Che cos'è la fosfatazione?
La fosfatazione è un trattamento della superficie In questo processo, un materiale entra in contatto con una soluzione fosfatante, formando un rivestimento di conversione fosfatica sulla superficie metallica attraverso reazioni chimiche ed elettrochimiche. Il rivestimento fosfatico è costituito da una serie di cristalli insolubili in acqua di diverse dimensioni. In corrispondenza delle giunzioni tra questi cristalli si formano fini strutture porose. Questa struttura cristallina porosa migliora la capacità di adsorbimento superficiale, la resistenza alla corrosione, le prestazioni di riduzione dell'attrito, le proprietà antigrippaggio e la resistenza all'usura del pezzo.
La fosfatazione può essere applicata a materiali come acciaio, ghisa, alluminio, zinco, magnesio e le loro leghe.
La fosfatazione delle superfici metalliche serve principalmente a due scopi.
- La prima funzione è quella di fungere da strato di base per la verniciatura o il rivestimento, migliorando così l'adesione del rivestimento e la qualità della finitura superficiale.
- Il secondo scopo è quello di migliorare e potenziare le proprietà funzionali della superficie metallica, come ad esempio aumentare l'isolamento elettrico, la lubrificazione, ridurre l'attrito, la resistenza alla corrosione e all'usura. Per molti componenti meccanici e dispositivi di fissaggio, lo scopo della fosfatazione è quello di migliorare la funzionalità della superficie, in particolare la resistenza alla corrosione e le prestazioni antigrippaggio.
Tipi di fosfatazione
Nella maggior parte dei casi, un processo di trattamento superficiale produce un solo aspetto o colore caratteristico. Tuttavia, i trattamenti di fosfatazione possono produrre colori diversi a seconda delle specifiche sostanze chimiche utilizzate e dell'applicazione prevista. Di conseguenza, le superfici fosfatate si presentano comunemente con finiture grigie, iridescenti o nere.
Fosfatazione del ferro
Dopo il trattamento, la fosfatatura a base di ferro produce un aspetto iridescente o bluastro simile a un arcobaleno, motivo per cui viene spesso definita fosfatatura colorata.
La soluzione di fosfatazione è principalmente a base di composti di molibdato e forma un rivestimento fosfatico iridescente sulla superficie dell'acciaio. Questo tipo di fosfatazione viene utilizzato principalmente come strato di pretrattamento per applicazioni di verniciatura o rivestimento, migliorando la resistenza alla corrosione e aumentando la forza di adesione tra il substrato e i rivestimenti successivi.
Fosfatazione dello zinco
La fosfatazione allo zinco produce generalmente un rivestimento di colore grigio e viene quindi comunemente chiamata fosfatazione grigia o fosfatazione a film grigio.
La soluzione di fosfatazione è composta principalmente da acido fosforico, fluoruro di sodio, emulsionanti e additivi correlati. Sulla superficie del pezzo si forma un rivestimento fosfatico grigio che viene utilizzato principalmente come strato di base per successivi processi di finitura come verniciatura a polvere, verniciatura a spruzzo e rivestimento elettroforetico.
Il rivestimento fosfatico grigio di per sé offre anche un certo grado di resistenza alla corrosione. Pertanto, può essere utilizzato anche autonomamente come rivestimento anticorrosivo sulle superfici dei componenti. La fosfatazione allo zinco viene comunemente applicata a lamiere di acciaio zincato, lamiere di acciaio laminato a freddo e lamiere di alluminio.
Fosfatazione del manganese
La fosfatazione al manganese produce una finitura superficiale nera o grigio scuro ed è quindi nota anche come fosfatazione nera.
Questo processo utilizza soluzioni fosfatanti contenenti ioni di manganese, che formano un rivestimento di fosfato nero sulla superficie del pezzo. Tra tutti i trattamenti di fosfatazione, la fosfatazione al manganese offre le migliori prestazioni di prevenzione della ruggine. Può fungere da trattamento anticorrosione a lungo termine per componenti meccanici ed è uno dei processi di fosfatazione protettiva più diffusi.
Rispetto ad altri rivestimenti fosfatanti, i rivestimenti al fosfato di manganese presentano un coefficiente di attrito inferiore. Pertanto, la fosfatazione nera è particolarmente adatta per componenti soggetti a frequenti attriti o contatti di scorrimento, in quanto riduce efficacemente l'usura e l'attrito. Le applicazioni tipiche includono componenti automobilistici, elementi di fissaggio e diverse parti meccaniche in movimento.
