Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОСФАТИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА

Изобретение относится к химической обработке поверхности металла, в частности железокобальтовых сплавов, для получения адгезионного и электроизоляционного покрытия толщиной 3-5 мкм.

Поиск по источникам научно-технической и патентной информации показал, что вопросы фосфатирования железокобальтового сплава освещены в работе сотрудников Саратовского Государственного университета им. Чернышевского (Сернов Ю.В., Ильина Л.К., Кучинская М.М. Анодное фосфатирование железокобальтового сплава/ Защита металлов, 1985, т. 11, с. 287-289). В данной работе для анодного фосфатирования железокобальтового сплава 49КФ-2 ВИ предложен раствор: 1,7 М H₃PO₄+0,12 М HNO₃ + М 0,12 М NaF+0,85 М Zn²⁺ + NaOH до pH 2,3, позволяющий реализовать ускоренное (5-10 мин) получение коррозионно-стойких покрытий.

С другой стороны, основная часть патентной информации посвящена вопросам получения фосфатных покрытий для защиты от коррозии. К таким способам, в частности, относятся следующие изобретения, заявленные от ОАО «ФК».

Способ получения фосфатного покрытия, включающий обработку металлической поверхности раствором, содержащим ионы цинка, никеля, фосфата и нитрата, который корректируют по мере необходимости раствором, содержащим, мас.%: Zn - 12,0-14,0, P₂O₅ - 14,4-18,0, NO₃ - 11,1-13,7, SO₄ - 3,0-4,0, Ni - 0,08-0,1, ClO₃ - 0,1-0,3, вода остальное. Корректирующий раствор добавляют к исходному в количестве 4-5 г/дм³ (Пат. РФ №2070617, МПК C23C 22/07. Способ получения фосфатного покрытия/Л.Б. Скворцова, Е.А. Набатова, В.А. Чумаевский. - №93013243/02; заявл. 15.03.93; опубл. 20.12.96).

Способ фосфатирования металлической поверхности в растворе при следующем соотношении компонентов, мас.%: ионы цинка 1,15-3,06, ионы фосфата (P₂O₅) 08,6-2,49, ионы нитрата 1,7-4,25, ионы никеля 0,0096-0,029, диамид угольной кислоты 0,048-0,2, отход производства пропионовой кислоты 0,0017-0,092, вода - остальное, причем раствор нагревают до 70-75°C и фосфатируют 10-15 мин (Пат. РФ №2113541, МПК C23C 22/73, C23C 22/17. Способ фосфатирования металлической поверхности / Е.А. Набатова, В.А. Чумаевский. - №96110710/02; заявл. 28.05.96; опубл. 20.06.98).

Способ получения фосфатного покрытия, включающий обработку поверхности металла водным раствором, содержащим ионы цинка, фосфата, нитрата, при этом для получения мелкокристаллического корррозионно-стойкого фосфатного покрытия при температуре фосфатирования 30-45°C за время 2-10 минут, водный раствор дополнительно содержит ионы кальция при следующем соотношении компонентов, г/л: Zn²⁺ 1,527-3,225; P₂O₅ 4,347-8,385; 0,822-1,935; Ni²⁺ 0,023-0,086; ClO₃ ^- 0,587-1,505; Ca²⁺ 0,06-0,157 (Пат. РФ №2240378, МПК C23C 22/22. Способ получения фосфатного покрытия / Н.В. Варенцов и др. - №2002121550/02; заявл. 06.08.02; опубл. 27.02.04).

Наиболее близким по составу обработки поверхности является способ фосфатирования металлической поверхности раствором, содержащим следующие компоненты, г/л: Zn²⁺ 0,8-4,3; MN²⁺ 0,4-2,4; P₂O₅ 4,1-18,5; NO₃ 1,1-5,5; гидроксиламин сернокислый 2,6-13,0; вода - остальное, при температуре 30-45°C (Пат. РФ №2210624, МПК C23C 22/13, C23C 22/18. Способ фосфатирования металлической поверхности/Е.И. Казеннова, М.Н. Бонокина, В.А. Чумаевский. - №2000115351/02; заявл. 13.06.2000; опубл. 20.05.2002).

