磷化处理工艺

磷化处理工艺

关于磷化处理工艺

1 防锈磷化工艺

磷化工艺的早期应用是防锈，钢铁件经磷化处理形成一层磷化膜，起到防锈作用。经过磷化防锈处理的工件防锈期可达几个月甚至几年（对涂油工件而言），广泛用于工序间、运输、包装贮存及使用过程中的防锈，防锈磷化主要有铁系磷化、锌系磷化、锰系磷化三大品种。

铁系磷化的主体槽液成分是磷酸亚铁溶液，不含氧化类促进剂，并且有高游离酸度。这种铁系磷化处理温度高于95℃，处理时间长达30min以上，磷化膜重大于10g/m2,并且有除锈和磷化双重功能。这种高温铁系磷化由于磷化速度太慢，现在应用很少。

锰系磷化用作防锈磷化具有最佳性能，磷化膜微观结构呈颗粒密堆集状，是应用最为广泛的防锈磷化。加与不加促进剂均可，如果加入硝酸盐或硝基胍促进剂可加快磷化成膜速度。通常处理温度80～100℃，处理时间10～20min，膜重在7.5克/m2以上。

锌系磷化也是广泛应用的一种防锈磷化，通常采用硝酸盐作为促进剂，处理温度80～90℃，处理时间10～15min，磷化膜重大于7.5g/m2,磷化膜微观结构一般是针片紧密堆集型。

防锈磷化一般工艺流程：

除油除锈——水清洗——表面调整活化——磷化——水清洗——铬酸盐处理——烘干——涂油脂或染色处理

通过强碱强酸处理过的工件会导致磷化膜粗化现象，采用表面调整活化可细化晶粒。锌系磷化可采用草酸、胶体钛表调。锰系磷化可采用不溶性磷酸锰悬浮液活化。铁系磷化一般不需要调整活化处理。磷化后的工件经铬酸盐封闭可大幅度提高防锈性，如再经过涂油或染色处理可将防锈性提高几位甚至几十倍，见表1。

表1 磷化膜与涂油复合对耐蚀性的影响

材料 出现锈蚀时间（h）（盐雾你发的这个词被禁止发行 B117-64）

裸钢 0.5

钢+涂油 15.0

钢+16g/m2锌磷化 4.0

钢+锌磷化+涂油 550.0

摘自 Freeman D B.Phosphating and Metal Pretreatment Woodhead-Faukner,1986.

2 耐磨减摩润滑磷化工艺

对于发动机活塞环、齿轮、制冷压缩机一类工件，它不仅承受一次载荷，而且还有运动摩擦，要求工件能减摩、耐摩。锰系磷化膜具有较高的硬度和热稳定性，能耐磨损，磷化膜具有较好的减摩润滑作用。因此，广泛应用于活塞环，轴承支座，压缩机等零部件。这类耐磨减摩磷化处理温度70～100℃，处理时间10～20min，磷化膜重大于7.5g/m2。

在冷加工行业如：接管、拉丝、挤压、深拉延等工序，要求磷化膜提供减摩润滑性能，一般采用锌系磷化，一是锌系磷化膜皂化后形成润滑性很好的硬脂酸锌层，二是锌系磷化操作温度比较低，可在40、60或90℃条件下进行磷化处理，磷化时间4～10min，有时甚至几十秒钟即可，磷化膜重量要求≥3g/m2便可。工艺流程是：

耐磨减摩磷化 减摩润滑磷化（冷加工）

除油除锈 除油除锈

水清洗 水清洗

锰系磷化 锌系磷化

水清洗 水清洗

干燥 皂化（硬脂酸钠）

涂润滑油脂 干燥

3 漆前磷化工艺

涂装底漆前的磷化处理，将提高漆膜与基体金属的附着力，提高整个涂层系统的耐腐蚀能力；提供工序间保护以免形成二次生锈。因此漆前磷化的首要问题是磷化膜必须与底漆有优良的配套性，而磷化膜本身的防锈性是次要的，磷化膜细致密实、膜薄。当磷化膜粗厚时，会对漆膜的综合性能产生负效应。磷化体系与工艺的选定主要由：工件

材质、油锈程度、几何形状；磷化与涂漆的时间间隔；底漆品种和施工方式以及相关场地设备条件决定。

一般来说，低碳钢较高碳钢容易进行磷化处理，磷化成膜性能好些。对于有锈（氧化皮）工件必须经过酸洗工序，而酸洗后的工件将给磷化带来很多麻烦，如工序间生锈泛黄，残留酸液的清除，磷化膜出现粗化等。酸洗后的工件在进行锌系、锌锰系磷化前一般要进行表面调整处理。

