3.6. Тонкослойные химические покрытия. Фосфатные и оксидные защитные пленки

Большинство металлов в атмосферных условиях покрыты оксид­ными пленками. Однако эти пленки не всегда обеспечивают защиту от коррозии.

Методами химической и электрохимической обработки можно создать на поверхности фосфатные или оксидные покрытия, которые обладают высокой адсорбционной способностью, электроизоляци­онными свойствами, повышенной твердостью и износостойкостью. При дополнительной обработке пассивирующими растворами, сма­зочными или лакокрасочными материалами значительно повышает­ся коррозионная стойкость металлов и сплавов.

3.6.1. Фосфатирование

Технология процесса фосфатирования проста. Фосфатирование применяют для черных и цветных металлов и оно состоит в обра­зовании малорастворимых фосфатов железа, марганца или цинка. Основан метод на свойствах солей фосфорной кислоты. Фосфорная кислота — Н₃РО₄ — может образовывать три вида солей:

• однозамещенные - дигидрофосфаты Ме(Н₂РО4)2;

• двухзамещенные - моногидрофосфаты МеНРО4;

• трехзамещенные - фосфаты Ме₃(РО4Ь (где Ме — двухвалентный металл).

В воде растворяются только фосфаты аммония и щелочных ме­таллов. Двух- и трехзамещенные фосфаты железа, марганца и цинка малорастворимы. Следовательно, если создать условия для их обра­зования, то они будут оставаться на поверхности металла.

При взаимодействии металла с фосфорной кислотой первона­чально образуются дигидрофосфаты:

Ме + 2Н₃РО₄ = Ме(Н₂РО)₂ + Н₂

При снижении концентрации фосфорной кислоты получают вто­ричные и третичные соли:

Ме(Н₂РО₄)₂ = МеНРО₄ + Н₃РО₄

ЗМе(Н₂РО₄)₂ = Ме₃(РО₄)₂ + 4Н₃РО₄

В образовании фосфатной пленки участвуют продукты взаимо­действия фосфорной кислоты с металлом и вещества, входящие в состав раствора для фосфатирования.

Предполагается, что образованию фосфатной пленки предше­ствуют реакции ионизации железа:

Fе = Fе²⁺ + 2е и выделение водорода:

2Н⁺ + 2е = Н₂

Железо, переходящее в раствор, связывает фосфорную кислоту и равновесие реакций смещается вправо. Выпадающие в осадок ди- и трифосфаты кристаллизуются на поверхности стального изделия, образуя плотную кристаллическую пленку.

Фосфатирование заканчивается после того, как вся поверхность покроется сплошной пленкой и выделение водорода прекратится. Фосфатные пленки обладают хорошей адгезией, имеет высокораз­витую шероховатую поверхность. Они являются хорошим грунтом для нанесения лакокрасочных покрытий и пропитывающих смазок. Фосфатирование используют для изделий, которые эксплуатируют в морской воде, в тропических районах. Недостатком фосфатных пле­нок является низкая прочность и эластичность. Они имеют короткий срок эксплуатации.

3.6.2. Оксидирование

Оксидирование — это процесс образования оксидных пленок на поверхности металлических изделий.

Современный метод оксидирования — химическая и электрохи­мическая обработка деталей в щелочных растворах.

Электрохимическое оксидирование ведут в растворе 4 %-го едко­го натра при 65-120 °С и анодной плотности тока от 2,5 до 10 А/дм². Продолжительность анодной обработки не превышает 60 минут.

Качественное покрытие состоит из магнитной окиси железа, по­лучающейся в результате последовательных превращений:

Fе -> Nа₂ FеО₂ → Nа₂Fе₂О₄ -> Fе₃О₄

Оксидирование черных металлов носит также название вороне­ния. Его осуществляют в растворе состава (г/л): NаОН — 600-700; — 200-250; — 50-100. Температура — 135-145 °С, время 30-90 мин. В процессе происходит растворение железа с об­разованием соединений Ма₂РеО₂ и Ка₂Ре₂О4, из которых образуется поверхностная пленка оксида железа — FезО₄:

Nа₂FеО₂ + Nа₂Fе₂О₄ + 2Н₂О = Fе₃О₄ + 4NаОН

Оксидная пленка на малоуглеродистой стали имеет глубокий чер­ный цвет, а на высокоуглеродистых сталях — черный с сероватым оттенком. Для повышения антикоррозионных свойств оксидирован­ное изделие погружают на 2-3 мин в горячий 2-3 %-й раствор мыла, а затем на 5-10 мин в минеральное трансформаторное или машин­ное масло при температуре 105-120 °С. После этой операции по­верхность покрытия становится блестящей, с равномерной черной окраской. Возможно оксидирование и магниевых сплавов — в хро­мовокислых электролитах с последующим нанесением лакокрасоч­ных покрытий. Толщина оксидных пленок составляет 0,8-1,5 мкм.

Противокоррозионные свойства поверхностной пленки оксидов невысоки, поэтому область применения этого метода ограничена. Основное назначение его — декоративная отделка. Почти все стрел­ковое оружие и ряд точных приборов подвергают воронению, в ре­зультате чего изделия приобретают красивый черный цвет. Воро­нение используют и в том случае, когда необходимо сохранить ис­ходные размеры изделия, так как оксидная пленка составляет всего 1,0-1,5 микрона.