Хімічне фосфатування чорних металів
Лабораторна робота №1
Мета роботи: Ознайомитися з процесом хімічного фосфатування чорних металів; вивчити вплив режиму фосфатування та способу підготовки поверхні на якість, структуру, товщину фосфатної плівки.
Фосфатні покриття, що утворюються на поверхні металів в результаті їх хімічної взаємодії з розчином ортофосфорної кислоти та її кислих солей – це плівки нерозчинних в воді фосфорнокислих сполук.
Фосфатні плівки складаються з досить мілких кристалів, які зрослися між собою і хімічно зв’язані з металом. За рахунок високорозвиненої шорсткої поверхні фосфатні плівки мають специфічні фізико – хімічні властивості. Наявність між кристалами ультрамікроскопічних пор забезпечує високі адгезійні властивості плівки. Високі антифрикційні властивості фосфатних плівок, наповнених мастильними речовинами, використовуються на процесах штамповки, протяжки, волочінні дроту, тобто на операціях холодної деформації металів.
Фосфатна плівка – відмінний грунт під лакофарбувальне покриття. Значний електричний опір фосфатної плівки дозволяє використовувати її для створення електроізолюючого шару на трансформаторних, роторних та статерних пластинах електротехнічних виробів. В металургійній промисловості фосфатні плівки запобігають розтіканню розплавленого металу на стальні деталі.
Фосфатна плівка утворюється при взаємодії ортофосфорної кислоти з металом і утворенням первинних фосфатів і виділенням водню.
Ме + 2Н3PO4 → Me(H2PO4)2 + H2
Первинні фосфати гідролізують з утворенням важкорозчинних двох і трьохзаміщених фосфатів.
В загальному записати таке рівняння для гідролізу первинних фосфатів.
n Me (H2PO4)2 ↔(n+1)H3PO4 + (n-3) MeHPO4 + Me3(PO4)2
В процесі фосфатування сталі формується плівка з двох шарів: 1)бар'єрний, який з'єднаний p поверхнею метала, незначної товщини, еластичний і досить пористий;2)зовнішній – крихкий, який має кристалічну будову і складається з двох та трьох заміщених фосфатів. Саме цей прошарок зобумовлює властивості, що присутні фосфатній поверхні.
Товщина, структура, пористість, колір фосфатної плівки залежать від методу та режиму фосфатування, а також від складу металу, що фосфатують, та умов підготовки його поверхні. Колір плівки – від світло – сірого до темно сірого, можна спостерігати відтінки зеленкуватий і червонуватий в залежності від вмісту хрому, нікелю, міді в сплавах сталі.
Кристалічна структура і товщина фосфатної плівки зв'язані між собою. Мілко кристалічна плівка має товщину 1 – 4 мк і більше (до 8 мк), тривалість процесу 30 хв. Крупнокристалічні плівки товщиною 10 – 12 мк одержують в гарячому електроліті протягом 60 – 90 хв. Можна одержати плівки товщиною біля 100 мк, але сталь попередньо необхідно травити в 10 – 15 % - ному розчині HNO3.
В промисловості фосфатування проводять в розчині, основою якого в багатьох випадках є препарат Екол-фос-кфн. Препарат Екол-фос-кфн/марганець, залізо, фосфор/містить /в %/: 18 – 20 Мп2+,0,14 – 0,15 Fe2+, 2 – 2,5 Fe3+; 60 – 70 РО43-; 1,0 SO42-; сліди Са2+ і воду – 2 – 3 %. Розчини на основі препарату Екол-фос-кфн прості в приготуванні, досить стабільні в роботі і фосфатні плівки з таких розчинів досить якісні.
Робочу концентрацію речовини для фосфатування на основі препарату Екол-фос-кфн контролюють по загальній Кзаг. і вільний Кв кислотності. При понижені Кзаг. до 25 – 27 крапок, одержані фосфатні плівки з таких розчинів мають погіршені захисні властивості. Величина Кзаг. повинна бути не менша 30 крапок, а Кв. – 3 – 4 крапки. Погіршується якість плівки при накопичені в електроліті домішок алюмінію, миш'яку, свинцю, сульфітів та хлоридів. Вміст домішок не повинен перевищувати для Pb – 0,01%; As – 0,002%; Al – 0,02%; іонів SO32- - 0,3 %; іонів Cl- - сліди. Якщо вміст домішок перевищує вказану кількість, то розчин замінюють на новий. На практиці ванни експлуатують роками, тільки періодично чистять від осаду, що накопичуються на дні ванни.
Широкого застосування набуло прискорене фосфатування. Його проводять в розчинах на основі залізо марганцевих фосфатів, первинних фосфатів цинку та їх сумішей. Крім того, в розчин вводять прискорювачі, одним з яких є нітрат цинку. Однак фосфатні плівки, одержані з такого розчину, мають гіршу захисну здатність і одержують їх головним чином на виробах, які в подальшому формуються або піддаються холодній деформації.
