电解磷化工艺

涂装的电解磷化工艺——环保且具有高的耐腐蚀性冯王高（制造工程部涂装技术室）[摘要]磷化是广泛应用于金属表面处理的一种表面处理工艺。耐腐蚀性是车身表面重要的质量要求之一，磷化层对增强车身涂漆后的耐腐蚀性起着非常重要的作用。因此，世界各地都在进一步研究开发磷化工艺，通过磷化增强车身的耐腐蚀性。此外，由于近几年环保要求越发严格，因此也强烈要求减少磷化过程中产生的磷化渣。为了满足这个要求，我们开发了一种新型磷化技术——电解磷化工艺，这个工艺大大增加了车身涂漆后的耐腐蚀性并且减少了磷化渣的产生量。这个工艺已经在汽车零部件进行阳离子电泳涂装前的表面处理中投入了实际使用。[关键词]磷化电解环保耐腐蚀引言电解磷化是一种表面处理工艺，它是通过将浸没在磷化槽液中的金属和电极之间加上电压来使金属表面形成磷化膜的。这个工艺的特点是通过电解来进行电化学反应即磷化膜的形成。我们开发这项技术的目的是减少磷化渣生成量（环保）以及增强车身涂漆后的耐腐蚀性（提高性能）。最关键一点是除了金属材料表面进行磷化成膜反应外，磷化槽内其余部分都不会进行反应。图1所示为新开发的电解磷化工艺与传统的非电解磷化工艺成膜反应对比。总的来说，磷化膜是经过三个反应步骤之后生成的。①材料（钢铁材料）的溶解；②磷化槽中的化学反应（磷酸盐脱氢等）；③磷酸盐结晶。传统非电解磷化工艺通过加热磷化液以及向磷化槽补加化学药品（例如中和剂和氧化剂）促进这些反应的进行。然而，这些操作会影响整个磷化槽，除了磷化成膜反应外，会不可避免的引发多余的反应，导致磷化渣的产生。电解磷化工艺的基本思想是使磷化槽中的反应只在被处理材料的表面上进行来有效控制磷化膜的生成。此工艺可以使反应能量（电压）集中在被处理材料的表面上，从而阻止了非成膜反应的发生。这样不但能够抑制磷化渣的生成量而且增强了涂漆后的耐腐蚀性。磷化槽中的反应元素磷化渣非电解磷化工艺界面电势电解磷化工艺图1传统非电解磷化工艺与新开发的电解磷化工艺对比车体表面磷化膜形成界面反应界面车体表面膜组成元素膜组成元素磷化槽中没有反应，没有磷化渣的产界面电极外加电压加助剂、加热1电解磷化工艺概要1.1设备及工艺图2所示为我们研究时所用的电解磷化设备：包含一个磷化槽，一个槽控制系统以及一个电解系统。电解磷化过程中的浸泡、电解以及其他工艺条件均是通过这些系统自动控制的。虽然它有磷化渣过滤系统，但是我们认为该设备简化之后也可以达到无渣目标。图3所示为电解磷化的基本概念。首先，被处理材料作为阳极浸没在电泳槽中以使得材料溶解。被溶解之后的部分之后作为阴极促进磷化膜的生成。这个概念是基于以下事实形成的：基本的磷化反应过程包含材料溶解及磷化膜形成两过程。直流电源供应电极控制系统传感器过滤系统被处理零件图2电解磷化设备电极电极被处理材料被处理材料图3电解磷化基本概念阳极电解（30s）阴极电解（90s）1.2磷化渣生成量的减少传统的非电解磷化工艺通过加入像氧化剂和中和剂之类的化学药品以及加热磷化槽来促进磷化反应进行。这些操作使整个磷化槽都产生磷化结晶，导致了磷化渣的生成。相反，电解磷化工艺通过施加电压仅使被处理材料上进行磷化反应。因此，这个工艺不再需要加热磷化槽液以及添加反应助剂。我们研究了仅在被处理材料的表面上施加电压的情况，阻止了任何生成磷化渣的反应发生。1.3材料耐腐蚀性的增强就目前的研究，电解磷化工艺已在阳离子电泳涂装之前的钢材表面处理上得到应用。