机床零件磷化处理的研究

dengming

　　磷化处理就是将金属浸在由磷酸、磷酸盐和其他成分组成的磷化液中，经过化学作用而在金属表面生成一种不溶性的磷酸盐层，俗称磷化膜。磷化膜主要由磷酸铁、锌、锰、钙等的盐组成，厚度一般在5～20μm，颜色一般由暗灰到黑灰色，它与基体结合牢固，具有良好的润滑肚、耐蚀性及较高的电绝缘性等。磷化膜主要用作涂料的底层、金属冷加工时的润滑层、金属表面保护层以及用作电机硅钢片的绝缘处理等。磷化处理所需设备简单，操作方便，成本低，生产效率高，被广泛地应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造及家电等工业生产中。
6 K, g5 \9 A; L* ?5 q) \　　随着科技的发展，机床行业在追求机床内在质量的同时，也开始追求机床的外在质量，机床的外观质量和防腐性能得到了普遍的重视。为了更大地提高机床的防锈涂装质量，磷化处理已被广泛地应用于机床制造的各个环节中。本文将从磷化处理的应用现状、磷化膜的质量影响因素、常见问题的改进措施以及发展的方向等4个方面对机床行业的磷化处理加以探讨。
　　一、机床行业磷化工艺的现状
! u% b- C& b' a, a　　磷化是大幅度提高金属表面涂层耐腐蚀性能的一个简单可靠、费用低廉、操作方便的工艺方法。近年来，此方法已被广泛应用于饥床制造巾的防锈、耐磨减摩、冷变形加工润滑和涂漆前打底等各个环节。
　　1.磷化工艺的分类及特点
* t4 O4 V* P* O1 I# ]$ [; a　　机床表面磷化工艺按处理温度的高低分为高温、中温、低温和常温4类。高温磷化(90～98℃)速度快，膜耐蚀，结合力、硬度及耐热性均高，但膜层的挥发性大，成分变化快，结晶不均匀，易形成夹杂；中温磷化(50～70℃)膜均匀，磷化速度较快；低温磷化(25～35℃)无需加热，节省能源，成本低，溶液稳定，膜耐蚀性及耐热性好，但生产效率低；常温磷化(15～35℃)节约能源，一次性投资少，溶液稳定性好。由于常温、低温磷化工艺具有低能耗、低污染和速度快等优点，目前应用较为广泛。
　　2.磷化工艺的设计和确定
* x; k1 h' Y% m, g1 k4 D　　(1)除油除锈 除油除锈好坏直接影响磷化膜质量。除油要求脱脂剂应具有强脱脂能力和极低的泡沫性；脱脂要严格控制脱脂的温度(40～50℃)、浓度(3%～5%)和脱脂时间(工件表面被水湿润为止)；除锈以盐酸为宜，通常采用25%稀盐酸。低浓度盐酸挥发速度慢、酸雾少，对操作环境有利，而过高浓度盐酸会形成过腐蚀。为了防止酸洗后的工件泛黄，盐酸浓度也不宜过低，工件水洗后放置时问也不宜过长。另外，酸洗液中应加人适量的除锈加速剂和缓蚀剂，能提高除锈速度，并减缓酸对金属基体的侵蚀。
+ _. N+ J$ E: y3 h　　(2)优选磷化液磷化膜的质量优劣主要表现在晶体粗细和致密程度、表面有无沉淀物，以及膜厚等方面，它们的差异直接影响磷化膜的质量。近年来，磷化处理技术得到了迅猛的发展。目前普遍采用铁系、锌系、锰系及锌钙系磷酸盐溶液进行磷化，其中以锌钙系性能最为优异。
　　(3)控制工艺参数 关键要控制磷化温度(25～40qC)、时间(3～20min)、促进剂含量(3～5气点)、总酸度(20～40点)和游离酸度(0.8～3点)。温度太低则不能成膜或成膜速度慢，膜不完整，易泛黄；反之，膜粗大，耐蚀性低，同时槽液稳定性变差，沉渣增多。促进剂含量低，成膜慢，膜层泛黄；反之，沉渣明显增多，膜层带彩色。总酸度稍高，能加快磷化反应的进行，磷化膜薄而致密，但不宜过高，否则沉渣多，膜层挂灰。游离酸度低，有利于降低磷化温度和沉渣量；反之，沉渣增多，甚至不成膜。
