Mạ điện

Mạ Điện_Bài 56: Công nghệ photphat hóa Sắt Thép

cong-nghe-photphat-hoa8

CÔNG NGHỆ PHÔTPHAT HÓA SẮT THÉP

1. Công nghệ phôtphat hóa nhiệt độ cao trung bình 

a. Thành phần và chế độ công nghệ

Thành phần và chê’ độ công nghệ phôtphat hóa nhiệt độ cao, trung bình xem bảng 20 – 2, 20 – 3. 

cong-nghe-photphat-hoa1

cong-nghe-photphat-hoa2

a. Pha chế dung dịch phôtphat

Cho nước đến 2/3 thể tích bể, sau đó cho các hóa chất đã hòa tan riêng biệt vào bể, cho nước đến mức quy định, khuấy đều. Cho một ít phôi sắt để làm tăng lượng ion Fe +2 trong dung dịch, cho đến khi màu dung dịch phôtphat biến thành màu vàng nâu ổn định. Tiến hành phân tích và điều chỉnh dung dịch.

b. Điều chỉnh độ axit tự do và tổng độ axit

– Độ axit tự do biểu thị tham số hàm lượng H3P04 tự do trong dung dịch, thường biểu thị FA, tổng độ axit biểu thị tham số tổng độ H3P04 và muối phôtphat hòa tan  trong dung dịch, biểu thị TA. Tỷ số axit là AR (TA/FA). Độ axit cúa dung dịch phôtphat hóa là sô’ ml NaOH tiêu chuẩn tiêu hao khi dùng dung dịch NaOH 0,1 mol để chuẩn 10 ml dung dịch phôtphat hóa. Khi dùng chất chỉ thị là phenol phtalein, số ml dung dịch NaOH 0,1 moi cần dùng gọi là tổng độ axit. Khi dùng chất chỉ thị là Metyl da cam, số ml dung dịch 0.1 mol cần dùng gọi là độ axit tự do.

– Khi độ axit tự do thấp có thể cho xFe(H2P04)2 yMn(H2P04)-, hoặc Zn(H2P04)2, thông thường cho với hàm lượng 5 – 6 g/1, khi độ axit tự do cao hơn 1 điểm. Khi độ axit tự do cao, cho ZnO với hàm lượng 0,5 g/l , độ axit tự do giảm 1 điểm. Khi tổng độ axit thấp, cho xFe(H2P04)2 yMn(H2P04)2 hoặc Zn(H2P04)2, cũng có thể cho Zn(NO,)2 hoặc Mn(N02)2. Cho xFe(H2P04)2 yMn(H2P04)2 hoặc Zn(H2P04)2 với hàm lượng 5-6 e/1 tổng độ axit nâng cao 5-6 điểm, cho Zn(NOO-> 2 g/1 hoặc Mn(N02)i 4 e/1 tổng độ axit nâng cao 1 điểm. Tổng độ axit quá cao có thể pha loãng bằng nước.

c. Ảnh hướng của công nghệ phôtphat hóa

Độ axit và tỷ số độ axit

– Nâng cao tổng độ axit có thể nâng cao tốc độ phản ứng phôtphat, màng kết tinh mịn. Trong thực tế sản xuất, tổng độ axit thường khống chế ờ giới hạn trên trong phạm vi quy định. Nhưng độ axit quá cao màng mỏng, sinh ra nhiều kết tủa, nếu thấp tốc độ tạo màng chậm, độ kết tinh thỏ. Tống độ axit phôtphat hóa nhiệt độ cao khống chế là 40 – 60, phôt phat nhiệt độ trung bình khống chế là 60 – 100.

– Độ lớn của độ axit tự do có quan hệ với tốc độ hòa tan nhanh, chậm của kim loại nền. Quá trình tạo màng phôtphat là quá trình ăn mòn kim loại nền và hình thành màng. Vì thế để được lớp màng phôtphat, trong dung dịch cần có độ axit tự do nhất định. Độ axit tự do cao, sắt hòa tan nhanh, sinh ra nhiều khí hyđrô, vì thế dẫn đến tốc độ tạo màng chậm, màng kết tinh thô, nhiều lỗ, đồng thời sinh ra nhiều kết tủa, độ axit tự do thấp, màng mòng.

