Фосфатная краска что это

Лакокрасочные материалы, применяемые в строительстве. Часть 1. Фосфатные краски

В.А. Войтович

Нижегородский гос. архитектурно-строительный ун-т (ННГАСУ)

Фосфатные краски в настоящее время в России забыты, как и силикатные. Однако уникальное сочетание свойств образуемых ими покрытий (Пк), экологическая чистота, пожаробезопасность, доступность сырья, относительная дешевизна должны привлечь к ним внимание потребителей и инициировать восстановление их производства.

Фосфатными красками (ФК) называются ЛКМ, в которых пленкообразователем являются соли фосфорной кислоты (ФОК). Соли ФОК, преимущественно кислые и особенно монозамещенные, могут при определенных условиях за счет реакции поликонденсации превращаться в полимерные соединения, способные связывать частицы наполнителей и пигментов, проявлять высокую адгезию к различным подложкам и многие другие свойства, присущие органическим полимерным пленкообразователям.

Являясь водными растворами, ФК образуют негорючие жаростойкие устойчивые к воздействию атмосферы механически прочные Пк. Водные растворы фосфатов, проявляющие пленкообразующие свойства, называют фосфатными связующими (ФС) U-41.

Причин забвения в России ФК несколько. Во-первых, в 1990-е гг. почти исчезла потребность в них в связи с резким сокращением объемов выпуска изделий из металлов, цемента, керамики продукции, для получения которой нужны жаростойкие Пк. Во-вторых, производство ФС в советское время было сосредоточено в Казахской ССР, оказавшейся теперь зарубежьем. В-третьих, термическая ФОК стала для России импортным продуктом, так как производилась она в основном в той же республике.

К настоящему времени эти причины уже практически устранены, так что потенциальным потребителям следует обратить внимание на эти материалы, тем более, что несколько заводов в России готовы производить их при наличии заказов.

Количество потребителей ФК, по нашему мнению, должно возрастать, что обусловлено следующими обстоятельствами:

Поскольку товарных ФК ныне почти нет, то автор рассчитывает этой статьей помочь потенциальным потребителям организовать при необходимости их изготовление на месте.

Проблема изготовления ФК фактически сводится к решению задачи синтеза ФС. Рассмотрим его теоретические основы.

Как известно, в зависимости от количества воды, которое присоединяется к молекуле фосфорного ангидрида (Р9О5) при получении термической ФОК, образуется метафосфорная (НР03), пирофосфорная (Н4Р207) и ортофосфорная кислоты. Последнюю производят в наибольших количествах, называя для краткости фосфорной. Ортофосфорную кислоту используют для синтеза ФС, поскольку она реагирует, особенно при нагревании, со всеми металлами, стоящими в ряду активности до водорода, и со многими оксидами металлов, в том числе и таких, которые стоят в этом ряду правее водорода, например с оксидом меди.

В результате этих реакций образуются преимущественно кислые монозамещенные соли, поскольку у ФОК легко ионизируется лишь первый атом водорода <К_тс = 7 * 103), заметно труднее второй и весьма трудно третий (К_тс = 7,99 * 108 и 4,8 * 1013 соответственно). Именно это обстоятельство и обусловливает возможность образования полимеров за счет поликонденсации с участием незамещенных, но активированных за счет первого замещения гидроксильных групп, оставшихся у атома фосфора.

Реакционная способность у оксидов металлов по отношению к ФОК различна и определяется работой выхода электрона из атома при его превращении в катион. По этому свойству оксиды металлов, используемых для синтеза ФС, разделены на четыре группы [5].

В первую включены оксиды тех металлов, у атомов которых работа выхода электрона более 4,5 эВ. К ним относятся оксиды А1, Со (3+), Mn (4+), Sn (4+), Ti, Zr, которые вступают в реакцию с ФОК лишь при нагревании. Соответственно и ФС на основе этих оксидов отверждаются лишь при нагревании.

В четвертую группу включены оксиды металлов, у атомов которых работа выхода электрона менее 2,5 эВ. Для этих соединений требуются особые меры по пассивированию, чтобы при взаимодействии с ФОК не возникало концентрированного тепловыделения. Эту группу составляют оксиды Ва, Са, Pb (2+), Sr.

Наряду с этим следует знать, что концентрация ФС в ФК должна быть как можно более высокой, не менее 60% (по массе), так как с ее увеличением возрастают стабильность ЛКМ при хранении и адгезия к различным подложкам.

Еще одним показателем, существенно влияющим на свойства ФК и Пк на их основе, является кислотность. Для каждой ФК и конкретной области ее применения оптимальное значение рН устанавливается экспериментально и должно составлять менее 2,5.

