磷化剂配方设计所依据的原则与实例

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磷化剂配方设计所依据的原则与实例
摘要：本文通过对磷化机理、磷化液中动态平衡，以及磷化剂中各组份所起的作用阐述，并通过实例说明磷化剂配方设计的方法，从而得出了设计配方时所必须依据的原则。
1、磷化液的构成
    磷化是金属与稀磷酸或酸性磷酸盐反应而形成磷酸盐保护膜的过程。磷化液的主要成分是磷酸二氢盐，如Zn（H2PO4）2以及适量的游离磷酸和加速剂等。加速剂主要起降低磷化温度和加快磷化速度的作用。作为化学加速剂用得最多的氧化剂如NO3-、NO2-、CIO3-、H2O2等。
2、磷化的基本原理
    原则上说，当金属工件一旦浸入加热的稀磷酸溶液中，就会生成一层膜。但由于这种膜的保护性差，所以通常的磷化在含有Zn、Mn等酸性溶液中进行。
以铁为例，当金属表面与酸性磷化液（以锌为例）接触时，发生如下反应：
- ~% H- z0 G+ ]- y首先，钢铁表面被溶解
Fe+2H+→Fe2+ +H2
( ?! j8 D0 @8 E- [( ^8 p- k- L) G从而使金属与溶液界面的酸度降低，金属表面的磷酸二氢锌向不溶的磷酸锌转化，并沉积到金属表面形成磷化膜，其反应为：
Zn（H2PO4）2→+ZnHPO4+ H3PO4
3Zn（H2PO4）2→+Zn3（PO4）2+4H3PO4
同时基体金属也可直接与酸性磷酸二氢锌反应
Fe+ Zn（H2PO4）2→+ZnHPO4+FeHPO4+H2
5 E3 U  {, y* m3 UFe+ Zn（H2PO4）2→+ZnFe(HPO4)2+H2
& }6 d& [5 I0 U) i5 w  h事实上，磷化膜是含有四个分子结晶水的磷酸叔盐。最终过程可以写成
9 w; v8 ]5 U+ @6 [7 a1 @/ w5Zn（H2PO4）2+Fe（H2PO4）2+8H2O→Zn3（PO4）2·4H2O+ Zn2Fe（PO4）2·4H2O+8H3PO4
3、磷化液中存在的动力学平衡
( x5 P( A+ X: ^' `磷化液的基本平衡方程式
" Q4 C8 u% ]+ s3 V. I+ j! J3M（H2PO4）2 M3（PO4）2+4H3PO4
此方程的平衡常数
2 X7 d$ ~& e  F+ P5 w+ N' |3 W% ~K=[M3（PO4）2][ H3PO4]4
[M（H2PO4）2]3
) d* J  _+ ^$ I+ RM代表Zn、Mn等
: g- V+ Z: z2 Q* B由上述议程式可以看出，常数K值越大，磷酸盐沉积的比率越大。而K值随一代和三代金属盐的金属的性质，溶液的温度，PH值及总浓度有关。所以影响磷化液性能的至少有PH值、游离酸度、总酸度、温度和金属性质。
3 R: o9 g# ?5 {# I% k4、磷化液中的各组成的作用及影响
4.1pH值的影响
成膜金属离子浓度越低，所要求的溶液的pH值越大，反之，随着成膜离子浓度的提高，可适当降低溶液的pH值。
4.2游离酸度的影响
游离酸度指磷化液中游离磷酸的含量。酸度太低，不利于金属基体的溶解，因此也就不能成膜。但如果酸度太高，则大大提高了磷化膜的溶解速度，也不利于成膜，甚至根本不会上膜。
4.3总酸度的影响
总酸度主要指磷酸盐、硝酸盐和游离酸的总和，反映磷化内动力的大小。总酸度高，磷化动力大，速度快，结晶细。如果总酸度过高，则产生的沉渣多和粉末附着物多；如果过低，则磷化慢，结晶粗。
; ?1 P5 i, ~' k9 H4.4酸比值γ的影响
酸比值是磷化必须控制的重要参数。它是总酸和游离酸的比值，以及表示总酸和游离酸的相互关系。酸比小，则意味着游离酸太高，反之，则意味着游离酸低。随温度升高，酸比值变小；随温度降低而增大。一般常温下控制在20—25：1。
4.5加速剂的影响
5 p. q( [1 |1 R/ ]/ g, o% y; `) g3 k4.5.1氧化性加速剂
氧化性加速剂有两个十分重要的作用。1）限制甚至停止氢气的释出。这个作用限于金属/溶液界面处，决定磷化膜沉积的速度，是磷化液具有良好性能所必须的。2）使溶液中某些元素，特别是还原性化合物发生化学转化，如把二价铁离子氧化成三价铁，生成不溶性磷酸铁沉渣，从而控制磷化液中亚铁的含量。此外，还可以迅速氧化初生态氢，可大大减少金属发生氢脆的危险。
4.5.1.1硝酸盐的影响
硝酸盐是常用的氧化剂，可直接加入到磷化液中。NO3-/PO43-比值越高，磷化膜形成越快。但过高会导致膜泛黄。单一使用NO3-会使磷化膜结晶粗大。
" l+ @9 p! j# V- p) }$ X4.5.1.2亚硝酸盐的影响