– Độ axit của dung dịch phôtphat hóa có thể khống chế bằng tỷ số độ axit, tỷ số độ axil nhỏ nghĩa là độ axit tự do cao, ngược lại độ axit tự do thấp. Thông thường khống chế tỷ số axit nhiệt độ cao là 6 – 9, khống chế tỷ số axit nhiệt dộ trung bình là 10 – 15, khi nhiệt độ hạ xuống, tỷ số axit cẩn nâng cao thích hợp.

– lon kim loại

Ngoài ion kim loại kiềm, tích số hòa tan muối phôtphat của nhiều kim loại rất nhỏ là chất xúc tiến khi phôtphat hóa. Vì vậy, dung dịch phôtphat hóa thường cho ion kim loại khác với kim loại nền, ví dụ như Zn +2, Mn +2, Ca +2 và Ni +2…. Theo cơ chế tác dụng của ion kim loại mà phân làm hai loại, một loại là ion kim loại quý, có điện thế dương hơn kim loại nền, nếu nền là sắt, ion Ag +, Cu + v.v. thuộc loại này, chúng rất dễ thay thế trên sắt, hình thành Fe kim loại quý, mở rộng vùng catôt, thúc đẩy quá trình phỏtphat, còn loại khác không sinh ra phản ứng trao đổi trên bể mặt kim loại nền  nhưng tác dụng với PO4-3hình thành ion kim loại muối phôtphat độ hòa tan rất nhỏ, thúc đẩy tốc độ phôtphat hóa, cải thiện sự hình thành và độ hạt của tinh thể.

– lon âm

Trong dung dịch phôtphat hóa có hai loại ion âm. H2P0-4 và NO-3, NO-2…của chất xúc tiến loại ôxi hóa. Chất đầu là thành phần chủ yếu tạo màng, chất sau là chất xúc tiến của phản ứng tạo màng. Mạc dù cơ chế tác dụng của hai loại ion này không rõ ràng, nhưng có tác dụng rất quan trọng đến tốc độ tạo màng va chất lượng màng.

Hàm lượng H2PO 4 không chi ảnh hưởng đến tốc độ tạo màng mà còn ảnh hưởng đến chất lượng màng. Hàm lượng H2P04 đạt đến giá trị nhất định mới đàm bảo tốc độ tạo màng nhanh, màng kết tinh mịn. Khi hàm lượng thấp màng không mịn, chống gỉ kém, thậm chí không có màng, khi hàm lượng cao, màng bám chắc kém, vết tro trắng trên bề mặt chi tiết nhiều lon NO -3, NO -2, F – có tác dụng xúc tiến làm tăng tốc độ phôtphat, làm màng phôtphat mịn, nhưng không phải là thành phần tạo thành màng phôtphat.

Khi phôtphat hóa ở nhiệt độ trung bình và nhiệt độ thường, những ion này là những chất không thể thiếu. Hàm lượng NO -3 nhiều, hòa tan kim loại nền nhanh, màng phôtphat mỏng hoặc kết tủa nhiều, dễ sinh ra vết gỉ vàng, NO -2 là chất xúc tiến tốt ở nhiệt độ thấp, làm giảm số lỗ xốp, nâng cao tính chống gỉ của màng. F- là chất hoạt hóa làm tăng tốc độ hình thành hạt nhân tinh thể màng phôtphat, nâng cao độ bền chống gỉ của màng.

Nhiệt độ

Hình thành màng phôtphat là quá trình phán ứng thu nhiệt, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng tạo màng photphat, khi phôtphat hóa ở nhiệt độ trung bình và thấp cần phải có trợ giúp chất xúc tiến.