Учитывая изложенное, можно приступить к синтезу ФС, нейтрализуя ФК оксидами, гидроксидами металлов или даже металлами до образования кислых солей (КС).

При использовании водного раствора ФС после его совмещения с наполнителями, пигментами, ПАВ, реологическими добавками и другими компонентами ЛКМ получают водную ФК.

ФС можно высушить и получить сухую краску, которую перед употреблением разводят водой. Для приготовления сухой ФК можно применять и товарные гидрофосфаты.

Из числа ФС чаще всего используют магнийфосфатные (МФС), алюмофосфатные (АФС), алюмохромфосфатные (АХФС), алюмоборфосфатные (АБФС), силикофосфатные (СФС).

ФС хорошо сочетаются с жидким стеклом. В таких композициях оказываются два пленкообразователя, причем ФС одновременно выполняет функцию и отвердителя жидкого стекла.

Рассмотрим наиболее известные области использования ФК.

ФК на основе АФС применяют преимущественно для формирования огнеупорных Пк на стальных и чугунных изделиях. Наполняя АФС оксидом алюминия, удается получать Пк с огнеупорностью 1900°С, а диоксидом циркония даже 2000°С. Практически такие же ФК используют для формирования противопригарных Пк на литейных формах и стержнях. Эти ФК применяют и для окрашивания стальных чугунных изделий с целью предотвращения прилипания к ним брызг расплавленных алюминия и цинка, так как Пк не смачиваются ими. Но, пожалуй, наиболее широко использовали ФК при ремонте огнеупорных футеровок, особенно шамотных.

Очень интересным направлением применения ФК, которое в России в настоящее время не реализуется, является фресковая живопись на бетоне, известковой штукатурке. Для этой цели рекомендуются также ФК на основе АФС. Поверхность изделия очищают от грязи, удаляют верхний слой, если он рыхлый, обеспыливают и обрабатывают грунтовкой, представляющей собой разбавленное АФС. Не дожидаясь полного отверждения, грунтуют еще 2 раза. Затем «мокрый по мокрому» окрашивают ФК, представляющей собой суспензию наполнителя и пигмента в АФС с различными функциональными добавками.

Предложено применять ФК и для защиты бетонных изделий от разрушения под действием атмосферы. Для этой цели предпочтительнее ФК на основе АБФС. Пригодны ФК и для окрашивания асбошифера.

Пожалуй, единственной сферой, в которой ФК используются и в настоящее время в небольших объемах, является защита строительных конструкций от пожара. В этом случае применяют преимущественно ФК, изготавливаемые на смешанном фосфатно-силикатном пленкообразователе (из смеси ФС с жидким стеклом). Примерами таких ФК являются ОФП-ММ (ГОСТ 23791 79), ОФП-МВ (ГОСТ 25665 83), «Север» (ВСН 207 88). Эти ФК образуют Пк с фактурой под «шубу», способные вспучиваться при непосредственном воздействии пламени или тепловом ударе и обеспечивать предел огнестойкости стальных конструкций 0,75 ч [6].

К числу ФК, образующих вспучивающееся Пк, относится и ОФП-9 на основе АФС. При толщине Пк 0,6 мм оно обеспечивает предел огнестойкости 30 мин. Недостатком этого Пк является то, что оно пригодно к эксплуатации лишь в закрытых помещениях, где относительная влажность воздуха не превышает 75%. Однако этот недостаток может быть преодолен окрашиванием Пк, например эмалью ПФ-115.

Несколько более совершенной ФК является ОФП-10 (ТУ-400-2-398-88) [8]. Пк на ее основе может обеспечить предел огнестойкости 0,75 ч и эксплуатироваться при относительной влажности воздуха 80%.

Были проведены исследования [9], выявившие высокую эффективность использования ФС для защиты от коррозии закладных деталей в сборных железобетонных конструкциях. Годичные испытания показали, что закладные детали, защищенные газотермическим напылением цинкового порошка, прокорродировали на 15% площади, тогда как детали, окрашенные ФК, коррозионных поражений не имели. Наряду с этим Пк из ФК дешевле цинковых.

Промышленная окраска 4/2005

Источник

Фосфатная краска

Предлагаемое изобретение относится к лакокрасочной промышленности, в частности, к получению защитно-декоративных покрытий на основе неорганических пленкообразователей, содержащих неорганические кислородсодержащие соединения фосфора и представляющих собой состав фосфатной краски для получения покрытий методом холодного отверждения, который может быть использован в гражданском и промышленном строительстве для отделки внутренних и наружных поверхностей при выполнении реставрационных, живописных, ремонтно-эксплуатационных работ.