在间歇式的生产场合，由于受条件限制，磷化工件必须存放一段时间后才能涂漆，因此要求磷化膜本身具有较好的防锈性。如果存放期在10天以上，一般应采用中温磷化，如中温锌系、中温锌锰系、中温锌钙系等，磷化膜的厚度最好应在2.0

～4.5g/m2之间。磷化后的工件应立即烘干，不宜自然凉干，以免在夹缝、焊接处形成锈蚀。如果存放期只有3～5天，可用低温锌系、轻铁系磷化，烘干效果会好于自然凉干。

3.1 单室喷淋磷化工艺

整个前处理工艺只有一个喷室，在喷室的下面有多个贮液槽体，不同的处理液喷淋工件后流回各自的槽体中。例如首先喷淋脱脂液，待脱脂液流回脱脂槽后，关闭阀门；然后喷淋水洗，水洗完成后关闭水洗阀门；下一步再喷淋磷化液，这种单室处理方法可实行如下几种工艺流程：

脱脂——磷化“二合一”（轻铁系）——水清洗——（铬封闭）——出件。

脱脂——水清洗——磷化——水清洗——（铬封闭）——出件

脱脂——水清洗——表面调整——磷化——水清洗——（铬封闭）——出件

这种磷化工艺一般不提倡安排酸洗工序，以免造成设备腐蚀或产生工序间锈蚀。单室工艺设备少占用场地小，简便易行，但浪费较大，仅适合于批量少的间歇式生产场合。与此相似的另一种方法，采用外围小容量罐体盛处理液，通过泵与管道抽液后与热水混合后喷淋在工件上达到脱脂、磷化效果，喷淋后药液不回收，这种方法更简单，但浪费更大。

3.2多室“标准”工位磷化工艺：

①预脱脂 50～70℃ 1～2min

②脱脂 50～70℃ 2～4min

③水清洗1～2道 常温 0.5～1.0min

④表面调整 常温 0.5～1.0min

⑤磷化 35～60℃ 2～6min

⑥水清洗<2道 常温 0.5～1.0min

⑦去离子水洗 常温 0.5～1.0min

⑧铬酸盐处理 40～70℃ 0.5～1.0min

⑨烘干 低于180℃

处理方式可采用全喷淋、全浸泡、喷淋-浸泡结合三种方式。对家用电器行业一般采用全喷淋方式，它效率高，整个前处理只需要十几分钟即可完成，节省场地设备。汽车行业流行采用喷淋-浸泡相结合的方式。

表面调整工序并非必须，表调剂加到脱脂槽内也可达到相同效果。磷化后的去离子水洗必不可少。磷化后的铬酸盐处理，可提高整个涂层系统的耐腐蚀性能（见表2），但由于铬的环境污染问题，因此应慎使用。

表2 铬酸盐处理对漆膜耐蚀性能影响

划痕3mm扩散时间（h）

（盐雾你发的这个词被禁止发行B117-64）

去离子水洗 铬酸盐处理

轻铁系 0.5 48 96

锌系 2.0 144 240

锌钙系 1.2 216 288

锌系 2.0 192 312

锌钙系 2.5 264 360

* 数据来源与表1相同

3.3 混合件磷化处理工艺（锈蚀工件）

①脱脂 40～70℃ 3～8min

②水清洗 常温 0.5～1.0min

③酸洗 40～70℃ 3～8min

④水清洗 常温 0.5min

⑤中和 常温 0.5～1.0min

⑥表面调整 常温 0.5min

⑦磷化 35～60℃ 3～10min

⑧水清洗 常温 0.5～1.0min

⑨脱离子水洗 常温 0.5～1.0min

⑩铬酸盐水洗 40～70℃ 0.5～1.0min

⑾烘干 <180℃

除非有足够的理由，酸洗工序一般不采用喷淋处理方式，喷淋会带来设备腐蚀以及工件工序间生锈等一系列问题。其他各工序均可采用全喷淋或喷-浸相结合的施工方式。

对于混合件（无锈工件、有锈、氧化皮工件同时混合处理），采用脱脂除锈“二合一”代替分步脱脂除锈的方法已经应用有几十年的历史，同样可获满意效果。对于酸洗和脱脂除锈“二合一”一般采用非挥发性的无机酸较适宜。

