¿Qué es la fosfatación?
La fosfatación es un tratamiento de superficies En este proceso, un material entra en contacto con una solución fosfatada, formando un recubrimiento de conversión de fosfato sobre la superficie metálica mediante reacciones químicas y electroquímicas. El recubrimiento de fosfato está compuesto por una serie de cristales insolubles en agua de diferentes tamaños. En las uniones entre estos cristales se forman finas estructuras porosas. Esta estructura cristalina porosa mejora la capacidad de adsorción superficial, la resistencia a la corrosión, la reducción de la fricción, las propiedades antiagarrotamiento y la resistencia al desgaste de la pieza.
El fosfatado se puede aplicar a materiales como el acero, el hierro fundido, el aluminio, el zinc, el magnesio y sus aleaciones.
El fosfatado de superficies metálicas cumple principalmente dos funciones.
- La primera función es servir de capa base para la pintura o el recubrimiento, mejorando así la adherencia del recubrimiento y la calidad del acabado superficial.
- El segundo objetivo es mejorar y potenciar las propiedades funcionales de la superficie metálica, como aumentar el aislamiento eléctrico, la lubricidad, reducir la fricción, mejorar la resistencia a la corrosión y al desgaste. En muchos componentes mecánicos y elementos de fijación, el fosfatado busca mejorar la funcionalidad de la superficie, especialmente la resistencia a la corrosión y el rendimiento antiagarrotamiento.
Tipos de fosfatación
En la mayoría de los casos, un proceso de tratamiento superficial produce un único aspecto o color característico. Sin embargo, los tratamientos de fosfatado pueden generar diferentes colores según los productos químicos utilizados y la aplicación prevista. Por ello, las superficies fosfatadas suelen presentar acabados grises, iridiscentes o negros.
Fosfatado de hierro
Tras el tratamiento, el fosfatado a base de hierro produce un aspecto iridiscente o azulado similar al arcoíris, razón por la cual a menudo se le denomina fosfatado de color.
La solución de fosfatado se basa principalmente en compuestos de molibdato y forma un recubrimiento de fosfato iridiscente sobre la superficie del acero. Este tipo de fosfatado se utiliza principalmente como capa de pretratamiento para aplicaciones de pintura o recubrimiento, mejorando la resistencia a la corrosión y aumentando la fuerza de adhesión entre el sustrato y los recubrimientos posteriores.
Fosfatado de zinc
El fosfatado de zinc generalmente produce un recubrimiento de color gris y, por lo tanto, se le suele denominar fosfatado gris o fosfatado de película gris.
La solución de fosfatado se compone principalmente de ácido fosfórico, fluoruro de sodio, emulsionantes y aditivos relacionados. Se forma un recubrimiento de fosfato gris en la superficie de la pieza de trabajo y se utiliza principalmente como capa base para procesos de acabado posteriores, como recubrimiento en polvo, pintura en aerosol y revestimiento electroforético.
El recubrimiento de fosfato gris proporciona, por sí mismo, cierto grado de resistencia a la corrosión. Por lo tanto, también puede utilizarse de forma independiente como recubrimiento anticorrosivo en superficies de componentes. El fosfatado de zinc se aplica comúnmente a láminas de acero galvanizado, láminas de acero laminado en frío y láminas de aluminio.
Fosfatado de manganeso
El fosfatado con manganeso produce un acabado superficial negro o gris oscuro y, por lo tanto, también se conoce como fosfatado negro.
Este proceso utiliza soluciones de fosfatado que contienen iones de manganeso, los cuales forman una capa de fosfato negro sobre la superficie de la pieza. Entre todos los tratamientos de fosfatado, el fosfatado con manganeso ofrece la mejor protección contra la corrosión. Puede utilizarse como tratamiento anticorrosión a largo plazo para componentes mecánicos y es uno de los procesos de fosfatado protector más utilizados.
En comparación con otros recubrimientos de fosfatado, los de fosfato de manganeso presentan un coeficiente de fricción menor. Por lo tanto, el fosfatado negro es especialmente adecuado para componentes sometidos a fricción o contacto deslizante frecuentes, ya que reduce eficazmente el desgaste y la fricción. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen componentes de automoción, elementos de fijación y diversas piezas mecánicas móviles.
