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弹簧科普
【概要描述】1弹簧磷化处理的目的和作用磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。它是一种具有晶粒结构的磷酸盐保护层，其厚度远超过氧化膜的厚度，其抗蚀能力为氧化膜的2～10倍。磷化膜在一般大气条件下及在动物油、植物油、矿物油类及某些有机溶剂（如苯、甲苯等）中比较稳定。因此，在上述介质中工作的弹簧，可采用磷化膜作保护层。但磷化膜在酸、碱、海水、氨水及蒸汽的侵蚀下，不能
【概要描述】1弹簧磷化处理的目的和作用磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。它是一种具有晶粒结构的磷酸盐保护层，其厚度远超过氧化膜的厚度，其抗蚀能力为氧化膜的2～10倍。磷化膜在一般大气条件下及在动物油、植物油、矿物油类及某些有机溶剂（如苯、甲苯等）中比较稳定。因此，在上述介质中工作的弹簧，可采用磷化膜作保护层。但磷化膜在酸、碱、海水、氨水及蒸汽的侵蚀下，不能
1弹簧磷化处理的目的和作用
磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。它是一种具有晶粒结构的磷酸盐保护层，其厚度远超过氧化膜的厚度，其抗蚀能力为氧化膜的2～10倍。
磷化膜在一般大气条件下及在动物油、植物油、矿物油类及某些有机溶剂（如苯、甲苯等）中比较稳定。因此，在上述介质中工作的弹簧，可采用磷化膜作保护层。但磷化膜在酸、碱、海水、氨水及蒸汽的侵蚀下，不能防止基体金属的锈蚀，若在磷化表面浸油后，则抗蚀能力可大大提高。磷化膜在400～500℃的温度下，可经受短时间的烘烤。过高的温度则会使磷化膜抗蚀能力降低。因此，某些在高温下工作的弹簧（如炮弹发射部分的弹簧）都采用磷化处理。所以作为给基体金属提供保护的表面处理，可以单独对弹簧进行磷化处理，在一定程度上防止金属被腐蚀。
磷化膜是具有晶粒结构的磷酸盐，它具有显微孔隙，对油漆及油类有很好的附着力，所 以常用于涂装前的预处理，以提高漆层的附着力与防腐蚀能力。磷化膜在金属冷加工工艺中还可起减摩与润滑作用，所以钢丝在冷拔加工前表面也会进行磷化处理。
磷化膜按成膜的主要金属离子可分为：
1）锌系：防腐性能好；
2）锰系：膜较厚，结晶粗，较少用作涂层前处理；
3）锌钙系：耐热，结晶细，沉渣较少而疏松易于排除，成本低；
4）锌锰系、锌锰镍系：镍可提高耐蚀性；
5）铁系：膜层薄，处理快，无渣。
2弹簧磷化处理工艺
（1）磷化处理的主要工艺流程
脱脂→水洗→表调→磷化→水洗→钝化→纯水洗
磷化处理主要原料有：脱脂剂、表调剂、磷化剂、钝化剂等。
1）脱脂：零件上的油脂不仅阻碍了磷化膜的形成，而且在磷化后进行涂装时会影响涂层的结合力、干燥性能、装饰性能和耐蚀性。脱脂阶段主要靠碱性水溶液清洗和表面活性剂除油，最常用的是碱性脱脂剂，其中含有无机碱性化合物和表面活性剂。典型的无机碱性化合物有碱金属的氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐或硅酸盐。
2）表调：表面调整剂是粒子极细的磷酸钛盐的悬浮液，它们对物体表面有极强的吸附作用，吸附在零件表面上形成均匀地吸附层，成为在磷化时结晶晶核。
使用表面调整剂后会产生下列作用：细化磷酸盐晶体，减少磷化层的厚度并缩短磷化时间。
3）磷化：磷化处理溶液是水、磷酸和不同的金属离子（如以Zn、Ni、Mn为主成分）的混合物，同时也加入氧化剂（硝酸盐、亚硝酸盐、氯酸盐等）和氟化物等添加剂。整个磷化过程包含有基体金属的溶解反应、促进剂的加速去极化作用、磷化膜的形成等几个过程。
①金属的溶解过程：磷化开始时，仅有金属的溶解，而无膜生成。即金属基体先与磷化液中的磷酸作用，生成一代磷酸铁，并有大量的氢气析出。其化学反应为；
Fe+2H3PO4=Fe(H2PO4)2+H2↑