总述

：磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐

转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止

金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工

艺中起减摩润滑使用。 磷化处理工艺应用于工业己有90多年的历史，大致可以分为

三个时期:奠定磷化技术基础时期、磷化技术迅速发展时期和广泛应用时期。

磷化膜用作钢铁的防腐蚀保护膜，最早的可靠记载是英国Charles Ross于1869

年获得的专利(B.P.No.3119)。从此，磷化工艺应用于工业生产。在近一个世纪的漫长

岁月中，磷化处理技术积累了丰富的经验，有了许多重大的发现。一战期间，磷化技

术的发展中心由英国转移至美国。1909年美国T.W.Coslet将锌、氧化锌或磷酸锌盐

溶于磷酸中制成了第一个锌系磷化液。这一研究成果大大促进了磷化工艺的发展，拓

宽了磷化工艺的发展前途。Parker防锈公司研究开发的Parco Power配制磷化液，

克服T许多缺点，将磷化处理时间提高到lho 1929年Bonderizing磷化工艺将磷化时

间缩短至10min, 1934年磷化处理技术在工业上取得了革命性的发展，即采用了将磷

化液喷射到工件上的方法。二战结束以后，磷化技术很少有突破性进展，只是稳步的

发展和完善。磷化广泛应用于防蚀技术，金属冷变形加工工业。这个时期磷化处理技

术重要改进主要有:低温磷化、各种控制磷化膜膜重的方法、连续钢带高速磷化。当

前，磷化技术领域的研究方向主要是围绕提高质量、减少环境污染、节省 能源进行。

（二）磷化是常用的前处理技术，原理上应属于化学转换膜处理，主要应用

于钢铁表面磷化，有色金属（如铝、锌）件也可应用磷化。

（三）磷化基础知识

磷化原理

1、磷化

工件（钢铁或铝、锌件）浸入磷化液（某些酸式磷酸盐为主的溶液），在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程，称之为磷化。

2、磷化原理

钢铁件浸入磷化液（由Fe(H2PO4)2 Mn(H2PO4)2 Zn(H2PO4)2 组成的酸性稀水溶液，PH值为1-3，溶液相对密度为1.05-1.10）中，磷化膜的生成反应如下： 吸热

