2.2 Фосфатування металів
Фосфатування використовують для додаткового захисту від корозії, покращення твердості, зносостійкості, на чорних та кольорових металах. Суть процесу фосфатування полягає у створенні на поверхні виробу, що захищається, шару малорозчинних фосфатів заліза, цинку або марганцю.
Фосфату піддаються: чавун, низьколеговані, вуглецеві сталі, кадмій, цинк, мідь, сплави міді, алюміній. Фосфатуванню погано піддаються високолеговані сталі.
Фосфатна плівка не боїться органічних масел, мастильних, гарячих матеріалів, толуолу, бензолу, всіх газів, крім сірководню.
Під впливом лугів, кислот, прісної, морської води, аміаку, водяної пари покриття досить швидко руйнується. Нетривалий термін служби покриття також пов'язаний із його низькою еластичністю та міцністю.
Процес фосфатування знайшов широке застосування автомобільної промисловості. Фосфатна плівка – найкращий ґрунт.
Товщина фосфатного шару становить від 2 – 8 до 40 – 50 мкм (залежить від режиму фосфатування, підготовки поверхні, складу розчину для фосфатування). Товщина покриття пов'язана із його структурою. Дрібнокристалічні захисні шари мають меншу товщину (1 - 5 мкм) і мають більш виражену захисну здатність. У зв'язку з цим їх набагато частіше використовують. Отримують такі покриття із цинкфосфатних розчинів, які містять прискорювачі (окисляючі елементи). Дрібнокристалічні шари не використовуються як самостійні захисні. Після отримання такого шару поверхню піддають додаткової обробки лакофарбовими матеріалами.
Крупнокристалічні фосфатні шари товстіші, одержують їх із марганцевофосфатних розчинів. Після промаслювання можуть бути самостійними покриттями.
Кристали фосфатів маютьпластинчасту структуру, завдяки чому плівка відмінно вбирає різні просочення, лаки, утримуючи їх у собі.
Фосфатне покриття складається із двох шарів. Перший шар, щільно прилеглий до поверхні, щільно пов'язаний з металом, незначної товщини, має пористу структуру, а також гладкий і досить еластичний. Він складається здебільшого з монофосфатів заліза. Другий шар (зовнішній) – складається з монофосфатів марганцю, вторинних та третинних фосфатів. Він більш крихкий, кристалічний. Характеристиками зовнішнього шару обумовлюється цінність фосфатних плівок.
Колір фосфатного покриття коливається від світло-сірого до темно-сірого (майже чорного). Світло-сірі фосфатні плівки утворюються на кольорових металах та маловуглецевих сталях. Попередньо поверхнях, що піддалися піскоструминній обробці, в розчинах підвищеної кислотності.
Якщо чавунне (або високолегованої сталі) виріб попередньо піддавалося травленню, і концентрація ортофосфорної кислоти більше звичайного - фосфатний шар виходить більш темного відтінку. Фосфатне покриття зеленого відтінку утворюється на поверхні сталі, що містить нікель і хром.
Фосфатне покриття не піддається впливу кисню повітря, мастил, масел, гасу, що не змочується розплавленими металами. Фосфатний шар може витримати нетривалий вплив температури близько 500 °С. Найбільша мінусова температура, за якої не руйнується покриття -75 °С.
Фосфатне покриття відрізняється високим електроопіром, може витримати напругу до 500 В. Щоб підвищити пробивну напругу готового фосфатного покриття (до 1000 В) - його додатково просочують бакелітовими або масляними лаками. Фосфатне покриття по твердості м'якше сталі, але твердіше, ніж латуньчи мідь.
Підготовка поверхні перед операцією фосфатування грає значної ролі, т.к. від її способу та якості багато в чому залежать властивості отриманого покриття, а саме структура, адгезійна здатність, товщина, колір фосфатної плівки.
При фосфатуванні наперед протруєної поверхні (з використанням HCl, H2SO4, H3PO4) утворюються крупнокристалічні, пухкі фосфатні шари, товщиною до 40 - 50 мкм. Вони мають досить низькі захисні властивості, тому для поліпшення якості плівки деталь промивають у 3 – 5 % розчині кальцинованої соди, а далі у воді і потім тільки фосфатують. Або ж у 1 – 2 % розчині господарського мила та 5 – 8 % розчині кальцинованої соди при температурі 55 – 60 °С.
Дрібнокристалічні, тонкі (товщиною від 5 до 10 мкм) плівки утворюються на поверхнях, оброблених піскоструминним способом з подальшим знежиренням (з використанням органічних розчинників або хімічним методом), а також механічно оброблені навколо, і т.п. Такі фосфатні плівки відрізняються гарною адгезією до поверхні та високими захисними властивостями.
Важкорозчинні фосфати заліза – основна складова фосфатних покриттів. Їхня якість визначається вільною та основною кислотністю розчину, природою катіонів металу, концентрацією монофосфатів.
При введенні в розчин фосфатування окислювальних аніонів (наприклад, ClO3, NO2, NO3) процес формування захисної плівки значно прискорюється.
При фосфатуванні на поверхні металу спостерігається два основні процеси - осадження фосфатів та розчинення основного металу.
Фосфатування чорних металів. Сьогодні найширше застосування отримав препарат для фосфатування "Мажеф". Випускається у вигляді сірої маси, розфасованої побочкам чи ящикам. Відрізняється характерним кислуватим запахом. Назва препарату походить від перших літер його складових частин: марганець, залізо, фосфорна кислота.
Фосфатна плівка при використанні даного препарату має гарні захисні властивості.
Процес отримання фосфатної плівки з використанням даного препарату має свої недоліки: високі температури, вузький робочий інтервал температур, тривалість операції, наводження сталі (через сильне виділення водню). Щоб знизити наворожування зменшують тривалість процесу.
Фосфатування може бути електрохімічним та хімічним.
Хімічне фосфатування чорних металів, у свою чергу, поділяється на холодне, нормальне та прискорене.
Холодне фосфатування проводиться без підігріву робочих розчинів. Фосфатне покриття виходить досить тонким і використовується як основа під фарбування. В основу розчинів для холодного фосфатування входять препарат Мажеф та однозаміщений фосфат цинку (Zn(H2PO4)2). NaNO2 та NaF відіграють роль активаторів процесу.