超聲波磷化工藝研究

（沈陽理工大學(xué), 遼寧 沈陽 110159）

0 前言

金屬及其合金經(jīng)磷化處理，生成磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜。該膜既可以起臨時(shí)性的防腐作用，又可作為油漆底層，增強(qiáng)油漆與基體金屬的結(jié)合力及油漆的耐蝕性。為了保證磷化這些要求，就必須有優(yōu)質(zhì)的磷化膜及磷化工藝。傳統(tǒng)的磷化處理一般采取浸磷或噴淋的方式，處理方式的局限性導(dǎo)致復(fù)雜工作的邊角，孔等部位不易清洗磷化，而且各種處理劑控制不當(dāng)易對工件產(chǎn)生腐蝕，清理用過的廢水需處理，同時(shí)能耗特別大。超聲波應(yīng)用于磷化處理工藝中，不僅可以解決上述問題，而且該工藝集超聲波除油，除銹，磷化于一體，具有金屬表面凈化程度高，磷化速度快，污染低，能耗小等特點(diǎn)，還具有槽液成分簡單，容易控制等優(yōu)點(diǎn)。有利于簡化了工藝流程，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，所形成的磷化膜特別適用于漆前的表面處理，同時(shí)超聲波能加速晶核的形成過程，抑制晶體生長而得到更加均勻細(xì)致的晶粒。基于此，本文進(jìn)行超聲波磷化工藝研究

1 超聲波磷化原理

超聲波磷化設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器和換能器構(gòu)成，超聲波發(fā)生器（電源）將50Hz的工頻電通過逆變轉(zhuǎn)化成20KHz以上的高頻電送到換能器上。超聲波換能器固定在工位槽的底板上或槽壁上，換能器的壓電元件可將電能轉(zhuǎn)換成強(qiáng)有力的高頻振動(dòng)，這種頻率振幅很小，約幾微米至幾十微米，但具有很高的加速度。當(dāng)多個(gè)換能器被施加相同頻率及電位電壓時(shí)，就與槽液形成高頻往復(fù)振動(dòng)（共振），并在槽液中傳播，適當(dāng)條件下產(chǎn)生空化作用。空化作用極易在固液相界面產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的穿透固體和液體的能力，因而對浸沒在液面下的工件內(nèi)外表面均能以物理作用進(jìn)行超常清洗，能促進(jìn)磷化反應(yīng)均勻地進(jìn)行；超聲波的強(qiáng)烈攪拌能使磷化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣加速脫離工件表面，從而使工件表面始終與新鮮溶液接觸，使工件表面極化現(xiàn)象徹底消失；超聲波對結(jié)晶過程的晶粒細(xì)化作用。超聲波能加速晶核的形成過程，抑制晶體生長而得到更加均勻的晶粒。其原因是由于空化使晶團(tuán)、樹枝狀結(jié)晶破碎和分散，使每一個(gè)晶體形成許多新的晶核，從而加速了反應(yīng)過程；從能量的角度來看，超聲波是一種獨(dú)特的能量形式。在磷化過程中，鐵的溶解屬于放熱反應(yīng)，而磷酸二氫鋅的水解沉積成膜過程則是吸熱反應(yīng)。在常（低）溫下，前者不足以補(bǔ)充后者，必須為磷化提供外動(dòng)力，超聲波空化產(chǎn)生的巨大能量和局部高溫則為此提供外動(dòng)力。

2 超聲波磷化參數(shù)分析

超聲波磷化效果與槽液溫度、超聲波的功率密度、超聲波頻率等參數(shù)密不可分。在制定磷化實(shí)驗(yàn)條件時(shí)應(yīng)充分給與考慮。

采用超聲波磷化，一般槽液溫度控制在25～30℃時(shí)效果最好，溫度升高或降低都不利于磷化質(zhì)量；

超聲波的功率密度越高，磷化速度快，磷化效果好；反之亦然。

超聲波的頻率越小，空化作用易產(chǎn)生，空化作用強(qiáng)。采用超聲波磷化，一般要視工件形狀選擇合適的工藝參數(shù)，使各種因素協(xié)同作用處于最佳狀態(tài)，才能達(dá)到最佳的磷化效果。