Soluzione fosfatante
A seconda del tipo di materiale e dello scopo della fosfatazione, è possibile selezionare diverse formulazioni di soluzioni fosfatanti. I sistemi di fosfatazione più comuni includono formulazioni a base di zinco, zinco-manganese e manganese. In base alla temperatura di esercizio, possono essere classificate come soluzioni fosfatanti a temperatura ambiente, a bassa temperatura (40–50 °C), a media temperatura (60–80 °C) e ad alta temperatura (85–100 °C).
Per i componenti meccanici e gli elementi di fissaggio, la fosfatazione ha principalmente lo scopo di migliorare la funzionalità superficiale. Pertanto, si utilizzano comunemente sistemi di fosfatazione a base di zinco-manganese e manganese a media o alta temperatura. Attualmente, la maggior parte dei produttori di fosfatazione utilizza soluzioni di fosfatazione a base di zinco-manganese, che generalmente soddisfano i requisiti industriali.
Tabella 1 Formulazioni di fosfatazione dello zinco
| Componente (g/L) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sale di fosfato di manganese e ferro (sale di parkerizzazione) [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-45 | 30-35 | 30-40 | - | 30-35 |
| fosfato monozinco [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O] | 30-40 | - | - | - | 30-40 | - |
| Nitrato di zinco [Zn(NO₃)₂·6H₂O] | 80-100 | 100-130 | 80-100 | - | 55-65 | 55-65 |
| Nitrato di manganese [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 20-30 | - | 15-25 | - | - |
| Nitrato di nichel [Ni(NO₃)₂·6H₂O] | - | - | - | - | - | - |
| Acidità libera FA (punti) | 5.0-7.5 | 6-9 | 5-7 | 3.5-5.0 | 6-9 | 5-8 |
| Acidità totale TA (punti) | 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 |
Per i prodotti di grado nucleare, è richiesto specificamente un trattamento con fosfato di manganese. Le formulazioni di fosfatazione al manganese raccomandate sono riportate di seguito.
Tabella 2 Formulazioni di fosfatazione al manganese
| Componente (g/L) | Formula 1 | Formula 2 |
|---|---|---|
| Fosfato di manganese [Mn(H₂PO₄)₂] | 20-30 | - |
| Acido fosforico (85% H₃PO₄) | 2-3 | - |
| Acido nitrico (HNO₃) | 4-6 | - |
| Fluoroborato di sodio (NaBF₄) | 1 | - |
| EDTA | 0.6 | - |
| Sale di fosfato di manganese e ferro [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-40 |
| Nitrato di manganese [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 15-25 |
| FA (punti) | 3-5 | 3.5-5 |
| TA (punti) | 35-45 | 35-50 |
| Temperatura (° C) | 75-80 | 94-98 |
Componenti principali nelle soluzioni di fosfatazione
(1) Diidrogenofosfato di zinco [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O]
Il fosfato monozinco è un eccellente sale basico per i sistemi di fosfatazione zinco-manganese. Il suo principale vantaggio è la rapida formazione del film, sebbene la concentrazione debba essere opportunamente controllata. Un aumento del suo contenuto, infatti, incrementa anche l'acidità della soluzione di fosfatazione.
(2) Sale parkerizzante [xFe(H₂PO₄)·yMn(H₂PO₄)₂]
Conosciuto anche come sale di fosfato di ferro e manganese, il sale di parkerizzazione favorisce una fosfatazione rapida, un'elevata resistenza alla corrosione, una formazione cristallina uniforme e un buon aspetto del rivestimento. Tuttavia, un uso prolungato può causare l'invecchiamento della soluzione, durante il quale gli ioni Mn²⁺ si ossidano in Mn⁷⁺, riducendo la qualità della fosfatazione.
(3) Nitrato di manganese [Mn(NO₃)₂·6H₂O]
Il nitrato di manganese fornisce principalmente ioni Mn²⁺ al bagno di fosfatazione. Viene spesso utilizzato insieme al sale di parkerizzazione per aumentare la velocità della reazione di fosfatazione, ridurre la temperatura di trattamento e migliorare la stabilità del rivestimento.
