淺談鋼鐵磷化前處理對磷化膜性能的影響

張麗盆

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

鋼鐵零件在含有鋅、錳、鈣、鐵等磷酸鹽溶液中經過化學處理，使其表面生成一層難溶于水的結晶型磷酸鹽轉化膜，這種化學處理過程稱為鋼鐵的磷化。磷化后形成的磷化膜的外觀呈灰色至灰黑色，這種膜由一系列大小不同的晶體所組成，在晶體的連接點上會形成很多細小的微孔結構，正是這種微孔的晶體結構，使磷化膜具有一定的耐蝕性、吸附性、耐磨性等性能。磷化膜的這種性能使其廣泛應用于汽車、電器、機械等各個工業領域。因此，對鋼鐵的磷化的研究受到了國內外許多學者的重視與研究。該文研究了鋼鐵磷化前處理對磷化膜各種性能的影響，通過對比各種膜重、膜厚、耐蝕性的關系，結合磷化的各種試驗工藝流程，從而得到優化的磷化工藝。

1 實驗方法

試驗件為GCr15軸承鋼，規格為內徑20 mm的向心關節軸承內圈，磷化前加工至表面粗糙度為Ra0.5 um左右，試驗件形狀如圖1所示。采用高溫錳系全表面磷化，磷化前調整溶液總酸度為約88點，游離酸度為約10點（磷化溶液酸度的點數，是指用0.1 mol/L NaOH溶液滴定10 mL磷化溶液需消耗的NaOH的毫升數。當用酚酞作指示劑時，所需0.1 mol/L NaOH溶液的毫升數稱為磷化溶液總酸度的“點”數；當用甲基橙作指示劑時，所需的0.1mol/L NaOH溶液的毫升數，稱為磷化溶液游離酸度的點數）。磷化工藝分為3種，分別是：

（a）有機溶劑清洗→水洗→磷化→水洗→后處理

（b）超聲波表面活性劑清洗→水洗→磷化→水洗→后處理

（c）超聲波表面活性劑清洗→水洗→表面調整→磷化→水洗→后處理。

1.1 清洗

采用有機溶劑和表面活性劑2種清洗劑，在不同的磷化工藝中，采用不同的清洗劑。有機溶劑選用橡膠溶劑油，常溫下浸沒清洗，至表面干凈無油污；表面活性劑清洗時加超聲波，溫度約35 ℃，溫度低時可適當加熱溶液，以提高清洗效果，清洗至表面無油污。

1.2 表面調整

表面調整劑溶液濃度約5 g/L，溫度約50 ℃，試驗件浸沒溶液中約1 min。

1.3 磷化

磷化液由酸式磷酸錳、促進劑A、促進劑B組成。調節溶液總酸度為約88點，游離酸度約10點。試驗件前處理后置于磷化液中進行磷化反應，至表面無明顯氣泡逸出，即為磷化反應完全。

1.4 后處理

采用有機封閉液進行封閉處理，提高磷化層表面的耐蝕性。

1.5 水洗

各種水洗采用流動自來水進行，保證試驗件的磷化質量。

圖1 向心關節軸承內圈試驗件

2 實驗結果與討論

2.1 磷化膜性能檢測

（1）外觀：在自然光下，目測檢查。

（2）膜重：根據標準規定的方法，將試驗件浸沒于規定的試液中進行退膜處理，通過測量退膜前后的試驗件的重量變化，結合試驗件的面積，計算磷化膜的膜重。

（3）膜厚：借鑒膜重測量的退膜方法，通過軸承專用的內徑測量儀表，測量退膜前后試驗件的內徑尺寸變化，計算磷化膜的膜厚。

（4）耐蝕性：根據標準規定的方法，將試驗件進行中性鹽霧試驗（NNS試驗）1.5 h，中性鹽霧試驗采用5%的氯化鈉溶液；同時采用硫酸銅滴定的方法，對試驗件進行滴定試驗，觀察出現紅銹的時間，硫酸銅滴定液的配方如下：

2.2 各種磷化工藝對磷化膜性能的影響

將試驗件分為3組，每組各10個，按照磷化工藝a、b、c進行磷化，至磷化反應完全。每組各取4個試驗件進行膜重和膜厚的檢測，3個進行中性鹽霧試驗，3個進行硫酸銅滴定試驗。檢測時由同一個實驗員同步進行。試驗數據見表1。

表1 不同磷化工藝條件下的磷化膜外觀、膜重、膜厚的比較

試驗數據顯示，采用超聲波表面活性劑進行清洗磷化的磷化膜比采用有機溶劑清洗磷化的磷化膜的膜重和膜厚均更大。其中超聲波表面活性劑工藝中加表面調整劑后，磷化膜結晶變得細致、均勻，在增大磷化膜重的同時反而降低了磷化膜厚，相當于提高了磷化膜的膜密度。這種改變具有很重要的意義，磷化膜重的提高、膜結晶顆粒細膩，可以極大地提高磷化膜在運轉過程中的耐磨性，降低摩擦系數，同時膜厚度的降低可以確保在軸承產品運轉一段時間磷化膜消失后，軸承產品之間的游隙可以控制在較小的范圍內，避免軸承的失效。

金屬磷化前必須除油干凈，采用有機溶劑進行除油是基于相似相溶的原理，這種除油并未對金屬表面產生影響，因此對磷化本身也不會有太大的影響。而采用超聲波表面活性劑進行除油時，使用的溶液是堿性溶液，這種堿性溶液會使金屬表面產生不均勻的粗化效應，超聲波的應用會加劇這種粗化現象，而金屬表面的粗化使后續的磷化膜結晶粗糙，成膜效果差。加入表面調整劑后，調整劑微粒均勻地吸附在金屬表面上，消除了前處理存在的物理或化學的影響而導致的表面不均勻對成膜過程的影響，并重新成了磷酸鹽結晶的晶核，促進了結晶的均勻快速的形成，阻止了大晶體的成長，磷化膜的結晶細膩致密。

采用中性鹽霧試驗和硫酸銅滴定試驗進行磷化膜層的耐蝕性檢測，結果如表2和圖2所示。試驗結果顯示，超聲波表面活性劑清洗不加調整劑的磷化膜的耐蝕性最差，而增加調整劑后，磷化膜的耐蝕性，無論是耐中性鹽霧試驗還是耐硫酸銅滴定，均得到了極大地提高，并超過有機溶劑清洗的磷化膜層的耐蝕性。這也和前面的膜重膜厚的結果相一致。

表2 不同磷化工藝條件下的磷化膜耐蝕性的比較

圖2 不同磷化工藝條件下磷化膜中性鹽霧試驗對比圖

3 結論

（1）磷化前采用超聲波表面活性劑清洗的磷化膜膜重和膜厚比采用有機溶劑清洗的高。

（2）采用表面活性劑清洗的磷化膜，結晶粗大不細膩，增加表面調整后，磷化膜結晶細致、均勻，膜重增加，但是膜厚卻降低。

（3）磷化前超聲波表面活性劑清洗加表面調整劑處理的磷化膜，無論是耐中性鹽霧試驗還是耐硫酸銅滴定試驗，均最好，而不加表面調整劑的超聲波表面活性劑清洗的磷化膜耐蝕性最差。