前处理中磷化的主要目的是通过改善金属表面的化学亲和力来提高涂膜附着力，并且在金属表面生成一层无机膜提高其稳定性（耐腐蚀性）。可以通过增加磷化膜的结晶细度来有效的达到这些目的。对于传统的非电解工艺我们也进行了研究，以期通过控制磷化膜所含成分来提高磷化膜结晶细度。这些研究表明在磷化膜中增加镍的含量可有效提高磷化膜细度，因此也提高了材料涂漆后的耐腐蚀性。然而，在磷化膜中增加镍含量是困难的，这是因为磷化槽中过多镍离子的存在会阻碍磷化膜的生成。在电解磷化工艺中，在被处理材料与电极之间施加了电压，磷化膜通过电解反应生成，这与非电解磷化工艺不相同。因此，此工艺可以既促进磷化膜的生成又促进磷化膜中镍含量的上升。就电解磷化工艺目前的研究而言，磷化槽中的镍离子浓度是传统的磷化工艺的好几倍，电解磷化使磷化膜的组成得到良好控制。2结果2.1磷化渣减少电解磷化工艺的磷化渣减少效应描述如下：图4对一个月的实际生产中电解磷化工艺和非电解磷化工艺产生的磷化渣量进行了比较，把非电解磷化工艺产生的磷化渣量作为当量1。如图所示，电解磷化工艺产生的磷化渣量是非电解工艺的1/10甚至更少。2.2材料耐腐蚀性增强图5对进行电解磷化工艺和非电解磷化工艺后的材料耐腐蚀性能进行了评估比较。这次评估中，将经过两种不同磷化工艺（电解或非电解）的模塑产品（钢材）在进行过阳离子电泳涂装后都进行了耐盐雾试验。经过电解磷化工艺的磷化膜耐腐蚀性比非电解工艺的两倍还高。2.3磷化膜分析2.3.1外观和厚度对电解工艺和非电解工艺形成的磷化膜都进行了分析。图6所示为用扫描电子显微镜（SEM）观察的外观以及用电磁涂层厚度检测仪测试的膜厚。SEM的观察表明电解磷化工艺的磷化膜比非电解磷化工艺结晶更细密。2.3.2磷化膜组成电解工艺以及非电解工艺的磷化膜都经过电子能谱化学分析（ESCA）对其构成要素进行了分析。图7对这两种不同工艺的分析结果进行了比较。电解磷化工艺形成的磷化膜中的镍含量远远大于非电解工艺的磷化膜（它主要由磷酸盐和金属镍组成）。电解磷化工艺形成的磷化膜的镍与磷酸盐的比率比非电解工艺的高出数十倍。这些结果表明：由于具有很高的镍含量，电解磷化工艺的磷化膜更细密，从而保证了喷漆后更高的耐腐蚀性。非电解工艺电解工艺磷化渣产生量对比图4磷化渣减少材料喷涂油漆后的耐腐蚀性测试耐盐雾性ISO9227盐雾测试后的表面情况960h后油漆被腐蚀1940h后非电解工艺电解工艺图5模塑产品（钢材）经电解工艺及非电解工艺后的耐腐蚀性比较3结论我们开发了一项新型磷化技术：“电解磷化工艺”。此工艺已经在汽车零部表面处理投入实际使用。此工艺在汽车零部件的批量生产中已经证实可产生以下效果：1、磷化渣生成量减少（环保效应）电解磷化工艺能把磷化渣的生成量减少至传统非电解工艺的1/10甚至以下。2、涂漆后耐腐蚀性的增强（性能提高效应）电解磷化工艺使得涂漆后的耐腐蚀性能比传统非电解工艺提高两倍以上。从2001年开始电解磷化工艺就投入了实际使用，虽然在报告中省略了，但是电极形状及位置在实际生产中对形成均匀的磷化膜非常重要。译者简介：冯王高：男，2009年毕业于合肥工业大学，初级工程师，主要研究方向为涂装技术。非电解磷化工艺电解磷化工艺原子百分数：Ni/P=0.03大部分由磷酸盐组成由磷酸盐和镍组成原子百分数：Ni/P=1.3图7电解工艺和非电解工艺形成的磷化膜的ESCA分析结果膜厚1.6um电解磷化工艺膜厚1.4um非电解磷化工艺图6电解工艺和非电解工艺形成的磷化膜的外观及厚度