(4) Nitrato di nichel [Ni(NO₃)₂·6H₂O]
Il nichel favorisce la formazione di nuclei cristallini di fosfato di nichel sulle superfici in acciaio, accelerando la formazione del film di fosfato. Inoltre, affina e omogeneizza la struttura del rivestimento, migliorando la resistenza alla corrosione e l'aspetto superficiale.
(5) Nitrato di zinco [Zn(NO₃)₂·6H₂O]
Il nitrato di zinco agisce principalmente come acceleratore di fosfatazione fornendo ioni Zn²⁺ e NO₃⁻. Aumenta la velocità di fosfatazione, affina la struttura cristallina, migliora la resistenza alla corrosione e stabilizza il bagno di fosfatazione. Tuttavia, la sua concentrazione deve essere rigorosamente controllata.
Processi di fosfatazione
Il processo di fosfatazione funzionale per i materiali in acciaio generalmente comprende le seguenti fasi:
Sgrassaggio chimico → Risciacquo con acqua → (Decapaggio) → Risciacquo con acqua → Condizionamento superficiale → Fosfatazione → Risciacquo con acqua → (Passivazione) → (Saponettaggio) → Risciacquo con acqua → (Risciacquo con acqua deionizzata) → Asciugatura → (Trattamento di deidrogenazione) → Sigillatura con olio
(*I processi tra parentesi sono facoltativi.)
1. Sgrassaggio chimico
Prima della fosfatazione, le superfici dei pezzi contengono inevitabilmente contaminanti di grasso e olio. La contaminazione da olio aumenta la tensione superficiale, inibisce la formazione del film di fosfato, riduce la forza di adesione del rivestimento e causa una fosfatazione non uniforme. Pertanto, è necessario rimuovere gli oli superficiali prima della fosfatazione per garantire la qualità del rivestimento.
I metodi di sgrassaggio vengono selezionati in base alle condizioni della superficie, al costo e ai requisiti di trattamento delle acque reflue. Possono essere utilizzati solventi organici, sgrassanti acidi e sgrassanti leggermente alcalini, con questi ultimi che risultano i più comuni.
2. Risciacquo con acqua
Questo passaggio rimuove i contaminanti residui rimasti dal processo di sgrassaggio e pulisce la superficie del pezzo.
3. Decapaggio
Il decapaggio viene utilizzato principalmente per rimuovere scaglie di ossido e ruggine dai pezzi lavorati. Per le superfici lavorate prive di scaglie e ruggine, questo passaggio può essere omesso. Per applicazioni di alta qualità, dopo il decapaggio potrebbe essere necessario anche un trattamento di neutralizzazione.
4. Risciacquo con acqua
Questo passaggio rimuove i residui rimasti dopo il decapaggio e pulisce la superficie del pezzo.
5. Condizionamento delle superfici
Il condizionamento superficiale consiste nell'attivare la superficie del pezzo in una soluzione contenente agenti condizionanti prima della fosfatazione. Questo processo pulisce ulteriormente la superficie, ne migliora l'attività e forma numerosi nuclei cristallini ultrafini, affinando la formazione dei cristalli di fosfato e migliorando l'uniformità, la densità e la qualità del rivestimento.
A seconda della formulazione, gli agenti condizionanti possono essere alcalini, acidi o specificamente progettati per i sistemi a base di fosfato di manganese. Il condizionamento superficiale è obbligatorio per i prodotti di grado nucleare.
6. Fosfatazione
La fosfatazione è la fase più fondamentale e critica del processo e pertanto richiede il controllo di qualità più rigoroso.
La composizione della soluzione di fosfatazione deve essere rigorosamente controllata entro i limiti di processo. Dopo un utilizzo prolungato, la composizione del bagno può variare a causa dell'invecchiamento e della formazione di fanghi. In questa fase, sono necessarie analisi chimiche e un adeguamento della soluzione.
Le variazioni nella composizione del bagno si riflettono anche nelle variazioni di acidità totale (TA) e acidità libera (FA). Pertanto, il monitoraggio di TA e FA è un metodo efficace per il controllo del bagno.
La temperatura del bagno è un altro fattore chiave che influenza la qualità della fosfatazione. La temperatura incide sulla velocità di formazione del rivestimento e sullo spessore del film.
- Temperature eccessivamente elevate accelerano le reazioni, ingrossano la struttura cristallina, aumentano la porosità e riducono la resistenza alla corrosione.