Ảnh hưởng của tính chất và trạng thái bề mặt

Tính chất và trạng thái bề mặt khác nhau hiệu quả phôtphat hóa khác nhau. Thép cacbon cao và trung bình, thép hợp kim dể phôtphat hóa, độ dày màng phôtphat đồng đểu nhưng kết tinh thô. Thép cacbon thấp, màng phôlphat móng, kết linh mịn, nếu trước khi phôtphat tiến hành xử lý ăn mòn thích hợp. có thể nâng cao chất lượng màng. Thông thường, bề mặt gia công nóng dề tạo thành màng phôtphat, bề mặt gia công nguội do có lớp màng cứng, màu sắc màng phôtphat hóa thu được không đều, cần phải tẩy lớp cứng trong axit mạnh, mới được màng phôtphat màu sắc đồng đều. Khi bề mật thô, màng phôtphat dễ hình thành, nhưng sau khi sơn chịu va đập kém.

Điều chỉnh bề mặt

Để tạo điểu kiện hình thành màng phôtphat, tăng tốc độ tạo màng, dùng dung dịch đặc biệt để xử lý bề mật. Chất điều chinh bề mặt có ba loại:

– Chất điều chỉnh bề mặt tính axit: Các axit hữu cơ như axit oxalic, citric, tactaric… có tác dụng khử đi màng ôxi hóa có chất hàn, màng dầu trên bề mật chi tiết, là chất điều chỉnh bề mặt chuyên dùng cho những chi tiết sắt thép hàn. Chất điều chỉnh bề mặt thường có nồng độ rất thấp, sau khi xử lý không cần rửa nước, trực tiếp tiến hành phôtphat hóa. Công nghệ điều chỉnh bề mặt: axil oxalic H2c204 3 – 5 g/1, nhiệt độ thường, thời gian 1 phút.

– Chất hoạt động bề mặt: chất hoạt động bề mặt là xà phòng hoặc C2H2sS04Na, có tác dụng làm giảm sức căng bề mật làm cho màng phôtphat đồng đều.
Công nghệ xử lý xà phòng: xà phòng 10 – 20 g/i, Na-iCO,: 15-30 g/1, nhiệt độ 50 – 60°c, thời gian 2-5 phút.

– Chất điều chỉnh bề mặt muối kim loại: Những chất này là muối kim loại Ti, Mn… Hạt keo của những muối kim loại này hấp phụ trên bề mặt sắt thép, tạo nên hạt nhân kết tinh tạo màng, làm tăng tốc độ phản ứng, hạt kết tinh mịn. Titan phôtphal là chất điều chỉnh bề mặt thường dùng nhiều nhất.

Ảnh hưởng của tạp chất

Tạp chất chủ yếu không phải là chất gốc axit và một số ion kim loại có tác dụng xúc tiến, mà là ion như SO4-2, Cl- và Cu +2 … Hàm lượng SO4-2 khống chế phạm vi dưới 0,5 g/1, nếu quá lượng quá trình phôtphat kéo dài, màng phôtphat nhiều lỗ, dễ gỉ, ảnh hưởng của Cl- giống như SO4-2 hàm lượng khống chế dưới 0,5 g/1. Lượng rất nhỏ Cu+2 làm tăng tốc độ phôtphat , khi hàm lượng cao bề mặt màng phôtphat đỏ, tính chống gỉ kém, có thể loại bỏ bằng phơi sắt.

d. Xử lý sau khi phôtphat

Mục đích xử lý sau khi phôtphat để nâng cao tính chống gỉ của màng. Chất chủ yếu là chất điền đầy muối cromat và chất bịt lỗ hữu cơ. Công nghệ xử lý sau khi phôtphat xem bảng 20 – 4.

