齿轮组件氧化磷化工艺实践

李庆春　刘莉　李芳

摘 要：文章介绍了齿轮组件在氧化磷化过程中经常出现的问题，通过加强来件检查、更换腐蚀槽液、加强氧化磷化后的清洗、吹干等手段，解决了齿轮组件氧化磷化后表面发红、生锈等问题，提高了零件一次交检合格率95%以上。

关键词：镀铜；后处理；颜色差异

引言

在齿轮组件上，按照设计要求进行氧化磷化处理，主要目的是为了提高零件的减磨润滑性和耐蚀性。该件基体材料为12Cr2Ni4A，由两个齿轮通过销钉过盈配合组成。该零件在氧化磷化后，零件小孔处（销钉连接处）及零件接缝处经常出现不同程度的锈蚀、发红、腐蚀点等现象，氧化磷化后表面外观质量差，导致零件的一次交检合格率非常低，仅为50%。零件需要机械打磨法才能去除干净，大大延长了生产周期。通过加强来件检查、控制前处理弱腐蚀槽液、加强磷化后零件的清洗及干燥等过程控制，使零件一次加工合格率由50%提高至95%以上 ，降低了返修率，缩短了加工周期，提高产品质量，保证了生产进度。

1 氧化磷化膜形成的基本原理

磷酸盐处理溶液的基本组分是重金属磷酸二氢盐（磷酸二氢锌、磷酸二氢镁、磷酸二氢铁、磷酸二氢钙等），氧化剂同时还必须存在有游离磷酸。在一定温度下，溶液中各组分达成如下的平衡：

4Me2++3H3PO42-=MeHPO4+Me3（PO4）2+5H

同时由于铁在磷酸里溶解，氢离子被中和时放出氢气。

Fe+2H+=Fe2++H2

产生的不溶性磷酸盐沉积在金属表面上，因为它们就是在反应处生成的，所以和表面结合的很牢固。

同时，机体金属和一带磷酸盐之间可以直接发生反应：

Me（H2PO4）2+Fe=MeHPO4+FeHPO4+H2

二价铁、锌、锰的一代磷酸盐是易溶的，而除了二代磷酸锌微溶外，其他二代磷酸盐不溶于水。于是这些盐沉积在金属表面上，结果生成在介质中不溶解的膜。

由于预处理过的新鲜钢铁表面浸入溶液中，与游离磷酸发生反应，不断产生氢气，同时铁也不断溶于溶液中。于是，金属与液体界面处的Ph不断升高，同时生成不溶性的MeHPO4、Me3（PO4）2、MeFePO4等沉淀物和结晶，这些物质不断地自溶液中析出沉积在新鲜的钢铁表面上，逐渐形成磷酸盐膜。

2 氧化磷化的工艺过程

氧化磷化主要工艺流程：来件检查→有机溶剂除油→化学除油→热水洗→冷水洗→弱浸蚀→冷水洗→氧化磷化→热水洗→冷水洗→填充处理→热水洗→冷水洗→干燥→憎水处理→晾干→烘干→检查。

2.1 来件检查

基体材料的表面状态影响氧化磷化表面质量，因此，磷化前注意要逐件检查零件外观，零件表面应无氧化皮、锈蚀、腐蚀、压伤、划伤、毛刺、锐边等机械损伤，无任何肉眼可见的冶金缺陷。

2.2 有机溶剂除油

常用的有机溶剂有航空洗涤汽油和丙酮，在进行化学除油前将零件采用有机溶剂进行粗除油，以去除表面大部分油污。

2.3 化学除油

化学除油采用碱液除油，常用的碱性溶液一般由四种钠盐组成，即氢氧化纳（主盐）、磷酸钠（助洗剂）、碳酸钠（缓冲剂）、硅酸钠（乳化剂）。将零件放在含有氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠、硅酸钠的混合溶液中，在（60-80）℃下，放置（10-30）min。

2.4 弱腐蚀

主要目的是将金属表面上的锈斑和氧化膜除去，露出基体金属，以保证膜层的完整性。将零件放入盐酸+若丁溶液中，室温下腐蚀（1-2）min。

2.5 氧化磷化

采用含有硝酸钡、硝酸锌、磷酸二氢锌的溶液进行氧化磷化，可以在形状复杂的零件表面获得均匀细致的膜层，且该膜层厚度较薄，对零件基体尺寸影响较小。

2.6 填充处理

因为氧化磷化膜层结构为多孔结构，为了提高氧化磷化膜层的耐蚀性，需要将氧化磷化后的零件进行填充处理。将磷化后的零件放入含有重铬酸钾的溶液中，在（80～85）℃下保持（5～10）min。