Порядок проведення роботи
Для дослідів використовують пластини різних марок сталі.
Склад розчину та режими фосфатування
Електроліт №1 Електроліт №2
| Препарат Екол-фос-кфн — 110- 130 г/л NH4HF2 — 3-5 г/л Загальна кислотність, Кзаг. /крапок/ — 30 Вільна кислотність, Кв. /крапок/ — 3 - 4 Відношення Кзаг./ Кв. — 7 -10 Температура, 0С — 35 - 45 Тривалість обробки, хв. — 15 - 20 | ZnO — 23 – 25 г/л H3PO4 — 25-30 HNO3 — 35-45 г/л NaNO2 — 0,5-1 pH = 2,5-2,7 Температура, 0С — 18 — 25 Тривалість обробки, хв. — 15 - 20 |
Дослід №1. Дослідити як впливають на властивості фосфатної плівки різні способи
підготовки поверхні зразків.
Для одержання фосфатної плівки готують сім зразків. Два з них обробляють в соляній кислоті, ще чотири зразки перед фосфатуванням попередньо травлять: 1 – й зразок в 10 – 15 % - ному розчині HNO3 протягом 5 хв.; 2 – й зразок – в 10 – 15 % - ному розчині HNO3 протягом 15 хв; 3 – й в 20% - ному розчині H2SO4/ при t = 500С / протягом 15 – 20 хв. 4 – й в 16 Н розчині Na OH протягом 15 – 20 хв. Всі сім оброблених зразків ретельно промивають водою, пасивують в 2 – 3% розчині Na NO2 протягом 1 хв., сушать і зважують на аналітичних вагах. Підготовлені зразки фосфатують в електроліті. Зафосфатовані зразки промивають, висушують і зважують. Візуально оцінюють якість та структуру плівок і визначають зміну маси зразків.
Δmзр =m2 – m1 /S г/м2
Де m1- маса зразка до фосфатування;
m2 - маса фосфатного зразка.
S – поверхня зразка.
Дослід №2. Визначити масло-ємність та захисні властивості фосфатних плівок на
Зразках, покритих в досліді №1.
Після зважування зразків і візуальної оцінки структури фосфатної плівки, на зразках № 1, 5, 6 визначають масло ємність фосфатної плівки / див. додаток до лаб.робіт з курсу /”Технічна електрохімія”/. На зразках № 2, 3, 4,7 оцінюють захисні властивості фосфатного покриття методом окунання в розчині № 4 /див. додаток до лаб. робіт з курсу/
“Технічна електрохімія”/.
Вихідні та розрахункові дані заносять в табл.№ 1 і № 2.
Таблиця №1
Умови фосфатування та результати визначення корозійної стійкості плівки.
| Номер зразка | Метод підготовки поверхні | Тривалість фосфатування, хв. | Температура розчину 0С | Час до зміни забарвлення Краплі, хв. | Оцінка захисних властивостей плівки | Зовнішній вигляд плівки |
| HCl | 35-45 | Хороші | жовто-зелена | |||
| HCl | 18-25 | Задовільні | темно-сіра | |||
| HNO3 | 35-45 | - | - | жовто-зелена | ||
| HNO3 | 18-25 | - | - | темно-сіра | ||
| H2SO4 | 35-45 | - | - | жовто-зелена | ||
| H2SO4 | 18-25 | - | - | темно-сіра | ||
| NaOH | 35-45 | - | - | жовто-зелена | ||
| NaOH | 18-25 | - | - | темно-сіра |
Таблиця №2
| Номер зразка | Метод підготовки поверхні зразка | Маса зразка, г | Маса, що припадає на 1 кв. дм. | Маслоємність г/м2 | |||||
| До фосфатування, А | Після фосфатування, Б | Після зняття плівки В | Після промаслювання, Г | Маса плівки, Рпл. | Маса розчиненої сталі | Зміна маси зразка *2 | |||
| HCl | 8,177 | 8,225 | - | - | 0,048 | 0,48 | - | ||
| HCl | 5,815 | 5,657 | - | - | -0,158 | -1,58 | - | ||
| HNO3 | 6,618 | 6,663 | 6,588 | - | 0,045 | 0,45 | - | ||
| HNO3 | 6,963 | 6,826 | 6,825 | - | -0,137 | -1,37 | - | ||
| H2SO4 | 7,531 | 7,568 | 7,509 | 7,572 | 0,037 | 0,37 | |||
| H2SO4 | 5,687 | 5,513 | 5,512 | 5,528 | -0,174 | -1,74 | |||
| NaOH | 7,096 | 7,142 | 7,071 | - | 0,046 | 0,46 | - | ||
| NaOH | 7,647 | 7,487 | 7,486 | - | -0,16 | -1,6 | - |
Питання для самоконтролю