金属磷化工艺与设备
4.12.1 前言
随着我国表面技术的发展，人们对外表质量的追求越来越高。其中磷化工艺在金属的前处理中发挥着重要的作用，已经引起了人们的高度重视。特别是我国加入WTO以后，各项技术都面临着新的挑战，都需要进一步提高。磷化作为一项重要的工业技术也不例外。在金属磷化方面，人们把主要精力用到了其工艺的研究上，而磷化设备的报道并不多见。笔者在本文中将磷化工艺流程和设备结合起来，作了综合性的说明。
4.12.2 磷化工艺流程
为了彻底地清除金属工件表面的锈蚀、氧化皮、油污以及工件夹缝和孔隙内的残留杂质，以避免发生缝隙腐蚀。笔者对传统的磷化工艺流程作了改进，改进后的工艺流程为：预脱脂→脱脂→热水洗→冷水洗→超声波除锈(磷酸)→水洗→表调处理→磷化→水洗→超声波漂洗→去离子水洗→烘干。
在金属磷化工艺中，对磷化膜的影响因素很多，有游离酸度、总酸度、酸比、催化剂含量、主盐浓度、磷化温度、磷化时间以及其它成份及含量(如稀土元素等)等等。因为这些影响因素已作过大量报道，下面主要介绍工艺流程中的超声波除锈、表调处理和超声波漂洗的作用。
4.12.2.1 超声波除锈
本工艺流程中的超声波除锈由传统的盐酸除锈改成以15%的磷酸作介质并加适量除油剂的除油除锈。一方面使工件表面的锈蚀、氧化皮和油污在超声波的“空化”效应下，在较短的时间内就能清洗干净(大约需要2～3min)；另一方面在工件表面生成一层难溶性的磷酸盐薄膜，此膜在磷化时起晶核作用，提高了磷化膜的质量。下面是在不同温度下加超声波和不加超声波的除锈速度的比较，见图4-12-1。
a.加超声波的除锈速度曲线 b.不加超声波的除锈速度曲线
图4-12-1 不同温度下除锈速度的比较
4.12.2.2 表调处理
所谓表调处理，就是将金属工件在磷化前放在含有胶态磷酸钛盐的溶液中进行活化处理。表调处理能够消除前处理中的表面缺陷，增加磷化形核的活性点，使磷化膜均匀、致密，提高磷化膜与基体的结合力和耐蚀性；并且能够加快金属的磷化速度，缩短磷化时间，降低磷化材料的消耗，减少磷化渣的生成。金属磷化前的表调处理是不可缺少的。但是，表调处理的时间不宜过长，否则会使磷化膜粗大，易产生黄斑。下面是经过表调处理和不经表调处理的表面状态照片的比较，见图4-12-2。
a.经过表调处理 b.不经过表调处理
图4-12-2 表面状态的SEM照片
4.12.2.3 超声波漂洗
金属工件在脱脂、除锈、表调以及磷化工序中渗透到其夹缝和孔隙内的残留液和杂质很难被排出，而且水洗又不能完全清除干净，在湿热条件下，这些杂质极易使工件生锈、泛黄以及发生缝隙腐蚀。为了彻底解决这一问题，采用超声波漂洗，利用超声波“无孔不入”的特点和“空化”作用，使金属工件夹缝和孔隙内的残留液和杂质清除干净，达到后续加工的质量要求。
4.12.3 磷化处理设备
在金属工件的磷化处理设备中，有两个方面的问题需要研究和改进。一是磷化渣的生成是不可避免的，而且生成的磷化渣很难除去，它不仅影响了磷化膜的质量，而且带来了极大的经济损失。所以应对磷化除渣设备进行改进，以达到及时除掉磷化过程中产生的磷化渣；二是磷化液的温度对磷化膜的影响很大，这就需要严格控制磷化液的温度，也就是需要设计一套合理的换热设备。下面就这两个方面来探讨磷化设备的改进和设计。
图4-12-3为磷化设备的设计原理示意图。
图4-12-3 磷化设备的设计原理示意图
4.12.3.1 磷化除渣设备
金属工件磷化处理中，磷化渣的生成是不可避免的，必须设计一套比较理想的除渣设备，以保证能够正常生产。本设计方案是采用循环过滤和高位自然沉降相结合的方法来除渣的。在正常工作的同时，用循环泵H2把磷化液打到安装有过滤网的过滤槽中进行过滤除渣，经过滤后的磷化液再经过泵H4打到板式换热器中进行加热，然后喷淋到工件表面进行磷化处理；在每天工作结束后，用泵H 将磷化液打到高位沉淀槽内进行自然沉降除渣，第二天工作之前将高位沉淀槽内澄清的磷化液打回磷化槽，剩下的浑浊磷化液经过滤机过滤处理。此装置经使用效果较好。
4.12.3.2 磷化换热设备
本设计方案中磷化液的换热设备采用的是板式换热器。此设备和传统的加热管组换热设备相比，解决了加热管组换热的加热不均匀导致磷化渣增多和磷化渣沉在加热管上而使加热管散热不良而烧坏的缺点。板式换热器采用的换热介质是热水，温度控制在70～80℃之间。通过自动控制仪，对热水循环泵（H6）的启停进行控制，从而控制磷化液的温度。采用板式换热器能够大大提高磷化液的化学稳定性和温度均匀性，有利于得到质量较好的磷化膜。板式换热器是一种先进、高效、节能的换热设备，**适合作为磷化液的换热设备。
4.12.3.3 板式换热器和管路中磷化渣的清洗
磷化液在板式换热器和管路中进行流动时，无疑也会生成一些磷化渣，这些磷化渣日积月累，到达一定程度势必造成管路堵塞并影响磷化液的换热效果。所以必须及时清理这些磷化渣。本设计方案采用稀HNO3进行清洗。在每天工作结束后，启动酸洗泵H5，此时阀门N9、N10、N12、N14、N15、N16、N19、N20、N21、N23必须全部关闭，使酸洗槽内的稀硝酸在板式换热器和管路内循环流动，来清洗其中的磷化渣。清洗大约5min，关闭阀门N11和N13，打开阀门N12和N14，用水洗槽中的自来水清洗残留液，**后用去离子水彻底清洗板式换热器和管路。
4.12.4 小结
金属的磷化处理应用到工业领域已经100多年了，发挥了重大作用。高效节能、低温处理、控制污染是磷化工艺的发展方向，为了达到更好的磷化效果，不仅需要改进其工艺条件，还应改进其主要设备。