cong-nghe-photphat-hoa3

2. Công nghệ phôtphat hóa nhiệt độ thường

a. Đặc điểm phôtphat hóa ở nhiệt độ thường

– Nhiệt độ phôtphat hóa tiến hành ở nhiệt độ thườn2 (20 – 35°C). Hệ phôtphat hóa ở nhiệt độ thường đa số ở hệ sắt và hệ kẽm. Photphat hóa ở nhiệt độ thấp thường cho thêm chất xúc tiến để bù đắp khuyết điểm tốc độ tạo màng thấp. Hiện nay đều sử dụng chất xúc tiến là hỗn hợp nhiều loại chất ôxi hóa. Tính năng và hệ chất xúc tiến thường dùng ở nhiệt độ thấp, xem bảng 20 – 5.

cong-nghe-photphat-hoa4

– Đặc điểm phôtphat hoá ở nhiệt độ thường cần phải xử lý điều chỉnh bề mặt. Quá trình hình thành màng phôtphal là do sự hòa tan kim loạn nén và sự hình thành kết tinh muối phôtphat, chất xúc tiến ảnh hưởng chủ yếu đến n quá trình hòa tan. Sự hình thành mầm tinh thể đầu tiên chủ yếu do tác dụng của chất điểu chỉnh bề mặt.

– Phôtphat hóa nhiệt độ thường được lớp màng mỏng kết tinh mịn, tính năng chống gỉ và chịu nhiệt độ thấp, không bằng màng phôtphat hoá nhiệt độ cao, trung bình. Phôt phat hóa nhiệt độ thường, tiết kiệm năng lượng, giá thành thấp.

b. Thành phần dung dịch và chế độ công nghệ phôtphat hóa nhiệt độ thường

Xem bảng 20 – 6.

cong-nghe-photphat-hoa5

c. Những nhân tố ảnh hường phôtphat hóa nhiệt độ thường

– Zn+2, P04-3 và chất xúc tiến

Đối với công nghệ phôtphat hóa hệ kẽm, Zn +2, P04-3 và chất xúc tiến ảnh hướng trực tiếp đến màng phôtphat. Thông thường khi nhiệt độ giảm, cần nâng cao hàm lượng Zn +2 và PO4-3 mới bảo đảm tốc độ tạo màng nhất định, ở nhiệt độ thường hàm lượng Zn +2 là 1,5 g/1, P043 là 15 – 25 g/1. Khi dùng công nghệ phun hàm lượng có thể giảm đi, khi phôtphat hóa nhúng, hàm lượng cao hơn.

Khi sử dụng công nghệ điện di (công nghệ sơn điện di là công nghệ mới dùng để sơn ôtô), hàm lượng Zn+2 thường khống chế dưới 2 g/1 và cho thêm lượng nhỏ ion Ni+2và Mn+3,để nâng cao độ bền chống gỉ và chịu kiềm của màng. Khi chọn chất ôxi hóa không chỉ căn cứ vào sự mạnh, yếu của chất ôxi hóa, mà còn phải chọn chất ôxi hóa mà sắt thép trong hệ này khỏng bị thụ động.

Độ axit

Độ axit tự do cao, tốc độ photphat hóa chậm, có khi không tạo màng phôtphat, độ axit thấp làm cho bề mặt sản phẩm, toàn bộ hoặc cục bộ thụ động hóa, xuất hiện màng có màu cầu vồng hoặc không có màng. Tỷ số độ axit phôtphat ở nhiệt độ thường cao hơn phôtphat ở nhiệt độ cao và trung bình, thông thường lớn hơn 20. Tỷ số độ axit được điều chỉnh theo nhiệt độ và độ pH. Nhiệt độ cao, tỷ số axit và pH cần nhỏ, nhiệt độ thấp tỷ số axit và pH cần lớn hơn.

Điều chỉnh bề mặt

Khi phôtphat hóa ở nhiệt độ thường, chất điều chỉnh bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ tạo màng và chất lượng màng. Nếu dùng chất điều chỉnh bề mặt keo Titan phôtphat thì thành phần dung dịch và chế độ công nghệ như sau: Hàm lượng 1 – 3 g/1, pH = 8 – 9, thời gian lớn hơn 30 giây. Dung dịch xử lý có màu keo trắng sữa, nếu biến thành dạng trong suốt thì chất điều chỉnh bề mặt mất hiệu quả, cần phải thay thế.