Такие краски могут найти применение в судостроительной, автомобильной, станкостроительной и других областях, например при производстве различных изделий хозяйственно-бытового назначения, везде, где необходимо декоративное, коррозионноустойчивое, атмосферостойкое, рентгено- и огнезащитное покрытие.

Лакокрасочные материалы на основе неорганических кислородсодержащих соединений фосфора в качестве пленкообразователей, обеспечивающих холодное отверждение покрытия, известны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка состава краски на основе неорганического кислородсодержащего соединения фосфора в качестве пленкообразователя для получения покрытия методом холодного отверждения, позволяющего использовать его для окраски различных материалов.

Содержание компонентов в составах красок и физико-механические показатели покрытий на основе красок, полученных с использованием продуктов переработки кислых отработанных растворов гальванических производств в качестве неорганических пигментов, представлены в таблице.

Основным и принципиальным отличием предлагаемого состава краски от состава ближайшего аналога является использование в качестве пленкообразователя фосфорной кислоты.

При нанесении краски тонким слоем на окрашиваемые поверхности часть фосфорной кислоты впитывается в материал окрашиваемой поверхности через поры (например, в дерево, древесно-стружечные плиты, стекло, цемент, ткани и т.д. ).

Обожженный кирпич, керамика являются сложными алюминийсиликатными комплексами, с которыми предлагаемая краска КЭФ прекрасно взаимодействует, обеспечивая прочную связь покрытия к изделиям. В пленке поликонденсационно-кристаллизационные процессы продолжаются длительное время и после формирования плотной пленки, чем, собственно, и объясняется отмеченный рост прочности покрытий со временем. За три года испытаний прочность увеличилась с 20 мПа до 50 мПа.

В качестве алюминийоксидсодержащего вещества используются оксид алюминия, окись алюминия отработанная (отход производства ТУ 113-03-05-11-84), каолин, порошок глинозема, отходы производства фосфора, фаянса, в том числе электрофарфора.

В качестве добавки, увеличивающей укрывистость фосфатной краски, используется оксид титана.

Как упоминалось выше, при изготовлении предлагаемых красок могут быть использованы в качестве пигментов пигментные пасты, являющиеся продуктами переработки отходов гальванических производств (RU, патент 2069240, C 25 D 21/16, 1996).

Нижеследующие примеры поясняют изобретение.

Двуокись титана и окись алюминия перемешивают в шаровой мельнице или краскотерке 15 мин. Смесь выгружают и перед проведением работ по нанесению покрытия в смеситель загружают водный раствор фосфорной кислоты и смесь окиси алюминия и двуокиси титана.

Полученную краску КЭФ наносят тонким слоем на окрашиваемую поверхность валиком или кистью. Физико-механические характеристики образованного покрытия представлены в таблице.

Предлагаемые краски КЭФ могут быть использованы для нанесения покрытий на различные материалы, такие как стекло, бетон, кирпич, керамика различных сортов, дерево, древесно-стружечные плиты, картон, бумага, ткани, различные металлы и их сплавы и др.

Покрытия на основе красок КЭФ долговечны и влаго- и светостойки, атмосфероустойчивы, обладают высокими прочностными характеристиками.

Кроме высоких потребительских свойств покрытия на основе красок КЭФ, содержащие фосфаты тяжелых металлов, придают изделиям огнестойкость и рентгенозащитные свойства.

Краски КЭФ обладают высокой скоростью высыхания и низкой температурой отверждения.

Не содержащие вредных летучих примесей и летучих компонентов, предлагаемые фосфатные краски КЭФ обладают экологической безопасностью.

3. Краска по п.2, отличающаяся тем, что она в качестве пигмента содержит продукты переработки кислых отработанных растворов гальванических производств, содержащие ионы цветного или тяжелого металла, отработанные щелочным раствором, содержащим фосфат-ион.

Источник

Технология фосфатирования – залог долговечности металла

Перед покрытием металлических конструкций лакокрасочным составом поверхность подвергают специальной обработке смесью фосфорнокислых солей. Качественно выполненное фосфатирование обеспечивает долговечность внешнего покрытия, защищая основу от коррозии. Благодаря пленке фосфатов повышается адгезия краски к основному материалу при существенном замедлении подпленочной коррозии по случаю повреждения краски.

Зачем нужно фосфатирование металла

В процессе эксплуатации металлические изделия изнашиваются, страдают от разрушающего воздействия атмосферных факторов и коррозии. Обычное вскрытие поверхности лакокрасочными составами полностью не избавляет от проблемы разрушения механизмов с течением времени. Для повышения износостойкости металлических изделий их подвергают фосфатированию. Процедура способствует появлению на поверхности металла тонкого защитного слоя, который на длительное время обеспечит металлу защиту от окисления с образованием ржавчины.

