金屬磷化工藝與設備
4.12.1 前言
隨著我國表面技術的發展,人們對外表質量的追求越來越高。其中磷化工藝在金屬的前處理中發揮著重要的作用,已經引起了人們的高度重視。特別是我國加入WTO以后,各項技術都面臨著新的挑戰,都需要進一步提高。磷化作為一項重要的工業技術也不例外。在金屬磷化方面,人們把主要精力用到了其工藝的研究上,而磷化設備的報道并不多見。筆者在本文中將磷化工藝流程和設備結合起來,作了綜合性的說明。
4.12.2 磷化工藝流程
為了徹底地清除金屬工件表面的銹蝕、氧化皮、油污以及工件夾縫和孔隙內的殘留雜質,以避免發生縫隙腐蝕。筆者對傳統的磷化工藝流程作了改進,改進后的工藝流程為:預脫脂→脫脂→熱水洗→冷水洗→超聲波除銹(磷酸)→水洗→表調處理→磷化→水洗→超聲波漂洗→去離子水洗→烘干。
在金屬磷化工藝中,對磷化膜的影響因素很多,有游離酸度、總酸度、酸比、催化劑含量、主鹽濃度、磷化溫度、磷化時間以及其它成份及含量(如稀土元素等)等等。因為這些影響因素已作過大量報道,下面主要介紹工藝流程中的超聲波除銹、表調處理和超聲波漂洗的作用。
4.12.2.1 超聲波除銹
本工藝流程中的超聲波除銹由傳統的鹽酸除銹改成以15%的磷酸作介質并加適量除油劑的除油除銹。一方面使工件表面的銹蝕、氧化皮和油污在超聲波的“空化”效應下,在較短的時間內就能清洗干凈(大約需要2~3min);另一方面在工件表面生成一層難溶性的磷酸鹽薄膜,此膜在磷化時起晶核作用,提高了磷化膜的質量。下面是在不同溫度下加超聲波和不加超聲波的除銹速度的比較,見圖4-12-1。
a.加超聲波的除銹速度曲線 b.不加超聲波的除銹速度曲線
圖4-12-1 不同溫度下除銹速度的比較
4.12.2.2 表調處理
所謂表調處理,就是將金屬工件在磷化前放在含有膠態磷酸鈦鹽的溶液中進行活化處理。表調處理能夠消除前處理中的表面缺陷,增加磷化形核的活性點,使磷化膜均勻、致密,提高磷化膜與基體的結合力和耐蝕性;并且能夠加快金屬的磷化速度,縮短磷化時間,降低磷化材料的消耗,減少磷化渣的生成。金屬磷化前的表調處理是不可缺少的。但是,表調處理的時間不宜過長,否則會使磷化膜粗大,易產生黃斑。下面是經過表調處理和不經表調處理的表面狀態照片的比較,見圖4-12-2。
a.經過表調處理 b.不經過表調處理
圖4-12-2 表面狀態的SEM照片
4.12.2.3 超聲波漂洗
金屬工件在脫脂、除銹、表調以及磷化工序中滲透到其夾縫和孔隙內的殘留液和雜質很難被排出,而且水洗又不能完全清除干凈,在濕熱條件下,這些雜質極易使工件生銹、泛黃以及發生縫隙腐蝕。為了徹底解決這一問題,采用超聲波漂洗,利用超聲波“無孔不入”的特點和“空化”作用,使金屬工件夾縫和孔隙內的殘留液和雜質清除干凈,達到后續加工的質量要求。
4.12.3 磷化處理設備
在金屬工件的磷化處理設備中,有兩個方面的問題需要研究和改進。一是磷化渣的生成是不可避免的,而且生成的磷化渣很難除去,它不僅影響了磷化膜的質量,而且帶來了極大的經濟損失。所以應對磷化除渣設備進行改進,以達到及時除掉磷化過程中產生的磷化渣;二是磷化液的溫度對磷化膜的影響很大,這就需要嚴格控制磷化液的溫度,也就是需要設計一套合理的換熱設備。下面就這兩個方面來探討磷化設備的改進和設計。
圖4-12-3為磷化設備的設計原理示意圖。
圖4-12-3 磷化設備的設計原理示意圖
4.12.3.1 磷化除渣設備
金屬工件磷化處理中,磷化渣的生成是不可避免的,必須設計一套比較理想的除渣設備,以保證能夠正常生產。本設計方案是采用循環過濾和高位自然沉降相結合的方法來除渣的。在正常工作的同時,用循環泵H2把磷化液打到安裝有過濾網的過濾槽中進行過濾除渣,經過濾后的磷化液再經過泵H4打到板式換熱器中進行加熱,然后噴淋到工件表面進行磷化處理;在每天工作結束后,用泵H 將磷化液打到高位沉淀槽內進行自然沉降除渣,第二天工作之前將高位沉淀槽內澄清的磷化液打回磷化槽,剩下的渾濁磷化液經過濾機過濾處理。此裝置經使用效果較好。
4.12.3.2 磷化換熱設備
本設計方案中磷化液的換熱設備采用的是板式換熱器。此設備和傳統的加熱管組換熱設備相比,解決了加熱管組換熱的加熱不均勻導致磷化渣增多和磷化渣沉在加熱管上而使加熱管散熱不良而燒壞的缺點。板式換熱器采用的換熱介質是熱水,溫度控制在70~80℃之間。通過自動控制儀,對熱水循環泵(H6)的啟停進行控制,從而控制磷化液的溫度。采用板式換熱器能夠大大提高磷化液的化學穩定性和溫度均勻性,有利于得到質量較好的磷化膜。板式換熱器是一種先進、高效、節能的換熱設備,**適合作為磷化液的換熱設備。
4.12.3.3 板式換熱器和管路中磷化渣的清洗
磷化液在板式換熱器和管路中進行流動時,無疑也會生成一些磷化渣,這些磷化渣日積月累,到達一定程度勢必造成管路堵塞并影響磷化液的換熱效果。所以必須及時清理這些磷化渣。本設計方案采用稀HNO3進行清洗。在每天工作結束后,啟動酸洗泵H5,此時閥門N9、N10、N12、N14、N15、N16、N19、N20、N21、N23必須全部關閉,使酸洗槽內的稀硝酸在板式換熱器和管路內循環流動,來清洗其中的磷化渣。清洗大約5min,關閉閥門N11和N13,打開閥門N12和N14,用水洗槽中的自來水清洗殘留液,**后用去離子水徹底清洗板式換熱器和管路。
4.12.4 小結
金屬的磷化處理應用到工業領域已經100多年了,發揮了重大作用。高效節能、低溫處理、控制污染是磷化工藝的發展方向,為了達到更好的磷化效果,不僅需要改進其工藝條件,還應改進其主要設備。