Solución de fosfatación
Según el tipo de material y el propósito del fosfatado, se pueden seleccionar diferentes formulaciones de soluciones de fosfatado. Los sistemas de fosfatado más comunes incluyen formulaciones a base de zinc, zinc-manganeso y manganeso. Según la temperatura de operación, se pueden clasificar como soluciones de fosfatado a temperatura ambiente, baja temperatura (40–50 °C), temperatura media (60–80 °C) y alta temperatura (85–100 °C).
En piezas mecánicas y elementos de fijación, el fosfatado se utiliza principalmente para mejorar la funcionalidad de la superficie. Por ello, se suelen emplear sistemas de fosfatado de zinc-manganeso y manganeso a temperaturas medias o altas. Actualmente, la mayoría de los fabricantes de fosfatado utilizan soluciones de fosfatado de zinc-manganeso, que generalmente cumplen con los requisitos industriales.
Tabla 1. Formulaciones de fosfatado de zinc.
| Componente (g/L) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sal de fosfato de manganeso y hierro (sal de parkerización) [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-45 | 30-35 | 30-40 | - | 30-35 |
| Fosfato dihidrógeno de zinc [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O] | 30-40 | - | - | - | 30-40 | - |
| Nitrato de zinc [Zn(NO₃)₂·6H₂O] | 80-100 | 100-130 | 80-100 | - | 55-65 | 55-65 |
| Nitrato de manganeso [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 20-30 | - | 15-25 | - | - |
| Nitrato de níquel [Ni(NO₃)₂·6H₂O] | - | - | - | - | - | - |
| Acidez libre (AF) (puntos) | 5.0-7.5 | 6-9 | 5-7 | 3.5-5.0 | 6-9 | 5-8 |
| Acidez total (AT) (puntos) | 60-80 | 85-100 | 50-70 | 35-50 | 40-58 | 40-60 |
| Temperatura (° C) | 60-70 | 55-70 | 60-70 | 94-98 | 90-95 | 90-98 |
Para productos de grado nuclear, se requiere específicamente un tratamiento con fosfato de manganeso. A continuación se muestran las formulaciones recomendadas para el fosfatado de manganeso.
Tabla 2 Formulaciones de fosfatado de manganeso
| Componente (g/L) | Fórmula 1 | Fórmula 2 |
|---|---|---|
| Fosfato de manganeso [Mn(H₂PO₄)₂] | 20-30 | - |
| Ácido fosfórico (85% H₃PO₄) | 2-3 | - |
| Ácido nítrico (HNO₃) | 4-6 | - |
| Fluoroborato de sodio (NaBF₄) | 1 | - |
| EDTA | 0.6 | - |
| Sal de fosfato de manganeso y hierro [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-40 |
| Nitrato de manganeso [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 15-25 |
| FA (puntos) | 3-5 | 3.5-5 |
| TA (puntos) | 35-45 | 35-50 |
| Temperatura (° C) | 75-80 | 94-98 |
Componentes principales en las soluciones de fosfatado
(1) Fosfato dihidrógeno de zinc [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O]
El dihidrogenofosfato de zinc es una excelente sal básica para sistemas de fosfatado de zinc-manganeso. Su principal ventaja es la rápida formación de la película, aunque su concentración debe controlarse adecuadamente. Un aumento en su contenido también incrementa la acidez de la solución de fosfatado.
(2) Sal parkerizante [xFe(H₂PO₄)·yMn(H₂PO₄)₂]
También conocida como sal de fosfato de hierro y manganeso, la sal de parkerización favorece una fosfatación rápida, una fuerte resistencia a la corrosión, una formación cristalina uniforme y un buen aspecto del recubrimiento. Sin embargo, su uso prolongado puede provocar el envejecimiento de la solución, durante el cual los iones Mn²⁺ se oxidan a Mn⁷⁺, reduciendo la calidad de la fosfatación.
(3) Nitrato de manganeso [Mn(NO₃)₂·6H₂O]
El nitrato de manganeso aporta principalmente iones Mn²⁺ al baño de fosfatado. Se suele utilizar junto con la sal de parkerización para aumentar la velocidad de reacción del fosfatado, reducir la temperatura de tratamiento y mejorar la estabilidad del recubrimiento.
