超聲波磷化工藝研究

（沈陽理工大學, 遼寧 沈陽 110159）

0 前言

金屬及其合金經磷化處理，生成磷酸鹽轉化膜。該膜既可以起臨時性的防腐作用，又可作為油漆底層，增強油漆與基體金屬的結合力及油漆的耐蝕性。為了保證磷化這些要求，就必須有優質的磷化膜及磷化工藝。傳統的磷化處理一般采取浸磷或噴淋的方式，處理方式的局限性導致復雜工作的邊角，孔等部位不易清洗磷化，而且各種處理劑控制不當易對工件產生腐蝕，清理用過的廢水需處理，同時能耗特別大。超聲波應用于磷化處理工藝中，不僅可以解決上述問題，而且該工藝集超聲波除油，除銹，磷化于一體，具有金屬表面凈化程度高，磷化速度快，污染低，能耗小等特點，還具有槽液成分簡單，容易控制等優點。有利于簡化了工藝流程，降低了勞動強度，所形成的磷化膜特別適用于漆前的表面處理，同時超聲波能加速晶核的形成過程，抑制晶體生長而得到更加均勻細致的晶粒。基于此，本文進行超聲波磷化工藝研究

1 超聲波磷化原理

超聲波磷化設備主要由超聲波發生器和換能器構成，超聲波發生器（電源）將50Hz的工頻電通過逆變轉化成20KHz以上的高頻電送到換能器上。超聲波換能器固定在工位槽的底板上或槽壁上，換能器的壓電元件可將電能轉換成強有力的高頻振動，這種頻率振幅很小，約幾微米至幾十微米，但具有很高的加速度。當多個換能器被施加相同頻率及電位電壓時，就與槽液形成高頻往復振動（共振），并在槽液中傳播，適當條件下產生空化作用。空化作用極易在固液相界面產生，具有很強的穿透固體和液體的能力，因而對浸沒在液面下的工件內外表面均能以物理作用進行超常清洗，能促進磷化反應均勻地進行；超聲波的強烈攪拌能使磷化反應過程中產生的氫氣加速脫離工件表面，從而使工件表面始終與新鮮溶液接觸，使工件表面極化現象徹底消失；超聲波對結晶過程的晶粒細化作用。超聲波能加速晶核的形成過程，抑制晶體生長而得到更加均勻的晶粒。其原因是由于空化使晶團、樹枝狀結晶破碎和分散，使每一個晶體形成許多新的晶核，從而加速了反應過程；從能量的角度來看，超聲波是一種獨特的能量形式。在磷化過程中，鐵的溶解屬于放熱反應，而磷酸二氫鋅的水解沉積成膜過程則是吸熱反應。在常（低）溫下，前者不足以補充后者，必須為磷化提供外動力，超聲波空化產生的巨大能量和局部高溫則為此提供外動力。

2 超聲波磷化參數分析

超聲波磷化效果與槽液溫度、超聲波的功率密度、超聲波頻率等參數密不可分。在制定磷化實驗條件時應充分給與考慮。

采用超聲波磷化，一般槽液溫度控制在25～30℃時效果最好，溫度升高或降低都不利于磷化質量；

超聲波的功率密度越高，磷化速度快，磷化效果好；反之亦然。

超聲波的頻率越小，空化作用易產生，空化作用強。采用超聲波磷化，一般要視工件形狀選擇合適的工藝參數，使各種因素協同作用處于最佳狀態，才能達到最佳的磷化效果。

3 磷化實驗方法研究

3.1 實驗材料

將58SiMn鋼制成 10× 10mm 的金相試樣，經磨光，拋光和浸蝕后進行不同方案的磷化處理。

3.2 磷化液成份

超聲波磷化液選用常溫鋅系磷化液，其組成為：Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO-3 (7g/L)；促進劑 (2g/L)，總酸度14～20點，游離酸度1.0～1.5點。

常溫磷化液，其組成為： Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO- 3 (7g/L)；促進劑 (2g/L)，總酸度14～20點，游離酸度1.0～1.5點。

中溫磷化液，選用軍品現行使用的磷化液，其代號為 DZ-93，總酸度 13～18點，游離酸度0.8～1.2點。

3.3 實驗工藝流程制定

工藝 A：常溫磷化工藝流程：化學除油—水洗—酸洗—表面調整—磷化—水洗—干燥 溫度：25～30℃，時間：10～15(min)。

工藝 B：超聲波磷化工藝流程：超聲波除油—水洗—超聲波除銹—水洗—超聲波磷化—水洗—干燥 溫度：25～30℃，時間：≤3(min)。

工藝 C：中溫磷化處理工藝流程：除油—水洗—表面調整—磷化—水洗—干燥 溫度：50～70℃，時間：3～5(min)。

3.4 耐腐蝕和附著力測試

耐腐蝕采用3%NaCl，未涂油和漆；附著力測試采用劃圈法。

4 實驗結果分析

用金相顯微鏡觀察磷化膜的形核，長大和膜層形成的整個過程。發現在試樣浸入超聲波磷化液的瞬間，試樣表面生成一層彩虹色鈍化膜，接著在晶界或界內的某些活性點形核。隨著浸漬時間的延長，晶核在晶界和晶內長大，這種晶核生長的位向與鋼的原始組織沒有任何關系。在晶核長大的同時，又有一些新晶核形成并長大，最后松針狀結晶覆蓋整個表面，整個反應，（溶解與沉淀）趨于動態平衡，磷化膜完全生成。

常溫磷化液不加超聲波，所得磷化膜結晶粗大，外觀顏色發白，有浮灰，整個反應時間長。

在中溫磷化液中，磷化膜的形核，長大和生長過程與超聲波磷化相似，只不過活性中心少，結晶較大，磷化膜完全生成的時間較長。不同的工藝流程下，磷化膜的外觀狀態、膜重及耐腐蝕性參數如表1～1。

通過金相顯微鏡觀察可知，加入超聲波場后，磷化膜晶核數量明顯增多，結晶更加細致，抗腐蝕性增強，附著力為一級。

表1-1 不同工藝條件下磷化膜的參數

5 結論

超聲波磷化工藝由于不使用強酸除油、除銹，從源頭上解決了酸霧對工件和車間銹蝕等問題。超聲波磷化液成分簡單，易于調整控制，可在常（低）溫條件下操作，從而節省大量原材料。加入超聲波場后獲得的磷化膜外觀成灰黑色，膜層均勻，薄而緊致（膜重在0.5～2g/m2），磷化速度大大加快（可在3min內完成），所獲得的磷化膜具有良好的抗腐蝕能力，其抗蝕能力比中溫磷化膜提高 1倍。超聲波磷化金屬工件不但提高工件磷化質量，也提高了工件的后續加工質量，超聲波磷化工藝的研究對超聲波對金屬磷化的應用有著重要的作用。

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