　　3.掌握槽液的调整方法
　　一般机床企业都具备化验条件，测试手段较先进，严格槽液管理，做到磷化前检测槽液总酸度、游离酸度和促进剂气点等。也有的厂家凭经验管理槽液，效果也不错。此外，槽液要定期排渣和更新，如磷化槽每星期排渣一次，脱脂槽、表面调整槽每3～4个星期更新一次。
　　4.典型的磷化工艺
　　(1)脱脂(金属脱脂剂，60～65℃，3～4 min)→热水洗(80～90℃)→酸洗(HCl：H2O=1:1，除锈加速剂适量，5～6 min)→两道水洗→表面调整(表面调整剂5g／L，1min)→磷化(常温，冬天适当加温，6min)→两道水洗→烘干。
. T. R: S3 d6 V; D) H! ]　　(2)脱脂(30～40℃，5～10min。)→水洗→酸洗(HCl：H2O=1：4，除锈加速剂适量，20～30min)水洗→表面调整→磷化(常温，20～30min)→水洗→烘干。
  ?+ ~% s  Y5 r9 u. b+ `　　(3)脱脂(60～70℃，3rain)一热水洗(80～90℃)→表面凋整→磷化(30～40℃，l0～20mir-)→水洗→烘干(脱脂前手工除去局部浮锈，浸渍脱脂后手工擦洗补充除油)。
　　(4)脱脂表面调整“二合一”(40～50℃，5～10min)→水洗→酸洗(HCl：H2O=1：1，10min)→水洗→磷化(30～40℃，20～30min)→水洗→烘干。
　　第一种：工艺适宜油、锈较重的工件，工艺设计最佳，能获得优质磷化膜。其优点：①负载容量大，生产效率高。②脱脂后热水洗，工件表面清洁。③酸洗后两道水洗能洗净工件表面的残酸及吸附的缓蚀剂，避免抑制磷化反应，造成磷化不均匀。④磷化后两道水洗，能洗掉磷化膜上的残留可溶性盐，避免引起涂层的早期起泡和脱落。
0 v! Y% E: h( r　　第二种：工艺适宜油锈中等的工件，工艺控制得当，也能获得较好的磷化膜。第三种工艺适宜有油无锈的工件，线上不设酸洗，很适合气焊接件磷化。第四种工艺适宜油轻锈重的工件，但采用了脱脂表面调整“二合一”工艺，使磷化质量受到影响，膜层粗糙、泛黄、挂灰。
　　二、机床零件磷化常见的问题及改进措施
　　1.机床零件磷化常见缺陷及防止方法
! l( \" r$ s* [　　(1)磷化膜结晶粗糙多孔产生原因：磷化槽液中游离酸度过高，磷化液中氧化剂量不足，槽液中亚铁离子含量过高，零件表面有残酸，发生过腐蚀。防止方法：降低槽液中游离酸的含量，增加氧化剂比例，加双氧水进行调整，加强中和及水洗，控制酸洗浓度和时间。
0 y5 a5 U1 y. T& T8 |9 P) Z　　(2)表面粘附白色粉状沉淀产生原因：槽液中游离酸度低，游离磷酸量少，含铁离子少，零件表面氧化物未除净，溶液中氧化剂过量，总酸度过高，槽内沉淀物过多。防止方法：补充磷酸二氢锌，在特殊情况下可加磷酸调整游离酸度，磷化溶液中应留一定量的沉淀物，使新配槽液与老槽液混合使用；加强酸洗，充分进行水洗；停加氧化剂，调整酸的比值；清除过多的沉淀物。
　　(3)磷化膜不均匀、发花或有斑点产生原因：除油不干净，槽液温度过低，表面钝化，游离酸度和总酸度的比例失调。防止方法：加强除油清洗，适当提高槽液温度，加强酸洗，将酸比调整到工艺规定范围。
　　(4)磷化膜的耐腐蚀性差和生锈产生原因：磷化膜晶粒过粗或过细，游离酸含量过高，表面过腐蚀，溶液中磷酸盐含量不足，表面有残酸。防止方法：调整游离酸度与总酸度的比例；降低游离酸含量，可加氧化锌或氢氧化锌；控制酸洗过程；补充磷酸二氢盐；加强中和与水洗过程。
. k3 m* a5 N& u2 U) g　　2.生产实际中存在的问题
