Phốt phát là một quá trình phản ứng hóa học và điện hóa để tạo thành một màng chuyển đổi hóa học phốt phát, được gọi là màng phốt phát hóa.Mục đích của phốt phát hóa chủ yếu là để bảo vệ kim loại cơ bản và ngăn kim loại bị ăn mòn ở một mức độ nhất định;Nó được sử dụng để sơn lót trước khi sơn để cải thiện độ bám dính và chống ăn mòn của màng sơn;Nó được sử dụng để bôi trơn chống ma sát trong quá trình gia công nguội kim loại.
1. Cơ sở lý luận:
Quá trình photphat hóa bao gồm các phản ứng hóa học và điện hóa.Cơ chế phản ứng phốt phát hóa của các hệ thống và vật liệu phốt phát hóa khác nhau rất phức tạp.Mặc dù các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều về lĩnh vực này nhưng họ vẫn chưa hiểu hết về nó.Cách đây rất lâu, cơ chế hình thành màng phốt phát được mô tả đơn giản bằng một phương trình phản ứng hóa học:
8Fe + 5Me (H2PO4) 2 + 8H2O + H3PO4Me2Fe (PO4) 2 · 4H2O (màng) + Me3 (PO4) · 4H2O (màng) + 7FeHPO4 (cặn) + 8H2 ↑
Me là Mn, Zn, v.v ... Machu, v.v ... tin rằng thép được ngâm trong dung dịch nhiệt độ cao có chứa axit photphoric và dihydro photphat sẽ tạo thành màng photphat tinh thể bao gồm các cặn photphat, và tạo ra cặn sắt photphat và hydro.Giải thích về cơ chế này khá thô và không thể giải thích hoàn toàn quá trình hình thành màng.Với việc dần dần nghiên cứu sâu hơn về phốt phát hóa, ngày nay, các học giả đồng ý rằng quá trình hình thành màng phốt phát hóa chủ yếu bao gồm bốn bước sau:
① Ăn mòn axit làm giảm nồng độ H + trên bề mặt của kim loại cơ bản
Fe - 2e → Fe2 +
2H2－ + 2e → 2 [H] (1)
H2
② Chất tăng tốc (chất oxy hóa)
[O] + [H] → [R] + H2O
Fe2 ++ [O] → Fe3 ++ [R]
Trong công thức, [O] là chất tăng tốc (chất oxy hóa), và [R] là sản phẩm khử.Bởi vì máy gia tốc oxy hóa nguyên tử hydro được tạo ra trong bước đầu tiên của phản ứng, tốc độ của phản ứng (1) được tăng tốc, điều này càng làm cho nồng độ H + trên bề mặt kim loại giảm mạnh.Đồng thời Fe2 + trong dung dịch bị oxi hóa thành Fe3 +.
③ Sự phân ly nhiều tầng của photphat
H3PO4 H2PO4－ + H + HPO42－ + 2H + PO43－ + 3H－ （3）
Do nồng độ H + trên bề mặt kim loại giảm mạnh nên trạng thái cân bằng phân ly của photphat ở mọi mức chuyển sang phải, cuối cùng là PO43 -.
④ Phốt phát kết tủa và kết tinh thành màng phốt phát hóa
Khi PO43 - phân ly khỏi bề mặt kim loại đạt đến hằng số tích số tan Ksp với các ion kim loại (như Zn2 +, Mn2 +, Ca2 +, Fe2 +) trong dung dịch (mặt phân cách kim loại), kết tủa photphat sẽ được tạo thành
Zn2 ++ Fe2 ++ PO43－ + H2O → Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O ↓ （4）
3Zn2 ++ 2PO43－ + 4H2O = Zn3 (PO4) 2 · 4H2O ↓ （5）
Sự kết tủa photphat và các phân tử nước cùng nhau tạo thành hạt nhân tinh thể photphat, tiếp tục phát triển thành các hạt photphat, và vô số hạt được xếp chồng lên nhau để tạo thành một màng photphat về mặt siêu hình.