(4) Nitrato de níquel [Ni(NO₃)₂·6H₂O]
El níquel favorece la formación de núcleos de cristales de fosfato de níquel en las superficies de acero, acelerando la formación de la película de fosfato. Además, refina y homogeneiza la estructura del recubrimiento, mejorando la resistencia a la corrosión y el aspecto de la superficie.
(5) Nitrato de zinc [Zn(NO₃)₂·6H₂O]
El nitrato de zinc actúa principalmente como acelerador de fosfatación al suministrar iones Zn²⁺ y NO₃⁻. Aumenta la velocidad de fosfatación, refina la estructura cristalina, mejora la resistencia a la corrosión y estabiliza el baño de fosfatación. Sin embargo, su concentración debe controlarse estrictamente.
Procesos de fosfatado
El proceso de fosfatado funcional para materiales de acero generalmente incluye los siguientes pasos:
Desengrasado químico → Enjuague con agua → (Decapado) → Enjuague con agua → Acondicionamiento de la superficie → Fosfatado → Enjuague con agua → (Pasivación) → (Jabonado) → Enjuague con agua → (Enjuague con agua desionizada) → Secado → (Tratamiento de deshidrogenación) → Sellado con aceite
(*Los procesos entre paréntesis son opcionales.)
1. Desengrasado químico
Antes del fosfatado, las superficies de las piezas inevitablemente contienen grasa y aceite. La contaminación por aceite aumenta la tensión superficial, inhibe la formación de la película de fosfato, reduce la fuerza de adhesión del recubrimiento y provoca un fosfatado irregular. Por lo tanto, es fundamental eliminar el aceite superficial antes del fosfatado para garantizar la calidad del recubrimiento.
Los métodos de desengrase se seleccionan según el estado de la superficie, el costo y los requisitos del tratamiento de aguas residuales. Se pueden utilizar disolventes orgánicos, desengrasantes ácidos y desengrasantes ligeramente alcalinos, siendo estos últimos los más comunes.
2. Enjuague con agua
Este paso elimina los contaminantes residuales que quedan del proceso de desengrase y limpia la superficie de la pieza de trabajo.
3. Decapado
El decapado se utiliza principalmente para eliminar la cascarilla de óxido y el óxido de las piezas. Para superficies mecanizadas libres de cascarilla y óxido, este paso puede omitirse. Para aplicaciones de alta calidad, también puede ser necesario un tratamiento de neutralización después del decapado.
4. Enjuague con agua
Este paso elimina los residuos que quedan después del decapado y limpia la superficie de la pieza de trabajo.
5. Acondicionamiento de la superficie
El acondicionamiento superficial consiste en activar la superficie de la pieza en una solución que contiene agentes acondicionadores antes del fosfatado. Esto limpia aún más la superficie, mejora su actividad y genera numerosos núcleos de cristal ultrafinos, lo que optimiza la formación de cristales de fosfato y mejora la uniformidad, la densidad y la calidad del recubrimiento.
Según su formulación, los agentes acondicionadores pueden ser alcalinos, ácidos o estar especialmente diseñados para sistemas de fosfato de manganeso. El acondicionamiento de la superficie es obligatorio para los productos de grado nuclear.
6. Fosfatado
La fosfatación es la etapa más fundamental y crítica del proceso y, por lo tanto, requiere el control de calidad más estricto.
La composición de la solución de fosfatado debe controlarse rigurosamente según los requisitos del proceso. Tras un uso prolongado, la composición del baño puede variar debido al envejecimiento y la formación de lodos. En este caso, es necesario realizar análisis químicos y ajustar la solución.
Los cambios en la composición del baño también se reflejan en variaciones de la acidez total (AT) y la acidez libre (AL). Por lo tanto, el monitoreo de la AT y la AL es un método eficaz para el control del baño.
La temperatura del baño es otro factor clave que afecta la calidad del fosfatado. La temperatura influye en la velocidad de formación del recubrimiento y en el espesor de la película.
- Las temperaturas excesivamente altas aceleran las reacciones, engrosan la estructura cristalina, aumentan la porosidad y reducen la resistencia a la corrosión.
- Las temperaturas excesivamente bajas ralentizan la formación del recubrimiento y reducen su espesor, lo que dificulta el cumplimiento de los requisitos del proceso.