　　(1)辅助设备不配套 辅助设备不配套主要表现在：①磷化缺少烘干设备，个别厂工件磷化后白干，造成磷化膜含结晶水、孔隙率高、耐蚀性低。②沉渣无过滤装置，一般来说，缺少沉渣过滤装置不会明显影响磷化膜质量，而个别磷化线采用压缩空气来搅拌脱脂液、表面调整液及磷化液，力求加速反应，这是有利的一面，但不利于磷化渣沉积槽底，悬浮的沉渣吸附在磷化膜表而，膜层挂灰严重。如果配备一套连续过滤机，不仅能提高磷化成膜速度，而且膜层质量将大大改善。
　　(2)操作工艺不严格笔者发现有的操作者执行工艺不严，为了提高生产速度，任意简化操作工序，脱脂后省去水洗直接表面调整。他们认为这样有利于升高表面调整液的温度，促进表面调整的作用，却忽视了油污不断被带入表面调整液中的危害，相反会缩短表面调整液的使用寿命，最终影响表面调整的效果。
　　(3)槽液管理不善槽液管理不善表现在槽液乱投料、误投料时有发生，如将除锈加速剂误投磷化槽，造成磷化不上，工件表面全部泛黄，槽液处理困难，影响槽液正常运行。
　　3.改进的措施
　　(1)优化工艺设计工艺设计的好坏与磷化质量密切相关。机床企业往往受客观条件的限制，难以满足工艺设计要求，如何因地制宜优化工艺设计，也是设计者研究的课题之一。生产中一旦发现工艺设计不合理的地方，要尽可能在原设计基础上调整工艺流程，尽量满足生产要求。
) a5 @1 X0 K* B% K　　(2)提高工艺管理水平工艺设计固然重要，但也不可忽视工艺管理。实践表明，在同等条件下(磷化工艺和磷化剂均相同)，不同的工艺管理却获得不同的磷化效果。工艺管理水平高，不仅磷化质量好，而且能耗低，成本低；反之，质量差、成本高。
5 {# s# _2 C( ^1 p  D# S7 A　　(3)改善磷化膜与涂料的配套性磷化膜与涂料的配套性已成为人们十分关注的问题，随着涂装技术的发展，对磷化处理与涂料的配套性提出了更高的要求。而以往人们过多地强调磷化膜本身的耐腐性，而忽视了磷化膜与涂料的配套性。实际上磷化膜本身在整个涂料体系中并不单独承担多大的耐腐蚀作用，关键是磷化膜与涂料的配套性要好，这对电泳涂装尤为重要。因此，改善磷化膜与阴极电泳涂料的配套性已成为机床企业研究的新课题。
　　三、机床行业磷化处理的发展方向
　　近年来，机床制造业得到了迅猛的发展，各机床制造商越来越重视机床的外观防锈质量，磷化技术也得到了极大的发展。
　　(1)磷化温度由高温向中低温、常温发展。一般情况下，高温磷化工艺形成的磷化膜结晶粗大、膜厚，磷化中产生的沉渣很多，消耗的热能大，挂灰严重。中温、低温、常温磷化形成的磷化膜均匀致密、膜薄，能耗低，物料消耗小。
　　(2)磷化工艺向简单化发展。有的磷化产品可直接刷涂，如“四合一”、“三合一”等常温磷化产品。有的简化了工艺流程，将磷化、钝化并为一道工序，而且产品的质量技术指标仍能达到，甚至有的指标超过了国家标准。
3 o( ^! T$ v8 N+ t& }) Q　　(3)磷化产品组分复杂化。这样提高了磷化的质量，降低了磷化温度，增加了磷化工作液的稳定性。
% I1 |# Y6 x; l" O　　(4)减少污染，降低成本。重点解决磷化产品中的亚硝酸盐、重金属、磷酸盐、高温及酸雾给环境造成的污染，降低了为改善环境所付出的成本。
  G& S, `8 b* U" E+ M6 u　　四、结语
7 h9 j" j% ]( x7 y8 f: n　　综上所述，机床零件磷化膜的质量的优劣不仅取决于磷化工艺的选择和控制，而且取决于磷化工艺的管理。随着科学技术进步，机床行业的磷化处理正朝着中低温、低成本、低能耗、无污染，以及磷化膜均匀致密、膜薄且耐蚀性能好的方向发展。【MechNet】
* J1 X5 E6 t0 r7 q文章关键词： 机床