亚硝酸盐是常用的促进剂，常与NO3-配合的使用，以亚硝酸钠的形式加入到磷化液中。但亚硝酸盐不稳定，易分解，用亚硝酸盐做促进剂的磷化液都采用双包装，使用时定量混合，并定期补加。含量少，促进作用弱；含量过高，则沉渣过多，且形成的膜粗厚，易泛黄。一般含量在0.7-1克/升。
$ p# d7 Z7 h' l  O& M( S; S; n' h4.5.2金属离子促进剂的影响
磷化剂中添加金属盐（一般灵硝酸盐），如Cu2+、Ni2+、Mn2+等电位较正的金属盐，有利于晶核的形成和晶粒细化，加速常温磷化的进程。
4.5.2.1铜离子影响
极少量的铜盐会大幅度提高磷化速度。工作液中含Cu2+在0.002-0.004%时，使磷化速度提高6倍以上。但铜离子的添加量一定要适度，否则铜膜会代替磷化膜，其性能下降。
4.5.2.2镍离子的影响
9 p& v. F# @1 X1 g) b5 E0 M$ {: vNi2+是最有效、最常用的磷化促进剂。它不仅能加速磷化，细化结晶，而且能提高膜的耐腐蚀性能。Ni2+含量不能过低，否则膜层薄；与铜盐不同的是，大量添加镍盐时，并无不良影响，但会增加成本。一般控制Ni2+含量在1.0-5.0克/升。
5、磷化液配方设计实例
& g. b5 K5 ?; ^% g2 r0 k) E    如设计总酸度为40点，NO3：PO4为1：1的磷化剂时，其过程如下
5.1物料的计算
5.1.1磷化液中酸浓度的计算
' ~1 J( E5 f6 n) o# P0.1×40=C（磷化液中酸浓度）×10
C（磷化液中酸浓度）=0.1×40/10=0.4（mol/l）
! x/ K, o  D3 n5.1.2磷酸和硝酸浓度的计算
9 X8 U" F& F: B8 T* O% B* C; C, }3C1（磷酸浓度）+C2（硝酸浓度）=0.4（mol/l）
而NO3：PO4为1：1
' W. o: D" A+ L* F所以C1（磷酸浓度）=0.1（mol/l）C2（硝酸浓度）=0.1（mol/l）
3 O3 N, a0 A1 K4 M1 F5.1.3氧化锌的计算
1 F' E4 Q! e0 Y( w* N  l: NZnO+2H3PO4= Zn（H2PO4）2+ H2O
' n5 [8 D# I5 ~7 F8 f  }- f# g3 V1 2
3 `- p' }# u, D! m' f8 C( q* wC1（zno）：0.1=1：2
; g$ f# D6 i/ D) `+ T0 m所以C1（zno）=0.05（mol/l）
% [$ B2 w: E4 y( {5 u2 k2 AZnO+2HNO3= Zn（NO3）2+H2O
1 2
) X( A/ }: D/ P4 G* [. Z$ nC2（zno）：0.1=1：2
9 f$ J) _7 ^+ W8 d所以C2（zno）=0.05（mol/l）
/ o; N4 d7 u; h6 r& xC（zno）= C1+ C2=0.05+0.05=0.1（mol/l）
由上述计算可以知道，要配制NO3：PO4为1：1，总酸度为40点的磷化溶液时，需要HNO3 0.1（mol/l） H3PO4 0.1（mol/l）ZnO 0.1（mol/l）
5.2浓缩液的配制
5.2.1按上述的计算物料和所要求的浓缩倍数及磷化液的配制量，计算HNO3 H3PO4 ZnO的用量，并根据实际使用物质的浓度换算成其质量和体积。
- L  H% ]9 b9 I' {9 P5.2.2将氧化锌用水调成糊状，并在不断的搅拌中依次加入H3PO4、HNO3，并控制反应温度在50-60℃。
5.2.3加入各种复配成分（促进剂：Cu（NO3）2Ni（NO3）2；降渣络合剂：柠檬酸）
5.2.4为保持配制好的磷化液不出现析渣，加入适度过量的磷酸。
5.2.5将配制好的磷化液过滤。
5.3磷化液的使用
5.3.1按照适当的倍数将浓缩液稀释至使用条件。
5.3.2按照使用条件及工件状况，调整工艺参数至最佳范围。
6、结论
    综上所述，配制磷化液应遵守的原则如下：
: K  K1 v! Y# Z2 A2 F6.1溶液中金属离子（主要指锌、锰离子）含量越高，溶液所要求PH值越底；金属离子含量越低，溶液所要求PH值越高。
6.2喷淋磷化比浸淋磷化可以有更低的温度、浓度、更小的酸比值和更短的时间。
+ i' C6 x2 o5 o, r& x' B6.3喷淋磷化比浸淋磷要求更低的总酸，高的游离酸，低的促进剂。
4 S" ~( c: n% ]6.4磷化液中，磷酸根过量越多，锌沉积越完全。所以要尽可能增加磷酸含量。

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PANXIAONAN

讲解得比较详细,学习了.