3 磷化實(shí)驗(yàn)方法研究

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

將58SiMn鋼制成 10× 10mm 的金相試樣，經(jīng)磨光，拋光和浸蝕后進(jìn)行不同方案的磷化處理。

3.2 磷化液成份

超聲波磷化液選用常溫鋅系磷化液，其組成為：Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO-3 (7g/L)；促進(jìn)劑 (2g/L)，總酸度14～20點(diǎn)，游離酸度1.0～1.5點(diǎn)。

常溫磷化液，其組成為： Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO- 3 (7g/L)；促進(jìn)劑 (2g/L)，總酸度14～20點(diǎn)，游離酸度1.0～1.5點(diǎn)。

中溫磷化液，選用軍品現(xiàn)行使用的磷化液，其代號為 DZ-93，總酸度 13～18點(diǎn)，游離酸度0.8～1.2點(diǎn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程制定

工藝 A：常溫磷化工藝流程：化學(xué)除油—水洗—酸洗—表面調(diào)整—磷化—水洗—干燥 溫度：25～30℃，時(shí)間：10～15(min)。

工藝 B：超聲波磷化工藝流程：超聲波除油—水洗—超聲波除銹—水洗—超聲波磷化—水洗—干燥 溫度：25～30℃，時(shí)間：≤3(min)。

工藝 C：中溫磷化處理工藝流程：除油—水洗—表面調(diào)整—磷化—水洗—干燥 溫度：50～70℃，時(shí)間：3～5(min)。

3.4 耐腐蝕和附著力測試

耐腐蝕采用3%NaCl，未涂油和漆；附著力測試采用劃圈法。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用金相顯微鏡觀察磷化膜的形核，長大和膜層形成的整個(gè)過程。發(fā)現(xiàn)在試樣浸入超聲波磷化液的瞬間，試樣表面生成一層彩虹色鈍化膜，接著在晶界或界內(nèi)的某些活性點(diǎn)形核。隨著浸漬時(shí)間的延長，晶核在晶界和晶內(nèi)長大，這種晶核生長的位向與鋼的原始組織沒有任何關(guān)系。在晶核長大的同時(shí)，又有一些新晶核形成并長大，最后松針狀結(jié)晶覆蓋整個(gè)表面，整個(gè)反應(yīng)，（溶解與沉淀）趨于動(dòng)態(tài)平衡，磷化膜完全生成。

常溫磷化液不加超聲波，所得磷化膜結(jié)晶粗大，外觀顏色發(fā)白，有浮灰，整個(gè)反應(yīng)時(shí)間長。

在中溫磷化液中，磷化膜的形核，長大和生長過程與超聲波磷化相似，只不過活性中心少，結(jié)晶較大，磷化膜完全生成的時(shí)間較長。不同的工藝流程下，磷化膜的外觀狀態(tài)、膜重及耐腐蝕性參數(shù)如表1～1。

通過金相顯微鏡觀察可知，加入超聲波場后，磷化膜晶核數(shù)量明顯增多，結(jié)晶更加細(xì)致，抗腐蝕性增強(qiáng)，附著力為一級。

表1-1 不同工藝條件下磷化膜的參數(shù)

5 結(jié)論

超聲波磷化工藝由于不使用強(qiáng)酸除油、除銹，從源頭上解決了酸霧對工件和車間銹蝕等問題。超聲波磷化液成分簡單，易于調(diào)整控制，可在常（低）溫條件下操作，從而節(jié)省大量原材料。加入超聲波場后獲得的磷化膜外觀成灰黑色，膜層均勻，薄而緊致（膜重在0.5～2g/m2），磷化速度大大加快（可在3min內(nèi)完成），所獲得的磷化膜具有良好的抗腐蝕能力，其抗蝕能力比中溫磷化膜提高 1倍。超聲波磷化金屬工件不但提高工件磷化質(zhì)量，也提高了工件的后續(xù)加工質(zhì)量，超聲波磷化工藝的研究對超聲波對金屬磷化的應(yīng)用有著重要的作用。

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