3. Công nghệ phôt phat hóa Khác

a. Phôt phat hóa tổng hợp

Phôtphat hóa tổng hợp thực hiện bốn công nghệ chủ yếu như tẩy dầu, tẩy gỉ, phôtphat hóa, thụ động hóa trong một bể. Công nghệ này đơn giản, rút ngắn thời gian, nâng cao năng suất lao động. Nhưng công nghệ này chỉ dùng để làm lớp lót cho sơn, yêu cầu không cao. Dung dịch phôtphat hóa tổng hợp gồm có axit phôtphoric, chất xúc tiến, chất tạo màng, phức chất và chất hoạt động bề mặt.

 Nguyên lý cơ bản

Chi tiết chưa được xử lý nhúng vào dung dịch phôtphat hóa tổng hợp, nhờ tác dụng nhũ hóa thẩm thấu, thấm ướt của chất hoạt động bề mặt, làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời dung dịch phôtphat thẩm thấu màng dầu, làm tăng tốc độ tẩy dầu, khi xử lý trong dung dịch có độ axit cao, tẩy được lớp oxit trên bề mặt chi tiết, tạo thành FeHP04. Sau khi lấy chi tiết ra từ tẩy dầu, tẩy gỉ. không cần rửa, để trong không khí, dung dịch và chất hoạt tính tiếp tục phản ứng. hình thành muối sắt phôtphat, tạo nên màng phôtphal trên bề mặt.

Thành phần và chế độ công nghệ

Xem bảng 20 – 7.

cong-nghe-photphat-hoa6

Pha chế dung dịch

Cho H3P04 vào bể, trong thùng khác cho nước vào ZnO thành dạng hồ đặc, khuấy đều, dần dần cho vào bể. Sau đó cho Zn(NO3)2. C4H6O6 cho nước làm loãng đến 2/3 thể tích bể. Sau đó, cho chất hoạt động bề mặt AS, chất nhũ hóa OP, khuấy đều cho Cr(H2P04)3 (trước tiên dùng H3P04 làm loãng), cho (Ti02)S04, cho nước đến thể tích quy định, khuấy đều. đê nguội xử lý bằng phôi sắt. Điều chỉnh độ axit.

Bảo vệ công nghệ

– Dung dịch phôtphat hóa tổng hợp cần có ion Fe+2, nếu ion Fe+2 không đủ, dung dịch sẽ có kết tủa nhiều. Khi ion Fe+2 đủ, tốc độ phôtphat hóa nhanh, màng kết tinh mịn, dung dịch ổn định.

– Phôtphat hóa tổng hợp dùng cho sắt thép có đủ mỡ và gỉ nhẹ, nếu có gỉ nặng cần phải xử lý tẩy dầu. tẩy gỉ.

– Khi thao tác đề phòng nhiệt độ cao, khi nhiệt độ cao hơn 70 độ c , HNO3, dễ phân hủy.

– Bổ sung dung dịch ở trạng thái nguội, khi dung dịch nóng không được cho HNO3 đặc và Zn(N03)2 rắn.

b. Phôtphat hóa đen

Đặc điểm màng phôtphat đen có màu nâu đen, kết tinh mịn không ảnh hưởng đến kích thước chi tiết, dùng để trang trí, báo vệ chi tiết đúc, chính xác. Thành phần dung dịch và chế độ công nghệ phôtphat hóa xem bảng 20 – 8.

cong-nghe-photphat-hoa7

Chú ý:

Công nghệ 1: Trước khi phôtphat hóa, cần nhúng trong dung dịch Na2S, thời gian 5-20 giây, không rửa, cho vào bể phôtphat.

Công nghệ 2: cần phải phôtphat 2-3 lần; phôtphat hóa lần 1, ngâm chi tiết vào trong bể, không thấy bọt khí thì lấy ra, rửa, sau đó ngâm vào trong dung dịch H2S04 15%, thời gian 1 phút, rửa, xử lý phôtphat hóa 2-3 lần.