金属表面技术(磷化).docVIP

金属表面技术 一、.实验目的 (1)掌握钢铁磷化的基本原理。 (2)了解磷化处理溶液的配制方法及磷化处理的实验操作。 二、仪器与试剂 金相试样磨光机 1台 沸石 电吹风 1个 ZnO 温度计(0~100℃) 1只 浓HNO3 耐水砂纸 浓H3PO4 滤纸 硝酸锰 搅拌棒 NaNO2 铁夹子 NaF 烧杯 蒸馏水 pH试纸 三、实验原理 钢铁零件在含有锰、铁、锌的磷酸溶液中进行化学处理，其表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法叫磷化处理，亦成磷酸盐处理。 磷化膜的外观，由于试件材料不同及磷化处理的条件不同可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分有磷酸盐M(PO4)2或磷酸氢盐（MHPO4）的晶体组成。 磷化膜在通常大气条件下比较稳定，与钢的氧化处理相比，其耐蚀性较高，约高2~10倍。磷化处理之后，进行重铬酸盐填充，侵油涂漆处理，能进一步提高耐蚀性。 磷化处理有高温（90~98℃），中温（50~70℃）和常温（15~30℃）三种处理方法。常用的磷化方法有侵渍法和喷淋法。不管采用哪种方法进行磷化处理，其溶液都含有三种主要成分。 （1）H3PO4（游离态），以维持溶液pH值。 （2）M(H2PO4)2,M=Mn、Zn等。 （3）催化剂（即氧化剂）、、H2O2等。 钢铁类进行磷化处理时，大致有如下反应历程。 2.1锰、锌系磷酸盐膜化学反应机理 （1）Mn(H2PO4)2做磷化液的成膜机理 在97~99℃下加热1h，在Mn(H2PO4)2溶液中发生如下的电离反应 Mn(H2PO4)2→MnHPO4 ↓+H3PO4 (6-1) 在反应平衡后，溶液中存在一定数量的磷酸分子，不溶性的MnHPO4及未电离的Mn(H2PO4)2分子。当把Fe浸入此溶液之中，则发生以下化学反应 2 H3PO4+Fe==Fe(H2PO4)2+H2 (6-2) Fe(H2PO4)2==FeHPO4+H3PO4 (6-3) 由于H2的析出，溶液的pH值升高，因此，Mn(H2PO4)2的电离反应会继续进行，反应向生成难溶磷酸盐的方向移动。这些不溶性的仲磷酸盐MnHPO4大部分沉淀在工件的表面上，少部分可能从溶液中沉淀成泥浆，大部分还是在金属表面沉积成为磷化膜层。因为它们就是在反应部位生成的，所以与基体表面结合得很牢固。 对形成的膜层进行分析，发现膜中除了有锰及磷酸根外，还有铁，铁的进入就是Fe(H2PO4)2的电离生成的。 （2）Zn(H2PO4)2做磷化液的成膜机理 3Zn(H2PO4)2→Zn3(PO4)2↓+4H3PO4 (6-4) 2H3PO4+Fe==Fe(H2PO4)2+H2 (6-5) 式（6-5）的进行将使反应式（6-4）的电离反应向右移动，使Zn3(PO4)2↓不断增加 ，因此，磷酸锌能够迅速而且整齐地沉积在金属表面上，成为致密的膜层——磷化膜。 锰系磷化液形成的磷化膜是仲磷酸盐和叔磷酸盐的混合物，而锌系磷化液形成的磷化膜仅是锌的叔磷酸盐膜。 所有以重金属磷酸盐溶液为基础的磷化工艺，都是依据下述的基本平衡。 ① 伯磷酸盐==仲磷酸盐+磷酸 （溶于水）（不溶） ② 仲磷酸盐==叔磷酸盐+磷酸 （不溶） （不溶） ③ 金属+磷酸==伯磷酸盐+H2 2.2铁系磷酸盐膜化学反应机理 磷酸铁系膜层处理液有以下两种。 （1）处理液为含有Na(H2PO4)2和表面活性剂的水溶液，使用本处理液时成膜反应和脱脂操作可以同时进行。 （2）由碱金属磷酸二氢盐与氧化剂（例如氯酸盐、溴酸盐、钨酸盐等）所组成的处理液，需在完成脱脂、清洗等规定操作之后再进行成膜操作。 上述两种处理液通常含磷酸二氢钠10～15g.L-1,加热到50℃时呈现出下列所示的轻微解离反应 2NaH2PO4==Na2HPO4 + H3PO4 (6-6) 当该反应达平衡时，再把这种溶液喷淋在钢铁表面上，会发生如下反应： 2 H3PO4 + Fe == Fe(H2PO4)2 + H2 (6-7) Fe(H2PO4)2== Fe3(PO4)2 + 4H3PO4 (6-8) 从Fe的电位-pH图可知，在pH=5.5～6的条件下，铁能与含氧溶液反应生成Fe(OH)2,经干燥脱水后生成氧化铁。生成的Fe2O3与Fe3(PO4)2都是膜层的主要组分。 反应如下： 2Fe + 2H2O + O2== 2Fe(OH)2 (6