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。
" N$ C# O5 y8 S7 {! c1 ^6 y1、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。
7 h- \0 Y, G, _) Z6 N/ W' V, w2、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：
首先，钢铁表面被溶解
Fe+2H+→Fe2+ +H2
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：
6 T/ h- s" A0 l: y$ b" HZn（H2PO4）2→+ZnHPO4+ H3PO4
! R' ^# @# `- b4 l3Zn（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
3 Q: Q6 E( r0 u% o& u% U, WFe+ Zn（H2PO4）2→+ZnHPO4+FeHPO4+H2
% R. J8 w& j5 g1 D$ W6 I5 XFe+ Zn（H2PO4）2→+ZnFe(HPO4)2+H2
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
/ Z5 x9 G$ ~: W1 z# F- Q5Zn（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
: z7 O  f& f( K8 i/ Q: N( _( c5 ]- m磷化液的基本平衡方程式
3M（H2PO4）2 M3（PO4）2+4H3PO4
此方程的平衡常数
3 \6 o" L) G! f- g9 S8 VK=[M3（PO4）2][ H3PO4]4
[M（H2PO4）2]3
M代表Zn、Mn等
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。
4、磷化液中的各组成的作用及影响
4.1pH值的影响
( H0 D! X, t: n% |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。
/ u5 L3 a/ y2 [: f3 X4.2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。
  @# o. y  x& o5 h1 W* n2 a4.3总酸度的影响
5 `+ @/ k$ D9 x, o% k; G7 V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。
- V% y# n9 ?6 ~1 D7 ^  X9 j4.4酸比值γ的影响
( t: e( d: z& a% d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。
6 n* ?  g( P. [$ x9 R4.5加速剂的影响
$ \. I. q: o% }  I4.5.1氧化性加速剂
7 w' E- \6 a- ?' Z, G) b4 |6 y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
/ b* w! Q8 p2 @. H4 M$ B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。
& v' K: F& d3 U7 P, d  L4.5.1.2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。
4.5.2金属离子促进剂的影响
# q( o3 K, U! \0 y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。
, |! x/ Y# |. O- E4.5.2.1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
Ni2+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。
8 P: G5 g$ F8 a8 g9 R9 K+ p% X& v5、磷化液配方设计实例
; \( m; H- V8 {+ {' c1 U1 U    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
) Q$ h* A* H( G6 h& s5.1.1磷化液中酸浓度的计算
" U# k3 ~+ h/ O- S0.1×40=C（磷化液中酸浓度）×10
4 d0 {9 z6 N/ z9 \0 e- B9 TC（磷化液中酸浓度）=0.1×40/10=0.4（mol/l）
5.1.2磷酸和硝酸浓度的计算
3C1（磷酸浓度）+C2（硝酸浓度）=0.4（mol/l）
& q0 z! h; D" n2 X' V4 [而NO3：PO4为1：1
所以C1（磷酸浓度）=0.1（mol/l）C2（硝酸浓度）=0.1（mol/l）
5.1.3氧化锌的计算
' f, `- a4 ]- o0 SZnO+2H3PO4= Zn（H2PO4）2+ H2O
& Q- f9 j4 M$ S0 R, z+ Z9 _" e1 2
C1（zno）：0.1=1：2
所以C1（zno）=0.05（mol/l）
ZnO+2HNO3= Zn（NO3）2+H2O
' I  E* B" N2 ^! ?1 2
C2（zno）：0.1=1：2
" B8 w1 T8 g$ j, k1 Z" q+ S所以C2（zno）=0.05（mol/l）
C（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
1 [; j* p1 H! N+ Y- F- D5.2.1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。
# {$ K* ~# Y, A! |) _5.2.2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。
  Z5 V5 q' J2 K5 S4 ]1 i5 \  K5.3磷化液的使用
, [2 ~) N% @2 S! _6 b) o5.3.1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。
. Z+ I$ F+ m1 v) D$ F6、结论
    综上所述，配制磷化液应遵守的原则如下：
  ?( ~5 y; e  I0 @6.1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。
6.3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。
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.