Технология создания защитной пленки впервые была применена в 1869 году путем погружения раскаленной стали в раствор фосфорной кислоты. Первую процедуру фосфатирования железа, а также стали без нагрева материала осуществили в 1906 году.

Особенности фосфатных покрытий

Фосфатирование в условиях промышленных предприятий выполняется двумя методами – распылением защитного состава либо погружением в него металлического изделия. Для приготовления пленочного вещества используют нерастворимые в воде фосфорнокислые соли – марганец плюс железо или цинк с железом. Получаемый состав, взаимодействующий с металлом, обладает рядом полезных характеристик.

Польза технологии

Процедуру фосфатирования можно применять практически ко всем видам сплавов – низколегированным и углеродистым сталям, медным сплавам, алюминиевым, чугунным и цинковым деталям. Качество фосфатной пленки, покрывающей высоколегированную сталь, будет низким.

Этапы подготовительных работ

Немаловажную роль для качества поверхностной защиты играет правильное выполнение подготовительных мероприятий, обеспечивающих получаемому покрытию весь спектр полезных свойств. Важно очистить металл от следов ржавчины, удалить остатки устаревшего покрасочного слоя путем механической, химической или термической обработки.

Механическая очистка

На площадках промышленных предприятий подготовку поверхностей для последующего фосфатирования выполняют при помощи гидроабразивной очистки путем нанесения абразивной смеси с водой под высоким давлением воздуха. Методика позволяет полностью избавиться от всех водорастворимых загрязнений.

Химический способ

После использования смываемых составов для удаления ржавчины поверхность следует немедленно высушить, обработать антикоррозийным агентом. Несмываемые смеси, взаимодействуя с металлом, образуют грунтовочный пласт, который смывать водой не стоит.

Термическая обработка

С поверхности металлоконструкций следы устаревшей краски удаляют паяльной лампой. По ходу нагревания металла лакокрасочное покрытие подвергается постепенному отслаиванию, что позволяет с легкостью удалить загрязнения при помощи металлической щетки либо обычного шпателя. Термический способ зачистки экономит время, но подходит не для всех типов поверхностей, угрожает высокой пожароопасностью. Для зачистки оцинкованного и листового материала, а также чугуна не подходит по причине реальной деформации или разрушения изделия.

Необходимость обезжиривания

От бензина лучше отказаться, он покрывает основу невидимым масляным налетом, ухудшающим адгезию с красящим веществом. При выполнении обезжиривания необходимо соблюдать меры безопасности – работать в хорошо проветриваемом помещении, защитив лицо очками и респиратором, а руки – резиновыми перчатками.

Кратко о сути фосфатирования

Благодаря свойствам трех видов солей фосфорной кислоты формируется труднорастворимый покров из фосфатов, защищающий поверхность металла от коррозии. Процедура сопровождается осаждением фосфатов с последующим растворением металла основы.

Популярные виды создания защитного слоя

Получение защитной пленки выполняют методом погружения обрабатываемого изделия внутрь специальной емкости с фосфатирующим раствором. Также фосфатную смесь можно наносить путем ее распыления в герметизированной камере либо методом грунтовочной облицовки. Фосфатирование стали под покраску реализуют выбором химической или электрохимической обработки. Создание фосфатного налета для черных металлов выполняется несколькими способами – холодным, нормальным, ускоренным, электрохимическим.

Холодная обработка

Растворы для этого метода фосфатирования не требуют подогрева, их температура составляет 20–40 °C. Хотя толщина фосфатного покрытия получается небольшой, но именно это позволяет использовать его как основу для нанесения краски. Для низкотемпературной облицовки выбирают один из фосфатирующих методов:

В зависимости от состава и концентрации антикоррозийного вещества холодная обработка металлоконструкций занимает от 15 до 40 минут. При увеличении температуры раствора удается получать покрытие мелкозернистого типа. Главный недостаток холодной методики – быстрая гидролизация растворов с увеличением свободной кислотности, что ухудшает качество покрова.

Нормальное фосфатирование

Этот вариант нанесения фосфатного покрытия подразумевает использование препарата «Мажеф». Порошок с зеленоватым оттенком представляет собой аналог соли, обогащенной марганцем, железом, фосфором. Препаратом пользуются для подготовки металлических изделий к покраске в качестве антикоррозийной грунтовки

Для достижения результата обработки жидкость, обогащенную солью (30-35 г/л), необходимо нагреть до температуры не более 98°C. Меньшая температура раствора вызывает кристаллизацию облицовочного слоя, а более высокая приводит к повышению шламообразования.