Phản ứng phụ của sự kết tủa photphat sẽ tạo thành trầm tích photphat hóa
Fe3 ++ PO43－ = FePO4 （6）
Cơ chế trên không chỉ có thể giải thích quá trình hình thành màng phốt phát hóa của chuỗi kẽm, chuỗi mangan và chuỗi kẽm canxi, mà còn hướng dẫn thiết kế công thức và quy trình phốt phát hóa.Từ cơ chế trên có thể thấy rằng chất oxi hóa thích hợp có thể cải thiện tốc độ của phản ứng (2);Nồng độ H + thấp hơn có thể làm cho trạng thái cân bằng phân ly của phản ứng phân ly photphat (3) dễ dàng chuyển sang phải để phân ly PO43 -;Nếu có liên kết bề mặt điểm hoạt động trên bề mặt kim loại, phản ứng kết tủa (4) (5) có thể tạo thành hạt nhân kết tủa photphat mà không cần quá bão hòa;Việc tạo cặn phốt phát phụ thuộc vào phản ứng (1) và phản ứng (2).Nồng độ H + trong dung dịch cao và chất xúc tác mạnh sẽ làm tăng cặn.Theo đó, trong công thức phốt phát hóa thực tế và quá trình thực hiện, bề mặt là: chất gia tốc mạnh thích hợp (chất oxy hóa);Tỷ lệ axit cao (axit tự do tương đối thấp, tức là nồng độ H +);Điều chỉnh bề mặt kim loại để có điểm hoạt động có thể cải thiện tốc độ phản ứng photphat hóa, và có thể nhanh chóng tạo màng ở nhiệt độ thấp hơn.Do đó, cơ chế trên thường được tuân theo khi thiết kế công thức photphat hóa nhanh ở nhiệt độ thấp và lựa chọn máy gia tốc mạnh, tỷ lệ axit cao, quá trình điều chỉnh bề mặt, v.v.
Về trầm tích phốt phát hóa.Vì cặn photphat chủ yếu là FePO4 nên phải giảm lượng Fe3 + để giảm lượng cặn.Có nghĩa là, hai phương pháp được áp dụng: giảm nồng độ H + của dung dịch photphat (độ axit tự do thấp) để giảm quá trình oxy hóa Fe2 + thành Fe3 +.
Cơ chế phốt phát hóa của kẽm và nhôm về cơ bản giống như trên.Tốc độ phốt phát hóa của vật liệu kẽm nhanh, và màng phốt phát hóa chỉ bao gồm phốt phát kẽm và có rất ít cặn lắng.Nói chung, nhiều hợp chất flo hơn được thêm vào quá trình photphat nhôm để tạo thành AlF3 và AlF63 -.Cơ chế của quá trình trùng hợp bước photphat nhôm về cơ bản giống như trên.
2. Phân loại photphat
Có nhiều phương pháp phân loại cho quá trình phốt phát hóa, nhưng chúng thường được phân loại theo hệ thống tạo màng phốt phát hóa, độ dày màng phốt phát hóa, nhiệt độ phốt phát hóa và loại máy gia tốc.
2.1 Phân loại theo hệ thống màng phốt phát
Theo hệ thống tạo màng phốt phát, nó chủ yếu được chia thành sáu loại: hệ kẽm, hệ kẽm canxi, hệ thống kẽm mangan, hệ thống mangan, hệ thống sắt và hệ thống sắt vô định hình.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát kẽm là: Zn2 +, H2PO3 -, NO3 -, H3PO4, chất xúc tiến, ... Thành phần chính của màng phốt phát được hình thành (các bộ phận bằng thép): Zn3 (po4) 2 · 4H2O, Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O.Hạt photphat có hình đuôi gai, dạng hạt và xốp.Nó được sử dụng rộng rãi để sơn lót trước khi sơn, chống ăn mòn và bôi trơn chống ma sát làm việc nguội.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát canxi kẽm là: Zn2 +, Ca2 +, NO3 -, H2PO4 -, H3PO4 và các chất phụ gia khác.Thành phần chính của màng photphat (các bộ phận bằng thép): Zn2Ca (PO4) 2 · 4H2O, Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O, Zn3 (PO4) 2 · 4H2O.Hạt photphat là những hạt nhỏ gọn (đôi khi có hình kim to như hạt) với ít lỗ xốp.Nó được sử dụng để sơn lót và chống ăn mòn trước khi sơn.