7. Enjuague con agua
Este paso elimina los residuos de la superficie fosfatada. Para obtener piezas fosfatadas de alta calidad, se debe utilizar agua desionizada para evitar la formación de depósitos minerales en el recubrimiento de fosfato.
8. Pasivación
La pasivación disuelve las regiones sobresalientes del recubrimiento de fosfato, lo que uniformiza su morfología y rendimiento. Además, reduce la porosidad del recubrimiento, mejorando así su resistencia a la corrosión y al desgaste.
Formulaciones típicas de pasivación:
Fórmula 1
- Na₂CO₃: 4–6 g/L
- Temperatura: 80–85 ° C
- Tiempo de inmersión: 5–10 minutos
Fórmula 2:
- CrO₃: 1–3 g/L
- Temperatura: 75–85 ° C
- Tiempo de inmersión: 8–12 minutos
Fórmula 3:
- K₂Cr₂O₇: 50–80 g/L
- pH: 2-4
- Temperatura: 60–80 ° C
- Tiempo de inmersión: 8–12 minutos
9. Tratamiento con jabón
El proceso de saponificación consiste en sumergir la pieza fosfatada en una solución de estearato de sodio (jabón). Se produce una reacción de saponificación entre el recubrimiento de fosfato y el estearato de sodio, formando una película jabonosa que reduce la porosidad y mejora la resistencia a la corrosión.
Para piezas fosfatadas de uso general, el tratamiento con jabón puede sustituir a la pasivación.
Formulaciones comunes de jabón
Fórmula 1:
- Jabón: 80–100 g/L
- Temperatura: 40–50 ° C
- Tiempo de inmersión: 10–20 minutos
Fórmula 2:
- Jabón: 6–8 g/L
- Temperatura: 80–90 ° C
- Tiempo de inmersión: 3–5 minutos
Tras la inmersión, la superficie debe secarse antes de su uso.
10. Secado
El objetivo del secado es eliminar la humedad de la superficie fosfatada de la pieza. Se debe prestar especial atención a los orificios y ranuras, donde el agua residual puede causar corrosión.
Los métodos de secado pueden incluir el secado natural o el secado en horno, dependiendo del tipo de recubrimiento y la geometría de la pieza de trabajo.
11. Tratamiento de deshidrogenación
Durante el proceso de fosfatado se genera hidrógeno. Inevitablemente, algunos átomos de hidrógeno quedan atrapados en la capa de fosfato. Estos átomos de hidrógeno residuales pueden reducir la resistencia a la corrosión y, potencialmente, provocar fragilización por hidrógeno.
Aunque la cantidad de hidrógeno residual es relativamente pequeña, puede reducir la tenacidad del material, especialmente en materiales de alta resistencia.
Por lo tanto, los materiales de alta resistencia utilizados en componentes críticos deben someterse a un tratamiento de deshidrogenación después del fosfatado. Por ejemplo, en productos para centrales nucleares, los materiales con una resistencia a la tracción superior a 1450 MPa deben someterse a un tratamiento térmico a 100 °C ± 5 °C durante más de 8 horas después del fosfatado.
12. Sellado de aceite
El sellado con aceite consiste en sumergir las piezas fosfatadas en aceite, preferiblemente caliente a 80-100 °C, durante 3-4 minutos. Esto forma una película de aceite en toda la superficie y permite que el aceite penetre en los poros del recubrimiento de fosfato, mejorando significativamente la resistencia a la corrosión y la durabilidad a largo plazo.
Para los componentes de las centrales nucleares, también se puede aplicar grasa lubricante que contenga disulfuro de molibdeno (excepto en las piezas que estén en contacto con los fluidos del circuito primario) o grafito para proporcionar protección de sellado.
Control de calidad de la fosfatación
La inspección de la calidad del recubrimiento de fosfato generalmente incluye pruebas de apariencia, espesor del recubrimiento, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste.
Inspeccion de Apariencia
La inspección visual evalúa el color, la continuidad y la integridad del recubrimiento.
Bajo un nivel de iluminación de 500 lx (aproximadamente equivalente a la iluminación sobre la superficie de un componente situado a 30 cm de una bombilla de 100 W), la inspección visual debería confirmar que el recubrimiento de fosfato es uniforme, continuo y está libre de discontinuidades o manchas.
