钢铁件磷化处理液的研究

　　钢铁表面处理一直是工业生产中的热点问题，它涉及各行各业，对于工业生产和国民经济的发展有重大的影响。磷化处理是防止钢铁件锈蚀的一种有效措施。现阶段，钢铁件的磷化处理大多采用传统的分槽处理方法，该工艺具有设备投资大、工艺程序多、生产效率低以及对环境污染严重等缺点。因此，越来越多的人投入到除油、除锈、磷化、钝化合为一体的磷化处理液的研究中。李立清等研制的“四合一”磷化处理液具有除油、除锈、磷化、钝化的综合功能，磷化膜的耐硫酸铜点滴时间为120 s。刘勇等研制的“四合一”磷化处理液，通过改变促进剂，将磷化膜的耐硫酸铜点滴时间提高到123 s。目前国内外研制出的部分新型磷化处理液，虽大大简化了金属处理工艺，缩短了加工工期，但仍存在生产成本高、除油或除锈效果差、处理后表面存在留痕、挂灰等问题。

　　本文在现有研究的基础上，加入氟锆酸钾和钼酸钠，以新型的植酸作为缓冲剂，得到了一种新的常温“四合一”磷化处理液。用该磷化处理液处理钢铁件表面后，得到的磷化膜呈均匀的灰色晶体状态，膜层均匀、致密，排列整齐，耐蚀性较好，能够满足钢铁件加工工序间的防腐要求，初步解决了除油、除锈、磷化之间的矛盾。

　　1 实验

　　1.1材料及试剂

　　实验所用材料为50 mm×30 mm×0.5 mm的铁片。

　　实验所用药品：磷酸，硝酸，柠檬酸，氧化锌，硝酸镍，钼酸钠，氟锆酸钾，OP 10，植酸，其中OP 10和植酸由企业提供，其余试剂均为分析纯。

　　1.2实验仪器

　　T6628型分析天平(精确至0.000 1 g)，秒表，QCJ型漆膜冲击器。

　　1.3实验方法

　　1. 3.1磷化处理液的配制

　　向200 mL烧杯中加入少量的水，用50 mL量筒量取20 mL质量分数为85%的磷酸加入到水中并搅拌均匀;再用10 mL量筒量取1 mL浓硝酸加入到烧杯中并搅拌均匀，待用。用分析天平分别称取氧化锌3.5 g，硝酸镍0.1 g，柠檬酸0.2 g，钼酸钠0.2 g，氟锆酸钾0.2 g，待用。按次序依次加入称量好的氧化锌，硝酸镍，柠檬酸，钼酸钠，氟锆酸钾，加

　　入下一种试剂前确保前面的试剂溶解完全。加水至80 mL，再将2.5 mL植酸，4 mL OP 10分别加入烧杯中，充分搅拌后加水至100 mL。

　　1.3.2试片处理

　　将试片在室温下完全浸入配制好的磷化处理液中，20 min后取出，置于通风处晾干。待晾干后观察试片的表观特征并做硫酸铜点滴实验。

　　1.4性能检测

　　1.4.1硫酸铜点滴实验

　　根据GB 6807-86配制检测液。在室温下，在磷化膜表面滴一滴检测液，同时启动秒表，观察液滴内部出现红色沉淀的时间。

　　1.4.2 附着力和抗冲击性测试

　　将处理后的试片用热固化粉末涂料静电喷涂，在190℃的烤炉中固化20 min，取出后降至室温，分别按照GB 9286-1998和GB 1732-1993测试磷化膜的附着力和抗冲击性。

　　2 结果与讨论

　　2.1 单因素实验

　　根据文献和初步实验，确定“四合一”磷化处理液的配方及工艺条件为：磷酸200 mL/L，氧化锌35 g/L，氟锆酸钾2.O g/L，钼酸钠2.0 g/L，植酸25mL/L，硝酸10 mL/L，硝酸镍1.0 g/L，OP 10 4mL/L，常温，20 min。

　　2.1.1 氧化锌对磷化膜性能的影响

　　表1为氧化锌的质量浓度对磷化膜性能的影响。由表1可知：当氧化锌的质量浓度为30 g/L时，磷化膜的耐蚀性最好。氧化锌在磷化处理液中主要以Zn2+形式存在，Zn2+的质量浓度影响磷酸二氢锌的质量浓度。当氧化锌的质量浓度较低时，磷酸二氢锌的质量浓度较低，形成的磷化膜不均匀、挂灰、附着力差;当氧化锌的质量浓度较高时，磷酸二氢锌的质量浓度较高，溶液中的游离酸度过高，磷化膜的耐蚀性降低，甚至使膜层不能生长。

