь цвет от светло-серого до черного в зависимости от марки стали и вида предварительной механической и термической обработки. Покрытие должно иметь мелкокристаллическую структуру. Если покрытие не предназначено под покраску, структура покрытия может быть крупнокристаллической.

На одном из образцов проводят контроль защитных свойств фосфатного покрытия (пористости) капельным методом. Для этого на поверхность образца наносят 1-2 капли раствора (CuSO₄ - 82 г/л, NaCl - 33 г/л, HCl 0,1 N - 13 мл/л; температура 18-20^оС) и наблюдают за изменением цвета раствора. Признаком неудовлетворительных защитных свойств покрытия является изменение цвета капли от голубого до желтого, светло-зеленого или красного за период времени менее 2 мин.

Для повышения защитных свойств пленки фосфатированный образец дополнительно пассивируют в растворах на основе хроматов. Образец после промывки обрабатывают в 9 % растворе бихромата калия при 80-90^оС в течение 10 мин, после чего сушат в сушильном шкафу.

Влияние фосфатирования и дополнительной обработки можно проконтролировать путем измерения электродного потенциала. Измеряют электродный потенциал нефосфатированного образца, фосфатированного и после хроматирования. Электродный потенциал измеряют в 0,5 М NaCl. Фосфатные пленки, защищая металл, сдвигают его потенциал в положительную сторону. Если сдвиг потенциала оказывается более 100 мВ, то защитные свойства пленки считают повышенными, если он в пределах 50-100 мВ - нормальными, в пределах 20-50 мВ - средними, а менее 20 мВ - низкими.

Результаты экспериментов заносят в таблицу.

Марка стали . . .

Образец	Электродный потенциал, мВ		Цвет пок-рытия	Структура покрытия	Значение вре- мени до изме-нения цвета капли, мин
	хлор-серебря ный электрод	н.в.э.
Исходный
Фосфатированный
Фосфатированный с последующей обработкой

Содержание и оформление отчета

Отчет должен содержать название, цель лабораторной работы и результаты наблюдений и измерений. На основании анализа данных необходимо дать характеристику покрытия: цвет, структура (пригодность его под окраску) ; влияние фосфатирования, дополнителной обработки фосфатного покрытия на величину электродного потенциала и представить эти данные в виде таблицы.

По значениям электродного потенциала и времени до изменения цвета капли делают вывод о защитных свойствах полученного фосфатного покрытия.