Los distintos materiales y métodos de fosfatado pueden producir diferentes colores de recubrimiento. Si existen requisitos de color específicos, la formulación de fosfatado debe seleccionarse adecuadamente con antelación.
Inspección del espesor del recubrimiento
Para piezas críticas, el espesor del recubrimiento de fosfato debe medirse después del tratamiento.
- Los medidores de espesor magnéticos pueden utilizarse para materiales ferrosos.
- También se pueden utilizar métodos de sección transversal metalográfica.
Debido a que los recubrimientos de fosfato son delgados y quebradizos, se deben tomar precauciones durante la preparación de las muestras para evitar el redondeo de los bordes o la deslaminación del recubrimiento.
Inspección del peso del recubrimiento
Esta prueba mide la masa del recubrimiento por unidad de superficie (g/m²).
La fórmula de cálculo es: W = [P1 – P2)/S]*10
Lugar:
- ( W ) — masa de recubrimiento por unidad de área, g/m²
- ( P1 ) — masa de la muestra después del fosfatado, mg
- ( P2 ) — masa de la muestra después de la eliminación del recubrimiento, mg
- ( S ) — superficie total de la muestra, cm²
El espesor del recubrimiento también puede estimarse aproximadamente a partir del peso del mismo.
Tabla 3 Relación aproximada entre el espesor del recubrimiento y el peso del recubrimiento
| Espesor del recubrimiento (μm) | 1-2 | 2-4 | 4-6 | 6 |
|---|---|---|---|---|
| Peso del recubrimiento (g/m²) | 1-2 | 2.2-4.4 | 6-9 | 12 |
Pruebas de resistencia a la corrosión
La resistencia a la corrosión se evalúa principalmente mediante el uso de medios corrosivos.
Prueba de corrosión del cloruro de sodio
Tras almacenar la muestra fosfatada en una cámara de secado durante 48 horas, se sumerge en una solución de NaCl al 3 % a 15-25 °C durante 1 hora. Después de enjuagar y secar, no debería aparecer corrosión visible.
Prueba puntual de sulfato de cobre
Según la norma GB/T 5936, se aplica una solución de sulfato de cobre sobre la superficie del recubrimiento de fosfato. No debe aparecer ningún depósito de cobre rojo dentro del tiempo especificado.
Composición típica de reactivos:
- CuSO₄: 5–8%
- Equilibrio: agua
Prueba del spray de sal
Según la norma GB/T 10125, las muestras fosfatadas se exponen a una niebla salina en una cámara de corrosión. No debe aparecer corrosión durante el tiempo de ensayo especificado.
Prueba de resistencia al desgaste
Las pruebas de resistencia al desgaste pueden realizarse según la norma GB/T 5932, utilizando métodos de fricción en seco o en húmedo.
Los métodos de inspección específicos y los criterios de aceptación deben seleccionarse de acuerdo con los requisitos de aplicación de la pieza.
Planificación de procesos para la fosfatación
Dado que el fosfatado suele ser el proceso de fabricación final, deben cumplirse las siguientes condiciones antes del tratamiento:
- Deben completarse todos los procesos de fabricación, incluida la soldadura y el tratamiento térmico.
- Todas las inspecciones y pruebas requeridas deben completarse y cumplir con las especificaciones técnicas.
- El proceso de mecanizado final previo al fosfatado debe garantizar que las dimensiones, tolerancias, geometría y rugosidad superficial cumplan con los requisitos del plano. Para piezas de alta precisión, se debe considerar un margen para el aumento del espesor del recubrimiento.
- Rugosidad de la superficie El proceso previo al fosfatado afecta significativamente la calidad del recubrimiento.
En condiciones de fosfatación idénticas:
- Las superficies más lisas son menos susceptibles a la corrosión en el baño de fosfatado, lo que da como resultado una formación de recubrimiento más lenta, recubrimientos más delgados, un color más claro y estructuras más densas.
- Las superficies más rugosas tienden a formar recubrimientos más gruesos y oscuros, pero la uniformidad del recubrimiento disminuye y la estructura se vuelve más porosa.
Por lo tanto, se deben seleccionar cuidadosamente las especificaciones de rugosidad superficial adecuadas según los requisitos de la aplicación.