3Zn(H2PO4)2 Zn3(PO4)2↓+4H3PO4 或

吸热

吸热

3Mn(H2PO4)2 Mn3(PO4)2↓+4H3PO4

吸热

钢铁工件是钢铁合金，在磷酸作用下，Fe和FeC3形成无数原电池，在阳极区，铁开始熔解为Fe2+，同时放出电子。

Fe+2H3PO4 Fe (H2PO4)2+H2↑

Fe Fe2+ +2e-

在钢铁工件表面附近的溶液中Fe2+不断增加，当Fe2+与HPO42-，PO43-浓度大于磷酸盐的溶度积时，产生沉淀，在工件表面形成磷化膜：

Fe(H2PO4)2 FeHPO4↓+ H3PO4

Fe+ Fe(H2PO4)2 2FeHPO4↓+ H2↑

3FeHPO4 Fe 3(PO4)2↓+ H3PO4

Fe+ 2FeHPO4 Fe 3(PO4)2↓+H2↑

阴极区放出大量的氢：

2H+ +2e- H2↑

O2 + 2H20 + 4e- 4OH-

总反应式：

吸热

3Zn(H2PO4)2 Zn3(PO4)2↓+4H3PO4

吸热

吸热

Fe+3Zn(H2PO4)2 Zn3(PO4)2↓+2FeHPO4↓+3 H3PO4+2 H2↑

放热

磷化分类

1、按磷化处理温度分类

（1）高温型

80—90℃处理时间为10-20分钟，形成磷化膜厚达10-30g/m2,溶液游离酸度与总酸度的比值为1：（7-8）

优点：膜抗蚀力强，结合力好。

缺点：加温时间长，溶液挥发量大，能耗大，磷化沉积多，游离酸度不稳定，结

晶粗细不均匀，已较少应用。

（2）中温型

50-75℃，处理时间5-15分钟，磷化膜厚度为1-7 g/m2，溶液游离酸度与总酸度的比值为1：（10-15）

优点：游离酸度稳定，易掌握，磷化时间短，生产效率高，耐蚀性与高温磷化膜基本相同，目前应用较多。

（3）低温型

30-50℃ 节省能源，使用方便。

（4）常温型

10-40℃ 常（低）温磷化（除加氧化剂外，还加促进剂），时间10-40分钟，溶液游离酸度与总酸度比值为1：（20-30），膜厚为0.2-7 g/m2。

优点：不需加热，药品消耗少，溶液稳定。

缺点：处理时间长，溶液配制较繁。

2、按磷化液成分分类

（1）锌系磷化

（2）锌钙系磷化

（3）铁系磷化

（4）锰系磷化

（5）复合磷化 磷化液由锌、铁、钙、镍、锰等元素组成。

3、按磷化处理方法分类

（1）化学磷化

将工件浸入磷化液中，依靠化学反应来实现磷化，目前应用广泛。

（2）电化学磷化

在磷化液中，工件接正极，钢铁接负极进行磷化。

4、按磷化膜质量分类

（1）重量级（厚膜磷化） 膜重7.5 g/m2以上。

（2）次重量级（中膜磷化）膜重4.6-7.5 g/m2。

（3）轻量级（薄膜磷化）膜重1.1-4.5 g/m2。

（4）次轻量级（特薄膜磷化）膜重0.2-1.0 g/m2。

5、按施工方法分类

（1）浸渍磷化

适用于高、中、低温磷化 特点：设备简单，仅需加热槽和相应加热设备，最好用不锈钢或橡胶衬里的槽子，不锈钢加热管道应放在槽两侧。

（2）喷淋磷化

适用于中、低温磷化工艺，可处理大面积工件，如汽车、冰箱、洗衣机壳体。特点：处理时间短，成膜反应速度快，生产效率高，且这种方法获得的磷化膜结晶致密、均匀、膜薄、耐蚀性好。

（3）刷涂磷化

上述两种方法无法实施时，采用本法，在常温下操作，易涂刷，可除锈蚀，磷化后工件自然干燥，防锈性能好，但磷化效果不如前两种。

磷化作用及用途

1、磷化作用

（1）涂装前磷化的作用

①增强涂装膜层（如涂料涂层）与工件间结合力。

②提高涂装后工件表面涂层的耐蚀性。

③提高装饰性。

（2）非涂装磷化的作用

①提高工件的耐磨性。

②令工件在机加工过程中具有润滑性。

③提高工件的耐蚀性。

2、磷化用途

钢铁磷化主要用于耐蚀防护和油漆用底膜。

（1）耐蚀防护用磷化膜

①防护用磷化膜 用于钢铁件耐蚀防护处理。磷化膜类型可用锌系、锰系。膜单位面积质量为10-40 g/m2。磷化后涂防锈油、防锈脂、防锈蜡等。

②油漆底层用磷化膜

增加漆膜与钢铁工件附着力及防护性。磷化膜类型可用锌系或锌钙系。磷化膜单位面积质量为0.2-1.0 g/m2（用于较大形变钢铁件油漆底层）；1-5 g/m2（用于一般钢铁件油漆底层）；5-10 g/m2（用于不发生形变钢铁件油漆底层）。

（2）冷加工润滑用磷化膜

钢丝、焊接钢管拉拔 单位面积上膜重1-10 g/m2；精密钢管拉拔 单位面积上膜重4-10 g/m2；钢铁件冷挤压成型 单位面积上膜重大于10 g/m2。

（3）减摩用磷化膜

磷化膜可起减摩作用。一般用锰系磷化，也可用锌系磷化。对于有较小动配合间隙工件，磷化膜质量为1-3 g/m2；对有较大动配合间隙工件（减速箱齿轮），磷化膜质量为5-20 g/m2。

（4）电绝缘用磷化膜

一般用锌系磷化。用于电机及变电器中的硅片磷化处理。

四、磷化膜组成及性质

分类 磷化液主要成份 膜组成 膜外观 单位面积膜重/ g/m2

锌系 Zn(H2PO4)2 磷酸锌和磷酸锌铁 浅灰→深灰 1-60

锌钙系 Zn(H2PO4)2和 Ca (H2PO4)2 磷酸锌钙和磷酸锌铁 浅灰→深灰 1-15 锰系 Mn(H2PO4)2 和Fe(H2PO4)2 磷酸锰铁 灰→深灰 1-60

锰锌系 Mn(H2PO4)2 和Zn(H2PO4)2 磷酸锌、磷酸锰、磷酸铁混合物 灰→深灰 1-60

铁系 Fe(H2PO4)2 磷酸铁 深灰色 5-10

2.磷化膜组成

磷化膜为闪烁有光，均匀细致，灰色多孔且附着力强的结晶，结晶大部分为磷酸锌，小部分为磷酸氢铁。锌铁比例取决于溶液成分、磷化时间和温度。

3、性质

（1）耐蚀性

在大气、矿物油、植物油、苯、甲苯中均有很好的耐蚀性，但在碱、酸、水蒸气中耐蚀性较差。在200-300℃时仍具有一定的耐蚀性，当温度达到450℃时膜层的耐蚀性显著下降。

