電流密度對磷化層的影響及設備優化

朱建國 雷雪松 蔡磊 呂昕峰 張其明

摘 ?要：本文通過對磷化電流密度分別為5A/dm2、10A/dm2、20A/dm2、30A/dm2時的磷化膜層厚度以及磷化膜的微觀形貌電鏡圖片進行分析，定義了合理的電解磷化電流密度區間：磷化電流密度在10-20A/dm2時的磷化膜致密度、均勻性均達到最優。針對電流密度的最優區間，對設備的陽極板進行改造，由原來的單段陽極板更改為兩段陽極板，分別采用獨立的整流器進行供電，第一段采用低電壓降低初始電流，第二段采用高電壓提高末端電流。有效的提高了電流密度在鋼絲上分布的均勻性

關鍵詞：磷化;電流密度;磷化膜

前言

磷化處理通過磷化液中的磷酸與金屬表面發生氧化還原反應，形成磷酸鹽沉積在金屬表面形成磷化膜，磷化膜可以提高金屬的耐腐蝕性和涂裝性[1-3]。電解磷化處理由于在磷化過程中沉渣少[4]，磷化時間短，添加劑含量低，是可行的替代傳統化學磷化的技術之一，受到廣泛關注[5]。

一般情況下，金屬件的完整電解磷化工藝為：放線-除油-水洗-弱酸洗-水洗-表調-磷化處理-水洗-熱水洗-皂浸-干燥-收線。從設備設計來看，除油水洗等工藝及設備都比較成熟，因此本文將研究重點放在電解磷化過程的工藝研究及方案設計。

電解磷化就是通過在金屬表面額外施加一定量的電流而促使磷化膜在金屬表面形成的一種工藝過程。這種技術相對于傳統的磷化而言，主要的優勢就是無需提供熱源且可減少磷化液沉渣量，此外，該處理技術可以減少生成磷化膜反應以外的其他副反應的發生。電解磷化處理方法通常有3種，脈沖極化法、陰極沉積法以及交流電法。本企業采用的是陰極沉積法。本企業所用磷化液為水性液體，無色至淡綠色，由氧化鋅，磷酸，硝酸，焦磷酸鹽等助劑配制而成。電解磷化槽溫度控制在65℃，PH為2左右，經檢測磷化膜層主要成分為Zn3（PO4）2·4H2O，以及少量的Zn2Fe（PO4）·4H2O，FePO4等，膜層外觀為淺灰色。

1.電解磷化工藝的優化

本文主要考察了電解磷化電流密度的變化對電解磷化效果的影響，電解磷化效果的評價以磷化膜的微觀形貌指標。依照 GB/T11367-1997可知，檢測磷化膜外觀就是目測評估法和劃痕法。目測評估直接用肉眼觀察以及通過SEM觀察磷化膜表面顏色、光澤度、完整性以及粗糙度等，磷化膜層除了應該具有其特定的光澤之外，還應該具有均勻、連續附著力好等特點，不應該有大的結晶、污點、銹蝕斑點，針孔，起泡，脫落，開裂，燒焦等不正常色澤和覆蓋不完全等缺陷存在，且電解磷化膜層還應該具有光滑、致密、無水印、無掛灰以及不發花等特點。試樣基體表面的磷化膜層顏色應該是灰色至深灰色，且用指甲劃后應有白色劃痕出現。本企業電解磷化生產線工藝條件為：磷化時間4.2s;溫度65℃;磷化液總酸度137、游離酸度19.49、酸比7.03。

本文考察了磷化電流密度分別為5A/dm2（圖1）、10 A/dm2（圖2）、20 A/dm2（圖3）、30 A/dm2（圖4）時的磷化膜層厚度以及磷化膜的微觀形貌，結果如下：

由SEM圖可知，隨著電解磷化電流密度的增加，磷化膜厚度也會隨之增加，說明電流密度的增大可以促進磷化膜晶核的快速形成以及生長。隨著電流密度的增加磷化膜形成的速度由慢變快且膜層開始較薄、不均勻（圖1），逐漸會增厚并趨向的均勻、完整（圖2），但電流密度過大電解磷化膜層雖然也在增厚但會導致磷化膜層晶粒變得粗大（圖3）、疏松多孔、附著力差，連續性差，且出現表面脫落（圖4）等現象。由圖可見，磷化電流密度在10-20A/dm2時的磷化膜致密度、均勻性均達到最優。

2.電解磷化設備的優化

初次設計的電解磷化設備的電解槽如圖所示，

鋼絲1通過陰極輥2與整流器6的陰極相連，然后進入表調槽3。表調槽3為溢流槽，表調供液泵13將表調母槽14里面的表調液通過表調供液管12泵入到表調槽3內，表調槽3充滿表調液后溢流，通過表調回液管11回液到表調母槽14中。鋼絲1通過表調槽3 后浸滿表調液直接進入磷化槽4，鋼絲1通過陰極輥2與整流器6的負極相連，陽極板5與整流器6的正極相連。這樣在鋼絲1和陽極板5中就存在了電壓差。在浸滿磷化液的磷化槽4中就開始了電解磷化反應。

初次設計存在如下問題：

1）鋼絲本身存在一定的電阻，鋼絲電阻與離陰極輥的距離成正比，距離越遠，電阻越大。

2）磷化層具有絕緣性，隨著磷化層的加厚，鋼絲表面的電阻越來越大。

3）陽極板足夠大，可以考慮是等電位體。

綜合以上因素，可以看出，分布在鋼絲上的電流密度如下趨勢（圖6）。

這樣會導致鋼絲在磷化過程中電流密度局部過大，經過重新設計，采用下列方式做出設備的改進。

1）將陽極板分為一段陽極板和二段陽極板兩部分。

2）增加一臺整流器，將兩臺整流器的陰極連接在一起，共同接到陰極輥上。陽極分別連接一段和二段陽極板

3）整流器采用恒流控制模式，兩個極板的電流比為1：1

更改設備以后，分布在鋼絲上的電流密度如下趨勢（圖8），有效的提高了鋼絲電解磷化時的電流密度均勻性。

3.結論

1）磷化電流密度在10-20A/dm2時的磷化膜致密度、均勻性均達到最優。

2）設備從單陽極板更改為兩段陽極后有效的提高了電流密度在鋼絲上分布的均勻性。

參考文獻：

[1]林碧蘭，盧錦堂，孔綱.幾種改進磷化膜耐蝕性對比和自修復性初探[J].表面技術，2010，39（1）：37.

[2]李金華.磷化膜對鍍鋅板表面涂層附著力的影響[J].表面技術，2006，35（2）：33.

[3]李光輝，張益龍，王自榮，等.殘余元素對高強無間隙原子鋼磷化質量的影響[J].軋鋼，2019，36（3）：29.

[4]白智豪.中溫鋼筋拉拔磷化液的研制[J].天津化工，2012，26（6）：36—38.

[5]代肇一，郝建軍，趙思萌，崔珊 電解磷化工藝對鋅系磷化膜耐蝕性影響的研究.電鍍與精飾2017.03.33-35

收稿日期：2021-9-10

第一作者簡介：

朱建國（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：機電設備、設備維修。