一种制备碳钢表面磷化膜的优化工艺

磷化是一种化学或电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程。钢铁材料磷化的目的主要是：给基体提供保护，在一定程度上防止基体被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在冷加工工艺中起减摩润滑使用。目前比较常用的磷化工艺普遍存在一些缺点，如磷化时间长，磷化过程存在沉渣，磷化促进剂有毒以及污染严重等，因此需要开发一种新型无毒高效磷化工艺。相比起来，电解磷化工艺具有反应温度低，耗能少，成膜速度快，无沉渣，成本低，无有毒促进剂，环境污染小和反应容易控制等优点，因此越来越受到重视。

合肥工业大学采用正交试验方法探究了一种基于普通磷化液的电解磷化工艺参数，取得了良好的效果。他们采用的电解磷化装置中，阴极电极是待磷化处理钢铁基体（样品在磷化处理之前已经经过除氧化皮处理），阳极是惰性电极。磷化液以一定配比的硝酸与磷酸为主，加入氧化锌等辅料。由于外加电场的作用促使阴极区域H+浓度减少，从而破坏了溶液中离子的平衡，使阴极区域Zn2+与PO43-离子浓度增加，并沉积在阴极金属表面活性区域形成晶核Zn3(PO4)2•4H2O，随着磷酸盐晶粒的不断聚集长大，最终在钢基体表面形成了连续均匀的电解磷化膜。他们从正交试验结果中获得了电解磷化工艺的最优参数：电解时间为60秒，总酸度为110点，温度为20℃，电流密度为0.4A/dm2。在此工艺下获得的磷化膜表面呈灰色到深灰色，外观连续、均匀、致密，没有发花现象，且无金属亮点；平均膜厚为13μm，且耐蚀性能良好。电解磷化膜中呈颗粒状晶粒，且晶粒分布均匀、致密。电解磷化膜由Zn3(PO4)2•4H2O单相组成。

他们在试验中发现，电解磷化时间以及电解磷化液的总酸度对磷化膜的外观、膜厚以及耐蚀性能影响比较大。从磷化时间的影响看，随着电解磷化时间的增加，磷化膜的厚度也呈增加趋势。当时间过短时，形成的磷化膜较薄且不均匀，而随着时间的增加，磷化膜会逐渐变厚而且致密、均匀、完整，说明此时晶核正在大量形成，磷酸盐晶体逐渐长大；但电解磷化时间过长会使磷化膜中磷酸盐晶粒粗糙、致密性变差以及耐蚀性下降。当时间达到60秒时磷化膜的致密度和均匀性均达到最优，因此可以将电解磷化时间确定为60秒。从电解磷化液的总酸度的影响看，总酸度的增加不仅可以加快磷化速度，而且还可以使晶粒细化、均匀、致密；但总酸度过高会使磷化效果不佳，甚至出现不能形成磷化膜的现象。试验表明，在总酸度为110点的条件下得到的磷化膜具有最大的自腐蚀电位(Ecorr=-313mV)及最小的自腐蚀电流密度(Icorr=4.47×10-6A/cm2)。这说明，经总酸度为110点的磷化液电解处理得到的磷化膜的耐蚀性最佳。