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát kẽm mangan: Zn2 +, Mn2 +, NO3 -, H2PO4 -, H3PO4 và các chất phụ gia khác.Thành phần chính của màng photphat: Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O, Zn3 (PO4) 2 · 4H2O, (Mn, Fe) 5H2 (PO4) 4 · 4H2O.Các hạt photphat ở dạng tinh thể hỗn hợp tua gai hình kim với ít lỗ rỗng.Nó được sử dụng rộng rãi để sơn lót trước khi sơn, bôi trơn chống ăn mòn và chống ma sát trong quá trình gia công nguội.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát mangan: Mn2 +, NO3 -, H2PO4, H3PO4 và các chất phụ gia khác.Thành phần chính của màng photphat hình thành trên các bộ phận thép: (Mn, Fe) 5H2 (PO4) 4 · 4H2O.Màng phốt phát hóa dày với ít lỗ rỗng và các hạt phốt phát hóa dày đặc.Nó được sử dụng rộng rãi trong việc bôi trơn chống ăn mòn và chống ma sát làm việc nguội.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát sắt: Fe2 +, H2PO4, H3PO4 và các chất phụ gia khác.Thành phần chính của màng phốt phát (phôi thép): Fe5H2 (PO4) 4 · 4H2O.Màng phốt phát hóa dày, nhiệt độ phốt phát hóa cao, thời gian xử lý lâu, màng có nhiều lỗ rỗng và hạt phốt phát hóa dạng hạt.Nó được sử dụng để bôi trơn chống ăn mòn và chống ma sát làm việc nguội.
Thành phần chính của dung dịch bể phốt phát sắt vô định hình: Na + (NH4 +), H2PO4, H3PO4, MoO4 - (ClO3 -, NO3 -) và các chất phụ gia khác.Thành phần chính của màng photphat (các bộ phận bằng thép): Fe3 (PO4) 2 · 8H2O, Fe2O3.Màng photphat mỏng, và cấu trúc màng vi mô là phân bố phẳng của pha vô định hình, chỉ được sử dụng để sơn lót trước khi sơn.
2.2 Phân loại theo độ dày của màng phốt phát hóa
Theo độ dày của màng phốt phát (trọng lượng của màng phốt phát), nó có thể được chia thành bốn loại: trọng lượng nhẹ, trọng lượng nhẹ, trọng lượng nhỏ và trọng lượng nặng.Trọng lượng của màng nhẹ thứ cấp chỉ 0,1 ~ 1,0g / m2.Nói chung, nó là màng phốt phát hệ sắt vô định hình, chỉ được sử dụng để sơn lót trước khi sơn, đặc biệt là đối với các phôi có biến dạng lớn.Màng nhẹ có trọng lượng 1,1 ~ 4,5 g / m2 và được sử dụng rộng rãi để sơn lót trước khi sơn, nhưng ít được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến lạnh và chống ăn mòn.Độ dày của màng phốt phát nặng là 4,6 ～ 7,5 g / m2.Do trọng lượng màng lớn, màng dày (thường> 3 μm) Nó ít được sử dụng làm lớp lót trước khi sơn (chỉ được sử dụng làm lớp lót trước khi sơn đối với các bộ phận cơ bản bằng thép không bị biến dạng), và có thể được sử dụng để chống ăn mòn và gia công nguội để giảm ma sát và bôi trơn.Lớp màng nặng hơn 7,5 g / m2 và không được sử dụng làm lớp sơn lót trước khi sơn.Nó được sử dụng rộng rãi để chống ăn mòn và làm việc lạnh.
2.3 Phân loại theo nhiệt độ xử lý phốt phát hóa
Theo nhiệt độ xử lý, nó có thể được chia thành nhiệt độ bình thường, nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.Phốt phát ở nhiệt độ bình thường là không có phốt phát gia nhiệt.Nhiệt độ xử lý chung của quá trình phốt phát hóa ở nhiệt độ thấp là 30-45 ℃.Phốt phát ở nhiệt độ trung bình thường là 60 ~ 70 ℃.Phốt phát ở nhiệt độ cao thường lớn hơn 80 ℃.Bản thân phương pháp phân chia nhiệt độ không nghiêm ngặt.Đôi khi có phương pháp nhiệt độ dưới trung bình và nhiệt độ dưới cao, tùy theo ý muốn của mỗi người, nhưng cách phân chia trên nói chung là tuân theo.