②促进剂的加速去极化作用：微阴极部分反应生成氢气而引起的极化使得磷化反应速度渐趋缓慢。为了在合适的时间内完成磷化膜的形成，必须采取一些加速促进措施。较为普遍采用的是添加氧化型化学促进剂，其作用除了促进磷化膜的形成和控制溶液的铁含量外，还可与初生态氢迅速发生反应，减少工件氢脆现象的发生，目前使用较多、效果较好的是亚硝酸钠。由于亚硝酸钠不仅具有氧化性，还具有还原性，在空气中易被氧化失去效用，因此必须在生产中不断添加。其化学反应式为
3Zn(H2PO4)2+Fe+2NaNO2=Zn3(PO4)2+2FePO4+N2↑+2NaH2PO4+4H2O
由于促进剂的添加时会产生沉淀，所以需要缓慢滴加。
③水解反应与磷酸的三级离解：由于金属工件表面的氢离子浓度急剧下降，pH上升，导致离解平衡向右移动，最终导致产生磷酸根。
磷化槽液中基本成分是一种或多种重金属的酸式磷酸盐，其分子式Me(H2PO4)2，这些酸式磷酸盐溶于水，在一定浓度及pH下发生水解反应，产生游离磷酸：
Me(H2PO4)2=MeHPO4+H3PO4
3MeHPO4=Me(PO4)2+H3PO4
H3PO3=H2PO4-+H+=HPO42-+2H+=PO43-+3H+
④磷化膜的形成：上述磷酸根和槽液里的锌离子，铁离子反应生成沉淀。
2Zn2++Fe2++2PO43-+4H2O→Zn2Fe(PO4)2·4H2O↓
3Zn2++2PO43-+4H2O=Zn3Fe(PO4)2·4H2O↓
因此一般磷化膜中存在多种不同成分：Zn3(PO4)2·4H2O（磷锌矿）Zn2Fe(PO4)2·4H2O(磷叶石）、Mn2Zn(PO4)2·4H2O和Ni3(PO4)2·8H2O。
4）钝化：钝化的目的是封闭磷化膜孔隙，提高磷化膜耐蚀性，特别是提高漆膜的整体附着力和耐蚀性。
钝化液有很多种，长期以来，表面处理后一直是采用六价的铬酸盐钝化，但六价铬毒性大，污染环境严重，它的应用已逐渐受到严格控制。因此，人们研究和开发了三价铬（三价铬的毒性大概是六价铬的1％）的钝化剂应用于生产，并取得了良好的效果。无铬钝化工艺是一种可以代替铬酸盐钝化的绿色钝化工艺，其中硫酸锆体系与十八胺体系复合工艺和钼酸盐-磷酸体系相对较好。
5）磷化处理工艺：弹簧磷化处理常用的高温和中温磷化溶液的配方及工艺条件见表1。
表1磷化溶液的配方和工艺条件
工艺类别 | 高温磷化 | 中温磷化 | ||||
1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |
名称 | 含量／（g／L） | |||||
磷酸二氧锰铁盐 | 30~40 | - | 30~45 | 30~40 | - | 30~40 |
磷酸二氧锌 | - | 30~40 | - | - | 30~40 | - |
硝酸锰 | 15~25 | - | 20~30 | - | - | |
硝酸锌 | - | 55~65 | 30~50 | 100~130 | 80~100 | 80~100 |
亚硝酸钠 | - | - | - | - | - | 1~2 |
溶液温度／℃ | 94~98 | 88~95 | 92~98 | 55~70 | 60~70 | 50~70 |
处理时间／min | 15~20 | 8~15 | 10~15 | 10~15 | 10~15 | 10~15 |
总酸度／点① | 36~50 | 40~58 | 48~62 | 85~110 | 60~80 | 60~80 |
游离酸度／点① | 3.5~5 | 6~9 | 10~14 | 6~9 | 5~7.5 | 4~7 |
①总酸度和游离酸度的“点”是指在分析总酸度与游离酸度时，消耗0.1N（当量浓度）的氢氧化钠溶液的毫升数，即中和磷化溶液所需0.1N氢氧化钠溶液的毫升数就是酸度的点数。
（2）对于常用典型的涂装工艺前处理的弹簧磷化工艺说明如下：
磷化工艺步骤：
预脱脂／热水洗→主脱脂→水洗→水洗→表调→磷化→水洗→水洗→钝化→纯水洗