- Temperature eccessivamente basse rallentano la formazione del rivestimento e ne riducono lo spessore, rendendo difficile il rispetto dei requisiti di processo.
7. Risciacquo con acqua
Questo passaggio rimuove i residui dalla superficie fosfatata. Per ottenere componenti fosfatati di alta qualità, è necessario utilizzare acqua deionizzata per evitare la formazione di depositi minerali sul rivestimento fosfatico.
8. Passivazione
La passivazione dissolve le regioni sporgenti del rivestimento di fosfato, rendendo la morfologia e le prestazioni del rivestimento più uniformi. Riduce inoltre la porosità del rivestimento, migliorando così la resistenza alla corrosione e all'usura.
Formulazioni tipiche per la passivazione:
Formula 1
- Na₂CO₃: 4–6 g/L
- Temperatura: 80–85°C
- Tempo di immersione: 5–10 min
Formula 2:
- CrO₃: 1–3 g/L
- Temperatura: 75–85°C
- Tempo di immersione: 8–12 min
Formula 3:
- K₂Cr₂O₇: 50–80 g/L
- pH: 2-4
- Temperatura: 60–80°C
- Tempo di immersione: 8–12 min
9. Trattamento con sapone
Il processo di saponificazione consiste nell'immergere il pezzo fosfatato in una soluzione di stearato di sodio (sapone). Tra il rivestimento di fosfato e lo stearato di sodio si verifica una reazione di saponificazione che forma una pellicola di sapone che riduce la porosità e migliora la resistenza alla corrosione.
Per i componenti fosfatati di uso generale, la pulizia con sapone può sostituire la passivazione.
Formulazioni comuni per la produzione di sapone
Formula 1:
- Sapone: 80–100 g/L
- Temperatura: 40–50°C
- Tempo di immersione: 10–20 min
Formula 2:
- Sapone: 6–8 g/L
- Temperatura: 80–90°C
- Tempo di immersione: 3–5 min
Dopo l'immersione, la superficie deve essere asciugata prima dell'uso.
10. Essiccazione
Lo scopo dell'asciugatura è rimuovere l'umidità dalla superficie del pezzo fosfatato. Occorre prestare particolare attenzione a fori e scanalature, dove l'acqua residua potrebbe causare corrosione.
I metodi di asciugatura possono includere l'asciugatura naturale o l'asciugatura in forno, a seconda del tipo di rivestimento e della geometria del pezzo.
11. Trattamento di deidrogenazione
Durante la fosfatazione si genera idrogeno. Alcuni atomi di idrogeno rimangono inevitabilmente intrappolati all'interno del rivestimento di fosfato. Questi atomi di idrogeno residui possono ridurre la resistenza alla corrosione e potenzialmente causare infragilimento da idrogeno.
Sebbene la quantità di idrogeno residuo sia relativamente piccola, può ridurre la tenacità del materiale, soprattutto nei materiali ad alta resistenza.
Pertanto, i materiali ad alta resistenza utilizzati nei componenti critici devono essere sottoposti a un trattamento di deidrogenazione dopo la fosfatazione. Ad esempio, nei prodotti per l'energia nucleare, i materiali con una resistenza alla trazione superiore a 1450 MPa devono essere sottoposti a un trattamento termico a 100 °C ±5 °C per più di 8 ore dopo la fosfatazione.
12. Tenuta dell'olio
La sigillatura con olio prevede l'immersione dei pezzi fosfatati in olio, preferibilmente olio caldo a 80-100 °C, per 3-4 minuti. Questo processo forma una pellicola d'olio su tutta la superficie e permette all'olio di penetrare nei pori del rivestimento fosfatico, migliorando significativamente la resistenza alla corrosione e la durata nel tempo.
Per i componenti delle centrali nucleari, per garantire la tenuta, si può applicare anche un grasso lubrificante contenente disolfuro di molibdeno (ad eccezione delle parti a contatto con i fluidi del circuito primario) o grafite.
Controllo di qualità della fosfatazione
L'ispezione della qualità del rivestimento fosfatico generalmente include l'aspetto, lo spessore del rivestimento, la resistenza alla corrosione e i test di resistenza all'usura.
Ispezione dell'aspetto
L'ispezione estetica valuta il colore, la continuità e l'integrità del rivestimento.