　　2.1.2钼酸钠对磷化膜性能的影响

　　钼酸钠是常温磷化处理液中的配位剂和促进剂，有钝化和净化磷化膜的作用，使磷化膜成膜均匀。它同时能参与成膜，从而降低磷化处理液中其他有效成分的消耗，是较为理想的常温磷化促进剂。钼酸钠还与表面活性剂以及某些杂环化合物具有协同缓蚀作用，当钼酸钠与表面活性剂配合使用时，缓蚀效率明显提高。表2为钼酸钠的质量浓度对磷化膜性能的影响。由表2可知：当钼酸钠的质量浓度为1.5 g/L时，磷化膜的耐蚀性最好。随着钼酸钠的质量浓度的增加，磷化处理液的电位变正，有利于加快成膜速率;但是当钼酸钠的质量浓度过高时，磷化反应中会产生大量的“钼蓝”，过量的“钼蓝”会在试片表面发生钝化而得不到理想的磷化膜，造成浪费。

　　2.1.3植酸对磷化膜性能的影响

　　植酸形成的膜层中含有羟基和磷酸基等能与有机涂层发生化学反应的活性基团，提高膜层与有机涂料的黏结能力。表3为植酸的体积分数对磷化膜性能的影响。由表3可知：当植酸的体积分数为20 mL/L时，磷化膜的耐蚀性最好。加入植酸可以缩短磷化达到平衡的时间，使平衡电位正移，随着植酸的体积分数的增加，磷化膜的耐蚀性逐渐提高;但当植酸的体积分数过高时，溶液中的游离酸度过高，使磷化膜的耐蚀性降低。

　　2.1.4氟锆酸钾对磷化膜性能的影响

　　表4为氟锆酸钾的质量浓度对磷化膜性能的影响。由表4可知：当氟锆酸钾的质量浓度为1.5g/L时，磷化膜的耐蚀性最好。增加氟锆酸钾的质量浓度，能促进磷化膜的形成，提高磷化膜的耐蚀性;但当氟锆酸钾的质量浓度过高时，溶液中游离酸度过高，抑制了磷化膜的形成，从而降低了膜层的耐蚀性。

　　2.1.5其他因素对磷化膜性能的影响

　　柠檬酸在磷化处理液中起到了两方面的作用：(1)提高磷化膜中Zn2Fe(P04)2.2H20晶体的比例;(2)配位钢铁件磷化处理过程中溶解的铁离子，从而减少磷化处理的沉渣。硝酸镍的作用在于加快成膜速率和提高磷化膜的耐蚀性。Ni2+的质量浓度较大，能形成磷酸镍晶核，对磷化膜初始的胶体形态有益，增加了活性点，还可作为膜的组成部分。磷化处理液中加入少量的表面活性剂OP 10，除了能起润湿渗透、分散增溶、吸收和极化等作用外，还具有抗硬水和降低表面粗糙度的能力，同时也参与成膜过程。

　　2.2正交实验

　　选取氧化锌的质量浓度，氟锆酸钾的质量浓度，钼酸钠的质量浓度，植酸的体积分数为4个因素，采用4因素3水平的正交实验进行优化。通过正交实验确定的“四合一”磷化处理液的最佳配方及工艺条件为：磷酸200 mL/L，氧化锌35 g/L，氟锆酸钾2.Og/L，钼酸钠2.0 g/L，植酸25 mL/L，硝酸10mL/L，柠檬酸2.O g/L，硝酸镍1.O g/L，OP 10 4

　　mL/L，常温，20 min。磷化膜的耐硫酸铜点滴时间达到253 s。

　　3 结论

　　(1)经单因素实验和正交实验确定的“四合一”磷化处理液的最佳配方及工艺条件为：磷酸200mL/L，氧化锌35 g/L，氟锆酸钾2.0 g/L，钼酸钠2.0 g/L，植酸25 mL/L，硝酸10 mL/L，柠檬酸2.Og/L，硝酸镍1.O g/L，OP 10 4 mL/L，常温，20 min。磷化膜的耐硫酸铜点滴时间达到253 s。

　　(2)该磷化处理液具有除油、除锈、磷化和钝化“四合一”的功能，通过调整、改进磷化工艺配方，选择合适的配位剂及促进剂，达到了稳定溶液、减少沉渣、降低磷化温度以及提高磷化膜性能的目的。