超声波磷化工艺研究

（沈阳理工大学, 辽宁 沈阳 110159）

0 前言

金属及其合金经磷化处理，生成磷酸盐转化膜。该膜既可以起临时性的防腐作用，又可作为油漆底层，增强油漆与基体金属的结合力及油漆的耐蚀性。为了保证磷化这些要求，就必须有优质的磷化膜及磷化工艺。传统的磷化处理一般采取浸磷或喷淋的方式，处理方式的局限性导致复杂工作的边角，孔等部位不易清洗磷化，而且各种处理剂控制不当易对工件产生腐蚀，清理用过的废水需处理，同时能耗特别大。超声波应用于磷化处理工艺中，不仅可以解决上述问题，而且该工艺集超声波除油，除锈，磷化于一体，具有金属表面净化程度高，磷化速度快，污染低，能耗小等特点，还具有槽液成分简单，容易控制等优点。有利于简化了工艺流程，降低了劳动强度，所形成的磷化膜特别适用于漆前的表面处理，同时超声波能加速晶核的形成过程，抑制晶体生长而得到更加均匀细致的晶粒。基于此，本文进行超声波磷化工艺研究

1 超声波磷化原理

超声波磷化设备主要由超声波发生器和换能器构成，超声波发生器（电源）将50Hz的工频电通过逆变转化成20KHz以上的高频电送到换能器上。超声波换能器固定在工位槽的底板上或槽壁上，换能器的压电元件可将电能转换成强有力的高频振动，这种频率振幅很小，约几微米至几十微米，但具有很高的加速度。当多个换能器被施加相同频率及电位电压时，就与槽液形成高频往复振动（共振），并在槽液中传播，适当条件下产生空化作用。空化作用极易在固液相界面产生，具有很强的穿透固体和液体的能力，因而对浸没在液面下的工件内外表面均能以物理作用进行超常清洗，能促进磷化反应均匀地进行；超声波的强烈搅拌能使磷化反应过程中产生的氢气加速脱离工件表面，从而使工件表面始终与新鲜溶液接触，使工件表面极化现象彻底消失；超声波对结晶过程的晶粒细化作用。超声波能加速晶核的形成过程，抑制晶体生长而得到更加均匀的晶粒。其原因是由于空化使晶团、树枝状结晶破碎和分散，使每一个晶体形成许多新的晶核，从而加速了反应过程；从能量的角度来看，超声波是一种独特的能量形式。在磷化过程中，铁的溶解属于放热反应，而磷酸二氢锌的水解沉积成膜过程则是吸热反应。在常（低）温下，前者不足以补充后者，必须为磷化提供外动力，超声波空化产生的巨大能量和局部高温则为此提供外动力。

2 超声波磷化参数分析

超声波磷化效果与槽液温度、超声波的功率密度、超声波频率等参数密不可分。在制定磷化实验条件时应充分给与考虑。

采用超声波磷化，一般槽液温度控制在25～30℃时效果最好，温度升高或降低都不利于磷化质量；

超声波的功率密度越高，磷化速度快，磷化效果好；反之亦然。

超声波的频率越小，空化作用易产生，空化作用强。采用超声波磷化，一般要视工件形状选择合适的工艺参数，使各种因素协同作用处于最佳状态，才能达到最佳的磷化效果。

3 磷化实验方法研究

3.1 实验材料

将58SiMn钢制成 10× 10mm 的金相试样，经磨光，抛光和浸蚀后进行不同方案的磷化处理。

3.2 磷化液成份

超声波磷化液选用常温锌系磷化液，其组成为：Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO-3 (7g/L)；促进剂 (2g/L)，总酸度14～20点，游离酸度1.0～1.5点。

常温磷化液，其组成为： Zn2+(5g/l)； po3-4(414g/l)； NO- 3 (7g/L)；促进剂 (2g/L)，总酸度14～20点，游离酸度1.0～1.5点。

中温磷化液，选用军品现行使用的磷化液，其代号为 DZ-93，总酸度 13～18点，游离酸度0.8～1.2点。

3.3 实验工艺流程制定

工艺 A：常温磷化工艺流程：化学除油—水洗—酸洗—表面调整—磷化—水洗—干燥 温度：25～30℃，时间：10～15(min)。

工艺 B：超声波磷化工艺流程：超声波除油—水洗—超声波除锈—水洗—超声波磷化—水洗—干燥 温度：25～30℃，时间：≤3(min)。

工艺 C：中温磷化处理工艺流程：除油—水洗—表面调整—磷化—水洗—干燥 温度：50～70℃，时间：3～5(min)。

3.4 耐腐蚀和附着力测试

耐腐蚀采用3%NaCl，未涂油和漆；附着力测试采用划圈法。

4 实验结果分析

用金相显微镜观察磷化膜的形核，长大和膜层形成的整个过程。发现在试样浸入超声波磷化液的瞬间，试样表面生成一层彩虹色钝化膜，接着在晶界或界内的某些活性点形核。随着浸渍时间的延长，晶核在晶界和晶内长大，这种晶核生长的位向与钢的原始组织没有任何关系。在晶核长大的同时，又有一些新晶核形成并长大，最后松针状结晶覆盖整个表面，整个反应，（溶解与沉淀）趋于动态平衡，磷化膜完全生成。

常温磷化液不加超声波，所得磷化膜结晶粗大，外观颜色发白，有浮灰，整个反应时间长。

在中温磷化液中，磷化膜的形核，长大和生长过程与超声波磷化相似，只不过活性中心少，结晶较大，磷化膜完全生成的时间较长。不同的工艺流程下，磷化膜的外观状态、膜重及耐腐蚀性参数如表1～1。

通过金相显微镜观察可知，加入超声波场后，磷化膜晶核数量明显增多，结晶更加细致，抗腐蚀性增强，附着力为一级。

表1-1 不同工艺条件下磷化膜的参数

5 结论

超声波磷化工艺由于不使用强酸除油、除锈，从源头上解决了酸雾对工件和车间锈蚀等问题。超声波磷化液成分简单，易于调整控制，可在常（低）温条件下操作，从而节省大量原材料。加入超声波场后获得的磷化膜外观成灰黑色，膜层均匀，薄而紧致（膜重在0.5～2g/m2），磷化速度大大加快（可在3min内完成），所获得的磷化膜具有良好的抗腐蚀能力，其抗蚀能力比中温磷化膜提高 1倍。超声波磷化金属工件不但提高工件磷化质量，也提高了工件的后续加工质量，超声波磷化工艺的研究对超声波对金属磷化的应用有着重要的作用。

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