Продолжительность фосфатирования по нормальной методике рассчитывается от времени высвобождения водорода с прибавлением 5-10 минут на выдержку. Показатель общей кислотности раствора должен достигать 30 точек при 3-4 точках свободной кислотности.

Точкой эквивалентности принята величина условной единицы измерения кислотности (свободной и общей) раствора, равной 1 мл 0,1 н. растворенного едкого натра, который необходим для титрования 10 мл фосфатной смеси.

Чтобы добиться утолщения фосфатного слоя усиленной защиты, имеющего тонкокристаллическое строение, необходимо увеличить объем соли «Мажеф» до 120 грамм на литр жидкости. Рабочий состав придется нагревать до температуры, не превышающей 85 °C.

Способ ускоренной обработки

Химическое фосфатирование очищенной поверхности ускоренным методом продолжается от 15 до 40 минут в зависимости от состава рабочей жидкости. Чаще всего нагреваемый раствор готовят с препаратом «Мажеф» (30 г/л), тогда процесс занимает около 40 минут. Завершив обработку, листовые детали промывают проточной водой, затем подвергают пассивированию в теплом растворе (5-10 %) дихромата калия. На завершающем этапе изделия с защитной пленкой промывают в горячей воде, затем отправляют сушиться.

Электрохимическая методика

Серьезным недостатком электрохимического способа защиты металла от коррозии можно назвать низкую рассеивающую способность раствора электролита. Эта особенность оборачивается созданием неравномерного защитного слоя на сложных поверхностях.

Обзор методов фосфатирования

Создать фосфатную пленку, защищающую поверхность металла от агрессивных факторов, можно несколькими способами. Выбор конкретного метода химической обработки зависит от различных факторов, главные из которых – размеры металлоконструкций и область их применения.

Выбор препарата «Мажеф»

Химический способ фосфатирования с «Мажефом» признан наиболее распространенным, но для его осуществления понадобится специальная фосфатирующая ванна. Концентрация раствора составляет 40-70 грамм препарата на литр жидкости.

Методику фосфатирования на основе соли «Мажеф» применяют для создания антикоррозийного пласта. На поверхностях деталей из сталей низкоуглеродистой категории создается качественный грунтовочный слой.

Преимущество фосфорной кислоты

При стабильных параметрах фосфатирования удается получить защитный слой толщиной до 5 мкм. На обработку уйдет 30 минут при обеспечении температуры раствора максимум 18–25 °C. Технологию выбирают для облицовки изделий особо крупных габаритов, методика струйного нанесения экономит расходный материал.

Выбор монофосфатов цинка

Фосфатирование осуществляется при поддержании температуры раствора до +60 °C, формирование защитного пласта занимает не более 20 минут.

Преимущества фосфатирующих паст

Особенность грунтовочного состава – присутствие металлического пигмента в растворе ортофосфорной кислоты. Лакокрасочные составы содержат цинк, который вступает в реакцию с кислотой, а процесс окисления формирует пленку особой прочности.

Облицовку металлических деталей фосфатным налетом допускается проводить в домашних условиях по плану электрохимического фосфатирования. Домашняя технология отличается от промышленного варианта отсутствием возможности провести в бытовой обстановке полноценную химобработку поверхности. По этой причине для создания фосфатированного покрытия выбирают детали прямолинейной (простой) конфигурации.

Источник

Фосфатирование

Фосфатирование используют для дополнительной защиты от коррозии, улучшения твердости, износостойкости, повышения электроизоляционных свойств основного покрытия на черных и цветных металлах. Суть процесса фосфатирования состоит в создании на поверхности защищаемого изделия слоя малорастворимых фосфатов железа, цинка или марганца.

Фосфатированию подвергаются: чугун, низколегированные, углеродистые стали, кадмий, цинк, медь, сплавы меди, алюминий.

Фосфатированию плохо поддаются высоколегированные стали.

Изделия, подвергшиеся фосфатированию, эксплуатируются даже в тропиках. Фосфатная пленка не боится органических масел, смазочных, горячих материалов, толуола, бензола, всех газов, кроме сероводорода.

Под воздействием щелочей, кислот, пресной, морской воды, аммиака, водяного пара покрытие довольно быстро разрушается. Непродолжительный срок службы покрытия также связан с его низкой эластичностью и прочностью.

Процесс фосфатирования нашел широкое применение в автомобильной промышленности. Фосфатная пленка – наилучший грунт. Стальной корпус автомобиля перед покраской подвергают фосфатированию, а далее окрашивают эмалями.

Фосфатное покрытие

Толщина и структура фосфатного покрытия

Крупнокристаллические фосфатные слои более толстые, получают их из марганцевофосфатных растворов. После промасливания могут служить самостоятельными покрытиями.