2.4 Phân loại theo loại máy gia tốc
Vì chỉ có một số loại chất gia tốc phốt phát hóa nên việc hiểu dung dịch tắm theo loại chất xúc tiến sẽ rất hữu ích.Nhiệt độ xử lý photphat nói chung có thể được xác định tùy theo loại chất gia tốc, ví dụ, chất gia tốc NO3 chủ yếu là photphat hóa ở nhiệt độ trung bình.Máy gia tốc chủ yếu được chia thành loại nitrat, loại nitrit, loại clorat, loại nitrua hữu cơ, loại molybdate và các loại chính khác.Mỗi loại máy gia tốc có thể được sử dụng cùng với các máy gia tốc khác, và có nhiều loạt nhánh.Loại nitrat bao gồm: NO3 - loại, NO3 - / NO2 - (loại tự sinh).Các loại clorat gồm: ClO3 -, ClO3 - / NO3 -, ClO3 - / NO2 -.Nitrit gồm: nitroguanidine R - NO2 - / ClO3 -.Loại molypdat bao gồm MoO4 -, MoO4 - / ClO3 -, MoO4 - / NO3 -.
Có nhiều cách để phân loại phốt phát, ví dụ, nó có thể được chia thành các bộ phận thép, bộ phận nhôm, bộ phận kẽm và các bộ phận hỗn hợp theo vật liệu.
2 、 Tiền xử lý trước khi phốt phát hóa
Nói chung, xử lý bằng phốt phát hóa đòi hỏi bề mặt phôi phải là bề mặt kim loại sạch (ngoại trừ hai trong một, ba trong một và bốn trong một).Trước khi phốt phát hóa, các phôi phải được xử lý trước để loại bỏ dầu mỡ, rỉ sét, da ôxít và điều chỉnh bề mặt.Đặc biệt, quá trình photphat hóa để sơn lót trước khi sơn cần phải điều chỉnh bề mặt để bề mặt kim loại có “hoạt động” nhất định, để có được màng photphat đồng nhất, mịn và dày đặc, đáp ứng yêu cầu nâng cao độ bám dính và chống ăn mòn của sơn phim ảnh.Do đó, tiền xử lý bằng phốt phát hóa là cơ sở để thu được màng phốt phát hóa chất lượng cao.
1. Tẩy dầu mỡ
Mục đích của việc tẩy mỡ là loại bỏ dầu mỡ và chất bẩn bám trên bề mặt phôi.Bao gồm cả phương pháp cơ học và phương pháp hóa học.Phương pháp cơ học chủ yếu bao gồm chải thủ công, phun cát và phun bắn, đốt bằng ngọn lửa, ... Phương pháp hóa học chủ yếu bao gồm làm sạch bằng dung môi, làm sạch bằng axit, làm sạch bằng dung dịch kiềm mạnh và làm sạch bằng chất tẩy rửa có tính kiềm thấp.Sau đây mô tả quá trình tẩy dầu mỡ bằng hóa chất.
1.1 Làm sạch bằng dung môi
Phương pháp dung môi thường được sử dụng để tẩy dầu mỡ bằng phương pháp hơi halohydrocarbon không cháy hoặc phương pháp nhũ hóa.Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng trichloroethane, trichloroethylene và hơi perchloroethylene để loại bỏ dầu mỡ.Tẩy dầu mỡ bằng hơi nước nhanh chóng, hiệu quả, sạch sẽ và triệt để và có tác dụng loại bỏ rất tốt các loại dầu mỡ.Thêm một lượng nhũ tương nhất định vào hydrocacbon clo có tác dụng tốt cả trong quá trình ngâm và phun.Do độc tính của các halogen được khử trùng bằng clo và nhiệt độ hóa hơi cao, cũng như sự xuất hiện của các chất tẩy rửa mới có tính kiềm thấp gốc nước, các phương pháp tẩy dầu mỡ bằng hơi dung môi và lotion hiện nay ít được sử dụng.