（2）特殊性质

如增加附着力，润滑性，减摩耐磨作用。

磷化工艺流程

预脱脂→脱脂→除锈→水洗→(表调)→磷化→水洗→磷化后处理(如电泳或粉末涂装)

影响因素

1、温度

温度愈高，磷化层愈厚，结晶愈粗大。

温度愈低，磷化层愈薄，结晶愈细。

但温度不宜过高，否则Fe2+ 易被氧化成Fe3+，加大沉淀物量，溶液不稳定。

2、游离酸度

游离酸度指游离的磷酸。其作用是促使铁的溶解，已形成较多的晶核，使膜结晶致密。

游离酸度过高，则与铁作用加快，会大量析出氢，令界面层磷酸盐不易饱和，导致晶核形成困难，膜层结构疏松，多孔，耐蚀性下降，令磷化时间延长。

游离酸度过低，磷化膜变薄，甚至无膜。

3、总酸度

总酸度指磷酸盐、硝酸盐和酸的总和。总酸度一般以控制在规定范围 上限为好，有利于加速磷化反应，使膜层晶粒细，磷化过程中，总酸度不断下降，反映缓慢。 总酸度过高，膜层变薄，可加水稀释。

总酸度过低，膜层疏松粗糙。

4、PH值

锰系磷化液一般控制在2-3之间，当PH﹥3时，共件表面易生成粉末。当PH 1.5时难以成膜。铁系一般控制在3-5.5之间。

5、溶液中离子浓度

①溶液中Fe2+极易氧化成 Fe3+，导致不易成膜。但溶液中Fe2+浓度不能过高，否则，形成的膜晶粒粗大，膜表面有白色浮灰，耐蚀性及耐热性下降。

②Zn2+的影响，当Zn2+浓度过高 ，磷化膜晶粒粗大，脆性增大，表面呈白色浮灰；当Zn2+浓度过低，膜层疏松变暗。

磷化后处理

目的：增加磷化膜的抗蚀性、防锈性。

磷化渣

1、磷化渣的影响

①磷化中生成的磷化渣，既浪费药品又加大清渣工作量，处理不好还影响磷化质量，视为不利。

②磷化中在生成磷化渣的同时还会挥发出磷酸，有助于维持磷化液的游离酸度，保持磷化液的平衡，视为有利。

2、磷化渣生成的控制

①降低磷化温度。

②降低磷化液的游离酸度。

③提高磷化速度，缩短磷化时间。

④提高NO-3 与PO3-4的比值。

磷化膜质量检验

①外观检验

肉眼观察磷化膜应是均匀、连续、致密的晶体结构。表面不应有未磷化德的残余空白或锈渍。由于前处理的方法及效果的不同，允许出现色泽不一的磷化膜，但不允许出现褐色。

②耐蚀性检查

浸入法

将磷化后的样板浸入3﹪的氯化钠溶液中，经两小时后取出，表面无锈渍为合格。出现锈渍时间越长，说明磷化膜的耐蚀性越好。

②点滴法

室温下，将蓝点试剂滴在磷化膜上，观察其变色时间。磷化膜厚度不同，变色时间不同。厚膜﹥5分钟，中等膜﹥2分钟，薄膜﹥1分钟。

十、游离酸度及总酸度的测定。

1、游离酸度的测定

用移液管吸取10 ml试液于250ml锥形瓶中，加50ml蒸馏水，加2—3滴甲基橙指示剂（或溴酚蓝指示剂）。用0.1mol/l氢氧化钠标准液滴定至溶液呈橙色（或用溴酚蓝指示剂滴定至由黄变蓝紫色）即为终点，记下的耗氢氧化钠标准液毫升数即为滴定的游离酸度点数。

2、总酸度的测定

用移液管吸取10 ml试液于250ml锥形瓶中，加50ml蒸馏水，加2—3滴酚酞指示剂。用0.1mol/l氢氧化钠标准液滴定至粉红色即为终点，记下的耗氢氧化钠标准液毫升数即为滴定的总酸度点数。

有色金属磷化

主要是铝件及锌件的磷化。

磷化发黑液

常温使用，磷化保护一步成型！又称钢铁着色剂！1：4-5稀释后使用，常温浸泡30分钟左右，最后封闭保护！

处理工艺：除油除锈——防锈水浸泡——磷化发黑——晾干——封闭保护

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