Кристаллы фосфатов имеют пластинчатую структуру, благодаря чему пленка отлично впитывает различные пропитки, лаки, удерживая их в себе.

Фосфатное покрытие состоит из двух слоев. Первый, плотно прилегающий к поверхности слой, плотно связан с металлом, незначительной толщины, имеет пористую структуру, а также гладкий и достаточно эластичный. Он состоит, в большей части, с монофосфатов железа. Второй слой (наружный) – состоит из монофосфатов марганца, вторичных и третичных фосфатов. Он более хрупкий, кристаллический. Характеристиками именно наружного слоя обуславливается ценность фосфатных пленок.

Цвет фосфатного покрытия

Цвет фосфатного покрытия колеблется от светло-серого до темно серого (почти черного). Светло-серые фосфатные пленки образуются на цветных металлах и малоуглеродистых сталях. Предварительно подвергшихся пескоструйной обработке поверхностях, в растворах повышенной кислотности.

Свойства фосфатного покрытия

Полученное фосфатное покрытие может использоваться как самостоятельное защитное, но в большинстве случаев его используют как основу под лакокрасочное, смазочное, либо перед пассивированием. То, что его очень редко используют, как самостоятельное, можно объяснить тем, что оно легко разрушается под воздействием кислот и щелочей.

Фосфатное покрытие отличается высоким электросопротивлением, может выдержать напряжение до 500 В. Чтоб повысить пробивное напряжение готового фосфатного покрытия (до 1000 В) – его дополнительно пропитывают бакелитовыми либо масляными лаками. Фосфатное покрытие по твердости мягче стали, но более твердое, чем латунь или медь.

При щелочном оксидировании стали полученный защитный слой имеет меньшую защитную способность, чем обычные фосфатные слои.

Подготовка поверхности перед операцией фосфатирования играет важную роль, т.к. от ее способа и качества во многом зависят свойства полученного покрытия, а именно – структура, адгезионная способность, толщина, цвет фосфатной пленки.

При фосфатировании заранее протравленной поверхности (с использованием HCl, H₂SO₄, H₃PO₄) образуются крупнокристаллические, рыхлые фосфатные слои, толщиной до 40 – 50 мкм. Они обладают достаточно низкими защитными свойствами, поэтому для улучшения качества пленки деталь промывают в 3 – 5 % растворе кальцинированной соды, а далее в воде и затем только фосфатируют. Или же в 1 – 2 % растворе хозяйственного мыла и 5 – 8 % растворе кальцинированной соды при температуре 55 – 60 °С.

Мелкокристаллические, тонкие (толщиной от 5 до 10 мкм) пленки образуются на поверхностях, обработанных пескоструйным методом с последующим обезжириваниям (с использованием органических растворителей или же химическим способом), также механически обработанные кругом, и т.п. Такие фосфатные пленки отличаются хорошей адгезией к поверхности и высокими защитными свойствами.

Суть процесса фосфатирования

Фосфорная кислота (H₃PO₄) образует три вида солей (именно на свойствах солей фосфорной кислоты и основан метод защиты): дигидрофосфаты, моногидрофосфаты, фосфаты.

Дигидрофосфаты Me(H₂PO₄)₂ – однозамещенные соли, где Me – двухвалентный металл. Образуются сразу при первичном контакте металла с фосфорной кислотой. Взаимодействие описывается реакцией:

При дальнейшем взаимодействии кислоты с металлом (концентрация кислоты уменьшается) образуются двухзамещенные (моногидрофосфаты MeHPO₄) и трехзамещенные (фосфаты Me₃(PO₄)₂) соли.

Реакции образования вторичных и третичных солей:

Труднорастворимые фосфаты железа – основная составляющая часть фосфатных покрытий. Их качество определяется свободной и основной кислотностью раствора, природой катионов металла, концентрацией монофосфатов.

При введении в раствор для фосфатирования окислительных анионов (например, ClO₃, NO₂, NO₃) процесс формирования защитной пленки значительно ускоряется.

При фосфатировании на поверхности металла наблюдается два основных процесса – осаждение фосфатов и растворение основного металла.

Фосфатирование черных металлов

Сегодня самое широкое применение получил препарат для фосфатирования Мажеф. Выпускается в виде серой массы, расфасованной по бочкам или ящикам. Отличается характерным кисловатым запахом. Название препарата произошло от первых букв его составных частей: марганец, железо, фосфорная кислота.

Фосфатная пленка при использовании данного препарата обладает хорошими защитными свойствами.

