磷化工藝中的降渣及除渣措施

王建龍，陳建華，董丹義

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000）

前言

在汽車涂裝生產(chǎn)過(guò)程中，前處理、電泳是汽車表面質(zhì)量高低的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，而前處理最為核心部分則是磷化處理。汽車車身的磷化工藝是用磷酸鹽溶液來(lái)處理車身表面，在其上形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的過(guò)程。磷化膜作為汽車油漆涂層的基底，能顯著提高涂層的耐腐蝕性，防止腐蝕向金屬表面擴(kuò)散，增強(qiáng)漆膜的附著力，在車身噴涂工藝中具有十分重要的地位。

目前普遍采用的是全浸式低溫鋅系磷化工藝，能夠在車身相對(duì)復(fù)雜的幾何形狀內(nèi)外表面得到高P比、電阻小的薄層磷化膜。磷化膜的耐酸堿性、附著力和抗石擊性能強(qiáng)，與后續(xù)處理中的電泳配套性好。該工藝雖然具有以上各種優(yōu)點(diǎn)，但是也不可避免的會(huì)產(chǎn)生磷化沉渣，影響磷化及后續(xù)的工藝過(guò)程。如何采取有效的措施來(lái)降低磷化渣的產(chǎn)生量，同時(shí)把生成的磷化渣有效的去除，是工藝設(shè)計(jì)和日常管理中的重要內(nèi)容。

1 磷化渣的形成

1.1 磷化處理過(guò)程主要可以分為三個(gè)階段

①金屬與酸作用引起金屬溶解；②金屬的溶解導(dǎo)致零件附近溶液中的 Fe2+含量上升，PH值上升，使磷酸二氫鹽發(fā)生解離；③不溶性正磷酸鹽在金屬表面沉積形成磷化膜；

1.2 磷化膜與磷化渣的形成原理

磷化處理所使用的藥劑，其主要成分為各類磷酸鹽，通常是鋅系磷化、鐵系磷化和錳系磷化等等。這些磷酸鹽均能溶于水，在氧化劑、催化劑等的作用下，磷酸鹽的水溶液與潔凈的金屬表面相接觸時(shí)，將發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。

鋅系磷化液磷化過(guò)程的總反應(yīng)方程式如下：

磷化渣的主要成分是，但其中也有少量的Zn3(PO4)，磷化膜的主要成分是 Zn3(PO4)2、4H2O，但也有磷酸鐵與黑色的氧化鐵。

2 磷化渣的危害

涂裝前處理所能達(dá)到的處理效果直接關(guān)系到整個(gè)涂裝質(zhì)量的優(yōu)劣，進(jìn)而影響到涂裝產(chǎn)品的使用壽命以及市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，更加關(guān)系到涂裝產(chǎn)品價(jià)值的定位。某涂料研究所對(duì)影響涂裝產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1。

表1

由上表中可以看出磷化在前處理過(guò)程中的重要性所占比例至少在50%以上，可見(jiàn)磷化成膜質(zhì)量的重要性。磷化槽液中存在過(guò)多的磷化沉渣，會(huì)帶來(lái)諸多危害。

2.1 槽液中存在大量磷化渣

會(huì)直接影響到磷化膜的質(zhì)量，降低工件的耐蝕性能，增加不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)比率，甚至可能會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，例如堵塞循環(huán)管道等。

2.2 磷化渣能導(dǎo)致磷化液使用壽命縮短

這就直接增加了磷化處理的運(yùn)行成本。一般而言磷化液在前處理的各類藥劑中成本是最貴的，通常磷化槽液量比較大，一槽磷化液少則十幾萬(wàn)，多則上百萬(wàn)。由于磷化渣的增加，導(dǎo)致頻繁倒槽甚至換槽，損耗化學(xué)藥劑，將給企業(yè)增加運(yùn)行成本。

2.3 磷化槽液中磷化渣的含量增加會(huì)導(dǎo)致倒槽、清洗的次數(shù)上升

進(jìn)而增加廢水排放量，增加污水處理的負(fù)荷和成本，加大企業(yè)環(huán)保設(shè)施的投入。

2.4 磷化渣的增加同時(shí)也會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)

比如加大泵的負(fù)荷，阻塞噴嘴、管道閥門等，造成維修成本的增加。

3 影響磷化渣的因素及減少磷化渣產(chǎn)生量的有效措施

磷化渣通常可分為正常沉渣和非正常沉渣兩種。其中，正常沉渣是指嚴(yán)格按照磷化液規(guī)定的工藝條件和工藝規(guī)程進(jìn)行磷化生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的沉渣；非正常磷化是指由于外界條件的影響，從而導(dǎo)致工藝條件發(fā)生變化，或由于磷化過(guò)程自身消耗導(dǎo)致槽液成分變化的情況下產(chǎn)生的沉渣。

由于磷化工藝時(shí)間在工藝設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，生產(chǎn)時(shí)不僅要控制磷化劑、中和劑、促進(jìn)劑的濃度等參數(shù)，還須調(diào)整設(shè)備控制參數(shù)，包括調(diào)整槽液溫度并防止局部過(guò)熱等。

3.1 槽液溫度控制

槽液溫度過(guò)高，導(dǎo)致反應(yīng)平衡向右進(jìn)行，濃度過(guò)大，加速磷化渣的生成。局部過(guò)熱與磷化加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和加熱方式有關(guān)，與磷化過(guò)程無(wú)關(guān)。