Задачей заявляемого способа является получение плотной, мелкокристаллической однородной электроизоляционной фосфатной пленки толщиной 3-5 мкм, имеющей величину пробивного напряжения 200-300 В с защитными свойствами, достаточными для предотвращения коррозии на поверхности детали в межоперационный период.

Поставленная задача достигается тем, что фосфатирование железокобальтового сплава осуществляют при температуре 95-98°C в течение 2-3 минут в растворе, содержащем ионы цинка, марганца и фосфата, а также нитрат-ионы и нитрит-ионы при следующем соотношении компонентов, г/дм³:

P₂O₅  - 7,4…9,8;

Mn²⁺ - 2,1…2,8;

Zn²⁺ - 11,0…13,0;

- 21,0…25,0;

- 0,3…0,5.

Фосфатирование проводят в динамическом режиме. Фосфатирование железокобальтовых сплавов в традиционных составах лимитируется растворением кобальта, в результате чего последний обогащает обрабатываемую поверхность и замедляет процесс формирования фосфатного покрытия. Образование сплошной фосфатной пленки на поверхности данных сплавов можно интенсифицировать при помощи наложения на детали внешнего потенциала, ультразвука, введения в состав раствора фторидов или же комбинацией этих факторов, что значительно усложняет аппаратурное оформление технологического процесса. Данных затруднений удалось избежать в заявляемом способе за счет введения в фосфатирующий состав комбинированного ускорителя, состоящего из нитрат-ионов и нитрит-ионов. Таким образом, вместо моно-ускорителя в растворе использовался комбинированный ускоритель, представляющий собой по сути окислительно-восстановительную пару, в присутствии которой резко возрастает скорость растворения кобальта.

Пример.

Испытания проводили на деталях из железокобальтового сплава 49К2ФА. Обрабатываемые детали, предварительно подвергнутые термической обработке, вертикально устанавливают партиями (из расчета по 50 штук на один литр раствора фосфатирования) на специальные штанги, которые во избежание взаимодействия с фосфатирующим раствором защищены инертным материалом (плотно прилегающей к штанге гибкой полипропиленовой трубкой).

Детали обезжиривают в растворе состава (г/дм³): NaOH - 10; Na₃PO₄·12H₂O - 35; Na₂CO₃ - 30; Na₂SiO₃ - 7, при температуре 22°C в течение 10-15 минут. Промывку деталей осуществляют струйным методом в течение 1 минуты сначала в горячей, а затем в холодной воде. Перед фосфатированием детали ополаскивают иммерсионным методом в дистиллированной воде комнатной температуры.

Фосфатирование проводят при температуре 96°C в течение 3 минут раствором при следующем соотношении компонентов, г/дм³: P₂O₅ - 7,4; Mn²⁺ - 2,1; Zn²⁺ - 11,0; - 21,0; - 0,3.

Во избежание слипания деталей между собой процесс фосфатирования проводят в динамическом режиме при энергичном встряхивании штанги. После этого проводят промывку деталей струйным методом в течение 1 минуты сначала в горячей, а затем в холодной воде. Высушивание деталей осуществляют в струе теплого воздуха.

Данные о зависимости технических характеристик фосфатных пленок от состава раствора фосфатирования приведены в таблице.

Анализ полученных данных показал, что вариант 1 является оптимальным составом для получения покрытий с наилучшими техническими характеристиками. Внешний вид этого покрытия представлен на рис. 1.

Повышение или понижение концентрации какого-либо компонента приводит к изменению характеристик фосфатного покрытия. Так, при увеличении ионов марганца и цинка при одновременном снижении нитрат-ионов (вариант 4, рис. 2), могут формироваться покрытия с повышенными значениями толщины и поверхностной плотности.

В случае одновременного снижения концентраций обоих ускорителей (нитрат-ионов и нитрит-ионов) до минимально допустимого уровня на фоне повышенного содержания ионов марганца формируется дефектное, осыпающееся крупнокристаллическое покрытие с низкими электроизоляционными и защитными свойствами (вариант 2, рис. 3).

При пониженном содержании ионов марганца, но повышенных содержаниях ионов цинка и нитрат ионов фосфатные пленки обладают сравнительно небольшими значениями толщины покрытия и поверхностной плотности, но в то же время имеют достаточно высокую защитную способность (вариант 7, рис. 4).