2.7 憎水处理

为了提高氧化磷化膜层的耐蚀性，将零件进行憎水处理浸入136-41或BH-102憎水液中（3～5）min，在室温下晾30min，然后在（100～130）℃烘干箱中保持60min。

2.8 除氢

零件在弱腐蚀和氧化磷化过程中都可能在镀层和基体金属的晶格中渗氢，而氢的深入，往往造成的不仅是质量的某种降低，而且还包括材料的脆性和在某些条件下的突然断裂。因此，必须进行除氢处理避免氢脆的影响。

3 原因分析

该类零件基体材料为12Cr2Ni4A，表面处理工序为氧化磷化。该类型的零件在氧化磷化后，零件小孔处及零件接缝处经常出现不同程度的锈蚀、发红及表面出现黑腐蚀点等现象，盐酸化学法除锈后仍会出现此种现象，需要机械打磨法才能去除干净，氧化磷化后表面外观质量差，并大大延长了生产周期。零件表面产生锈蚀、发红及黑腐蚀点的原因：（1）零件为结构钢，且零件为渗碳零件，耐蚀性相对差。酸碱溶液与基体反应，造成零件腐蚀。（2）来件检查不到位。由于主制车间保管等问题导致零件氧化磷化加工前就存在黑色腐蚀点、磕碰伤等缺陷，如不在氧化磷化前消除，氧化磷化后肯定存在。（3）由于该条生产线并不是氧化磷化专用的生产线，铜件腐蚀、管子腐蚀等均用该槽液，致使前处理弱腐蚀槽液铜离子等杂质较多，导致零件在进行弱腐蚀时表面发生置换反应，表面产生铜，导致零件表面发红。（4）该件为组合件，由两个齿轮过盈配合组成。零件虽为过盈配合组成，但仍留有一定的缝隙，零件经过前处理碱液除油和酸弱腐蚀时等工序时，槽液中的碱或酸在零件缝隙内会少量残留，导致基体锈蚀。（5）零件为组合件，清洗较困难且吹干不彻底，使零件缝隙中残留溶液，造成零件腐蚀。

4 解决措施

针对分析出的原因，制定如下措施：（1）加强来件表面检查工序。在氧化磷化前应逐个检查零件表面，对发现有磕碰伤、黑腐蚀点等现象的零件，要求主制车间及时打磨修复好后再进行下道工序。（2）加强对氧化磷化前零件表面的清理。若零件表面状态不好，采用机械法打磨后进行汽油浸泡除油，尽量不采用化学方法除油及弱腐蚀工序，避免酸碱进入零件缝隙内。否则，需要加强对零件的清洗。（3）如采用弱腐蚀工序，需要定期对槽液进行更换，避免由于槽液中铜离子等杂质的存在导致零件表面出现发红现象。（4）加强对氧化磷化后零件的清洗，可采用两道流动冷水洗，后再采用高压水枪对零件尤其是孔及接缝处进行冲洗，以清除弱酸性的氧化磷化溶液；（5）吹干时采用洁净的热压缩空气着重对准零件孔、接缝处吹，使零件无溶液或水残留，使零件彻底干燥。

5 生产验证

在采取如上措施后氧化磷化膜层表面无发红、生锈、黑点等现象，零件均100%合格发出，达到了预期要求。

6 结束语

通过对齿轮组件氧化磷化的攻关试验，采用加强来件表面检查、加强对前处理弱腐蚀槽液的控制、加强氧化磷化后的清洗及吹干等措施，解决了齿轮组件氧化磷化后表面发红、生锈、有黑点等问题，使零件的一次交检合格率由50%提高至95%以上，大大地缩短了加工周期，成功地提高了产品的质量，保证了生产进度。

参考文献

[1]电镀讲义下册[M].北京航空学院，1971.

[2]电镀与氧化工艺基础讲义下册[M].南昌航空工业学校，1974.

[3]电镀技术[M].四川人民出版社，1976.

[4]零件表面处理后的憎水处理研究[J].北航材料系.

[5]гост9.402-80.涂油漆涂层前金属表面的准备[Z].

作者简介：李庆春（1973，2-），女，籍贯：辽宁北镇，高工，研究方向：表面处理技术。