我公司已完成的某整車涂裝項(xiàng)目中前處理生產(chǎn)線，采用了如圖1所示的磷化加熱系統(tǒng)：

圖1

其優(yōu)點(diǎn)是：

①采用二級(jí)加熱方式，首先通過(guò)熱交換器2先將中間熱水加熱，再通過(guò)熱交換器1加熱槽液，避免了高溫?zé)崴苯优c磷化槽液換熱造成槽液局部過(guò)熱。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2

圖3

②槽體底部及兩側(cè)均勻布置噴嘴，使通過(guò)熱交換器后的槽液在槽體中迅速被攪拌均勻，將熱量迅速擴(kuò)散到整個(gè)槽體中，提高加熱效率。見(jiàn)圖4

圖4

③在加熱方式上，中間熱水溫度可根據(jù)磷化槽液溫度實(shí)時(shí)變化，保證中間熱水溫度與磷化槽液溫度的最大溫差始終低于10℃。見(jiàn)圖5

圖5

④整個(gè)加熱過(guò)程由PLC控制，電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥執(zhí)行完成。見(jiàn)表2

表2

⑤調(diào)整控制：

SV2=PV1+磷化槽液溫控表輸出閥門開(kāi)度（0-100）/10，中間熱水的溫度根據(jù)磷化槽液以及溫控表的PID調(diào)節(jié)共同確定，磷化槽液溫度越接近設(shè)定值，溫控表的閥門輸出開(kāi)度越接近 0，即中間熱水的設(shè)定溫度越接近磷化槽液溫度，使整個(gè)加熱系統(tǒng)趨近動(dòng)態(tài)平衡，從而防止磷化槽液與中間熱水溫差過(guò)大導(dǎo)致局部過(guò)熱。

3.2 表調(diào)工位對(duì)磷化成膜質(zhì)量的影響

表調(diào)效果不僅會(huì)影響到磷化成膜質(zhì)量，而且也會(huì)影響到磷化的沉渣量。因?yàn)楸碚{(diào)效果差，磷化成膜速度慢，F(xiàn)e2+以更高的比例被磷化促進(jìn)劑氧化為Fe3+，生成更多的磷化渣。

4 磷化除渣系統(tǒng)

磷化渣的產(chǎn)生是不可避免的，當(dāng)槽液中的磷化渣含量達(dá)到一定程度時(shí)，必須設(shè)法去除，以免對(duì)磷化過(guò)程和設(shè)備造成不良的影響。目前除渣方法，工藝和設(shè)備有很多，如斜板沉淀槽、紙帶式除渣機(jī)以及全流量廂式壓濾機(jī)等等，它們的除渣能力和效果、投資額、操作難易度及勞動(dòng)強(qiáng)度各不相同。因此，選用性價(jià)比高的除渣設(shè)備需要滿足以下幾方面的要求：

（1）滿足生產(chǎn)要求，即除渣設(shè)備的除渣量必須大于正常生產(chǎn)的產(chǎn)渣量，才能保證槽液的含渣量達(dá)到工藝要求；

（2）槽體設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)保證槽體內(nèi)的循環(huán)無(wú)死角，循環(huán)量需達(dá)到每小時(shí)4次以上；噴嘴的分布應(yīng)保證整個(gè)槽內(nèi)均勻攪拌，無(wú)攪拌死角，使磷化渣能順利進(jìn)入除渣系統(tǒng)而不在槽內(nèi)堆積。

（3）投資合理，性價(jià)比高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（4）整套系統(tǒng)便于操作維護(hù)，運(yùn)行成本低。

我公司已完成的某整車涂裝項(xiàng)目中前處理生產(chǎn)線磷化除渣，采用了如圖6所示的除渣系統(tǒng)。

圖6

我們選用的磷化除渣設(shè)備是全流量廂式壓濾機(jī)，通過(guò)雙機(jī)封磷化除渣泵將磷化槽底部槽液輸送至廂式壓濾機(jī)進(jìn)行除渣，除渣泵的循環(huán)量約5小時(shí)完成整槽槽液的循環(huán)除渣。詳見(jiàn)圖7

圖7

廂式壓濾機(jī)操作簡(jiǎn)便，當(dāng)除渣泵出口壓力高于設(shè)定值時(shí)，表示需要進(jìn)行除渣處理。見(jiàn)圖8

圖8

廂式壓濾機(jī)配備有自動(dòng)開(kāi)板機(jī)構(gòu)，可依次將每塊濾板打開(kāi)清除內(nèi)部的磷化渣。該生產(chǎn)線除渣系統(tǒng)在正常生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)運(yùn)行，保證磷化槽內(nèi)含渣量低于工藝要求。

5 結(jié)語(yǔ)

我公司已完成的各類整車前處理生產(chǎn)線，均采用了上述控制磷化加熱與磷化除渣的措施，效果顯著。磷化膜的耐酸堿性、附著力和抗石擊性能強(qiáng)，與后續(xù)陰極電泳配套性好。

[1] 王錫春,楊必暖,林鳴玉.最新汽車涂裝技術(shù).北京機(jī)械工業(yè)出版社,1998.3:68-80.

[2] 于淑霞,陳慕祖,周杰.磷化渣的控制與清楚.現(xiàn)代涂料與涂裝.2000.（6）:24-27.