Процесс получения фосфатной пленки с использованием данного препарата имеет свои недостатки: высокие температуры, узкий рабочий интервал температур, длительность операции, наводораживание стали (из-за сильного выделения водорода). Чтоб снизить наводораживание уменьшают длительность процесса.

Фосфатирование может быть электрохимическим и химическим.

Химическое фосфатирование черных металлов, в свою очередь, подразделяется на холодное, нормальное и ускоренное.

Холодное фосфатирование

Холодное фосфатирование проводится без подогрева рабочих растворов. Фосфатное покрытие получается довольно тонким и используется в качестве основы под покраску. В основу растворов для холодного фосфатирования входят препарат Мажеф и однозамещенный фосфат цинка (Zn(H₂PO₄)₂). NaNO₂ и NaF играют роль активаторов процесса.

Составы для холодного фосфатирования:

Состав №1: 25 – 30 г/л пр. Мажеф, 35 – 40 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 5 – 10 г/л NaF, длительность обработки 40 минут;

Состав №2: 60 – 70 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 80 – 100 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 0,3 – 1.0 г/л NaNO₂, продолжительность обработки 15 – 25 мин.;

Если температуру раствора увеличить – можно получить мелкокристаллическое покрытие.

Растворы для холодного фосфатирования довольно быстро гидролизуются (при контакте составных веществ с водой разлагаются основные молекулы и образуются новые соединения), увеличивается свободная кислотность раствора. Это отрицательно сказывается на качестве фосфатного покрытия, т.к. слой получается пористый и с низкими защитными характеристиками. Поэтому холодное фосфатирование используется довольно редко.

Нормальное фосфатирование

Однозамещенные соли ортофосфорной кислоты, марганца, железа (MnHPO₄, Fe(H₂PO₄)₂, Mn(H₂PO₄)₂) и являются основой препарата.

Наилучший результат фосфатирования дает раствор, содержащий 30 – 33 г/л препарата Мажеф. Температура – 97 – 98 °С. Если вести процесс при более высоких температурах – образуется много шлама, а при более низких – покрытие имеет кристаллическую структуру.

Длительность процесса нормального фосфатирования: время выделения водорода + выдержка около 5 – 10 минут. Кислотность раствора (общая) должна составлять около 30 точек, свободная 3 – 4 точки. (Точка – мера общей и свободной кислотности раствора. Одна точка показывает количество мм 0,2 н. раствора щелочи, израсходованного на процесс титрования 10 мл фосфатного раствора).

Если свободная кислотность превышает указанное значение – ухудшаются свойства фосфатного слоя, а сам процесс затягивается по времени. При уменьшении – полученные пленки слишком тонкие и незащитные.

При повышении концентрации препарата Мажеф до 100 – 200 г/л получают более толстые фосфатные слои с повышенными защитными свойствами и мелкокристаллической структуры. С повышением концентрации немного уменьшают температуру рабочего р-ра (до 80 – 85 °С).

При фосфатировании высоколегированных сталей количество препарата Мажеф составляет около 30 – 32 г/л. Дополнительно вводят 10 – 12 % BaCl₂ для улучшения качества фосфатного слоя. Изделие выдерживают в рабочем растворе 45 – 60 минут при температуре около 100 °С.

Ускоренное фосфатирование

Ускоренное фосфатирование получило довольно широкое промышленное применение, т.к. процесс ведется быстрее, чем при нормальном, и имеет свои преимущества.

Растворы для ускоренного фосфатирования с применением препарата Мажеф:

Раствор №1: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 65 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 2 – 5 г/л NaF;

Раствор №2: 30 – 40 г/л препарата Мажеф, 50 – 70 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 4 – 5 г/л NaNO₃, 0,1 – 1,0 г/л H₃PO₄.

После ускоренного фосфатирования изделия обрабатывают раствором бихромата калия, а далее – сушат.

Пленки, полученные при ускоренном фосфатировании, небольшой толщины и не отличаются высокими защитными свойствами, поэтому их используют как основу (грунт) для лакокрасочных покрытий.

Ускоренное фосфатирование может проводится и с использованием других растворов, например, цинкофосфатных (основа – первичный фосфат цинка).

Составы для ускоренного фосфатирования с применением цинкофосфатных растворов:

Состав №2: 28 – 36 г/л Zn(H₂PO₄)₂, 42 – 58 г/л Zn(NO₃)₂•6H₂O, 9,5 – 15,0 г/л H₃PO₄, температура 85 – 95 °С, продолжительность 10 – 25 минут.

Покрытия, полученные в вышеописанных электролитах, состоят с Zn₃(PO₄)₂•4H₂O и Zn₂Fe(PO₄)₂•4H₂O. Большая часть фосфатов образуется на поверхности в первые минуты процесса, когда скорость нарастания фосфатов превышает скорость их растворения. При одинаковых значениях этих скоростей рост фосфатной пленки прекращается.