Con un livello di illuminazione di 500 lx (approssimativamente equivalente all'illuminazione di una superficie del componente situata a 30 cm da una lampadina da 100 W), l'ispezione visiva dovrebbe confermare che il rivestimento di fosfato è uniforme, continuo e privo di discontinuità o macchie.
Materiali e metodi di fosfatazione diversi possono produrre colorazioni di rivestimento differenti. Qualora sussistano requisiti cromatici specifici, la formulazione di fosfatazione deve essere selezionata preventivamente in modo appropriato.
Ispezione dello spessore del rivestimento
Per i pezzi critici, lo spessore del rivestimento di fosfato deve essere misurato dopo il trattamento.
- Per i materiali ferrosi si possono utilizzare spessimetri magnetici.
- Possono essere utilizzati anche metodi metallografici in sezione trasversale.
Poiché i rivestimenti fosfatici sono sottili e fragili, è necessario adottare precauzioni durante la preparazione del campione per evitare l'arrotondamento dei bordi o il distacco del rivestimento.
Ispezione del peso del rivestimento
Questo test misura la massa del rivestimento per unità di superficie (g/m²).
La formula di calcolo è: W = [P1 – P2)/S]*10
Dove:
- ( W ) — massa del rivestimento per unità di area, g/m²
- ( P1 ) — massa del campione dopo fosfatazione, mg
- ( P2 ) — massa del campione dopo la rimozione del rivestimento, mg
- ( S ) — superficie totale del campione, cm²
Lo spessore del rivestimento può essere stimato approssimativamente anche in base al suo peso.
Tabella 3 Relazione approssimativa tra spessore del rivestimento e peso del rivestimento
| Spessore del rivestimento (μm) | 1-2 | 2-4 | 4-6 | 6 |
|---|---|---|---|---|
| Peso del rivestimento (g/m²) | 1-2 | 2.2-4.4 | 6-9 | 12 |
Test di resistenza alla corrosione
La resistenza alla corrosione viene valutata principalmente utilizzando agenti corrosivi.
Test di corrosione del cloruro di sodio
Dopo essere stato conservato in una camera di essiccazione per 48 ore, il campione fosfatato viene immerso in una soluzione di NaCl al 3% a 15–25 °C per 1 ora. Dopo il risciacquo e l'asciugatura, non dovrebbe comparire alcuna corrosione visibile.
Test rapido del solfato di rame
Secondo la norma GB/T 5936, una soluzione di solfato di rame viene applicata a gocce sulla superficie del rivestimento fosfatico. Entro il tempo specificato non dovrebbe comparire alcun deposito di rame rosso.
Composizione tipica del reagente:
- CuSO₄: 5–8%
- Equilibrio: acqua
Test di nebbia salina
Secondo la norma GB/T 10125, i campioni fosfatati vengono esposti a nebbia salina in una camera di corrosione. Non dovrebbe comparire alcuna corrosione entro la durata di prova specificata.
Test di resistenza all'usura
Le prove di resistenza all'usura possono essere eseguite secondo la norma GB/T 5932 utilizzando metodi di attrito a secco o a umido.
I metodi di ispezione specifici e i criteri di accettazione devono essere selezionati in base ai requisiti di applicazione del pezzo.
Pianificazione del processo di fosfatazione
Poiché la fosfatazione è in genere la fase finale del processo produttivo, prima del trattamento devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:
- Tutti i processi di produzione, compresi la saldatura e il trattamento termico, devono essere completati.
- Tutte le ispezioni e le prove richieste devono essere completate e conformi alle specifiche tecniche.
- La lavorazione finale prima della fosfatazione deve garantire che dimensioni, tolleranze, geometria e rugosità superficiale soddisfino i requisiti di disegno. Per i pezzi di alta precisione, occorre considerare un margine per l'aumento dello spessore del rivestimento.
- Ruvidezza della superficie prima della fosfatazione influisce significativamente sulla qualità del rivestimento.
In condizioni di fosfatazione identiche:
- Le superfici più lisce sono meno soggette a corrosione nel bagno di fosfatazione, il che si traduce in una formazione del rivestimento più lenta, rivestimenti più sottili, colori più chiari e strutture più dense.
- Le superfici più ruvide tendono a formare rivestimenti più spessi e scuri, ma l'uniformità del rivestimento diminuisce e la struttura diventa più porosa.
Pertanto, le specifiche di rugosità superficiale appropriate devono essere selezionate con cura in base ai requisiti dell'applicazione.