Ускоренное фосфатирование можно проводить как погружением в ванну с раствором, так и распылением состава на поверхность.

Широко используются концентраты для фосфатирования стали (на основе первичных фосфатов), такие, как КФЭ-1, КФЭ-2, КФ-1, КФ-3.

Чтоб улучшить структуру покрытия в основной р-вор вводят оксалаты цинка (до 0,1 г/л). При фосфатировании в таком растворе с поверхности изделия удаляется ржавчина.

Электрохимическое фосфатирование

Электрохимическое фосфатирование проводят в растворах схожего состава, но с использованием постоянного либо переменного тока. Это позволяет повысить производительность процесса.

Полученные пленки используются в качестве подслоя для лакокрасочного покрытия.

Недостаток электрохимического фосфатирования – низкая рассеивающая способность электролита. Вследствии, на деталях сложной формы фосфатное покрытие ложится неравномерно.

Фосфатирование цветных металлов

Фосфатированию часто подвергают многие цветные металлы. Чаще всего это цинк, магний, алюминий, кадмий, никель, титан.

Фосфатирование титана проводят для повышения его износостойкости, антифрикционных свойств. Процесс ведется при температуре 98 – 99 °С около 10 – 30 минут. Применяемый состав: 10 – 100 г/л ортофосфорной кислоты и такое же количество фторидов (NaF, NH₄F или KF).

Магний фосфатируют в р-рах однозамещенных фосфатов для защиты от коррозии. Фосфатирование магния (как и алюминия) применяют реже, чем его оксидирование.

Для кадмия, алюминия, цинка и большинства цветных металлов фосфатная пленка используется в качестве основы перед нанесением лакокрасочного покрытия.

Алюминий фосфатируют в растворах ортофосфорной кислоты с содержанием CrO₃ и NaF или HF. Пленки имеют голубовато-зеленый цвет, поэтому процесс получил название «голубое фосфатирование». Получившийся фосфатный слой тонкий (около 3 мкм), гладкий, аморфный, не отличается высокими защитными свойствами (имеет низкие прочностные характеристики). Состав покрытия таков: около 50 – 55% CrPO₄, 17 – 23% AlPO₄, 22 – 23% воды. После промывки в холодной воде и сушки при температуре ниже 60 °С фосфатная пленка становится более прочной, может выдержать температуру до 300 °С. Если готовое фосфатное покрытие на протяжении 10 минут обрабатывать в 10 % растворе K₂Cr₂O₇ (при температуре 75 – 80 °С) – его коррозионная стойкость значительно увеличится.

Для фосфатирования кадмия, цинка применяют универсальный цинк-фосфатный раствор. Для получения фосфатной пленки на цинке можно использовать раствор на основе композиции Ликонда Ф1А, обработка ведется при температуре 19 – 40 °С на протяжении 5 – 10 минут. В итоге – на поверхности цинка образуется мелкокристаллическая серо-дымчатая фосфатная пленка с высокими защитными свойствами (лучше, чем при хроматировании).

Никель (его сплавы) фосфатируют только матовый, на блестящем покрытие почти не осаждается. Рекомендованный состав раствора: 15 г/л H₃PO₄, 13 г/л NaF, 200 г/л Zn(NO₃)₂. Длительность обработки – 35 – 45 минут при температуре 25 – 35 °С. рН раствора около 2,0.

Улучшение защитных свойств фосфатных пленок

Фосфатные пленки не обладают достаточными защитными свойствами из-за своей пористой структуры, поэтому после получения их еще дополнительно обрабатывают. Для этого применяют пассивирующие растворы K₂Cr₂O₇ (калия дихромат) либо Na₂Cr₂O₇ (натрия дихромат). Процесс ведется при температуре 70 – 80 °С. Пассивирование фосфатных пленок возможно в двух составах: 80 – 100 г/л хромата и 3 – 5 г/л. Для первого раствора время выдержки составляет 10 – 20 минут, и дополнительная промывка до сушки. Для второго – 1 – 3 минуты, после фосфатирования изделие сушат без предварительной промывки.
После проведения операции пассивирования готовые изделия пропитывают минеральным маслом (горячим), а далее гидрофобизируют (3 – 5 мин). Для гидрофобизации применяют 10 % раствор в бензине кремнийорганической жидкости ГФЖ-94.
Если деталь предназначена для холодной деформации – ее промывают и обрабатывают около 3 – 5 минут при 60 – 70 °С в мыльном растворе (70 – 100 г/л хозяйственного мыла).

Источник