电流密度对磷化层的影响及设备优化

朱建国 雷雪松 蔡磊 吕昕峰 张其明

摘  要：本文通过对磷化电流密度分别为5A/dm2、10A/dm2、20A/dm2、30A/dm2时的磷化膜层厚度以及磷化膜的微观形貌电镜图片进行分析，定义了合理的电解磷化电流密度区间：磷化电流密度在10-20A/dm2时的磷化膜致密度、均匀性均达到最优。针对电流密度的最优区间，对设备的阳极板进行改造，由原来的单段阳极板更改为两段阳极板，分别采用独立的整流器进行供电，第一段采用低电压降低初始电流，第二段采用高电压提高末端电流。有效的提高了电流密度在钢丝上分布的均匀性

关键词：磷化;电流密度;磷化膜

前言

磷化处理通过磷化液中的磷酸与金属表面发生氧化还原反应，形成磷酸盐沉积在金属表面形成磷化膜，磷化膜可以提高金属的耐腐蚀性和涂装性[1-3]。电解磷化处理由于在磷化过程中沉渣少[4]，磷化时间短，添加剂含量低，是可行的替代传统化学磷化的技术之一，受到广泛关注[5]。

一般情况下，金属件的完整电解磷化工艺为：放线-除油-水洗-弱酸洗-水洗-表调-磷化处理-水洗-热水洗-皂浸-干燥-收线。从设备设计来看，除油水洗等工艺及设备都比较成熟，因此本文将研究重点放在电解磷化过程的工艺研究及方案设计。

电解磷化就是通过在金属表面额外施加一定量的电流而促使磷化膜在金属表面形成的一种工艺过程。这种技术相对于传统的磷化而言，主要的优势就是无需提供热源且可减少磷化液沉渣量，此外，该处理技术可以减少生成磷化膜反应以外的其他副反應的发生。电解磷化处理方法通常有3种，脉冲极化法、阴极沉积法以及交流电法。本企业采用的是阴极沉积法。本企业所用磷化液为水性液体，无色至淡绿色，由氧化锌，磷酸，硝酸，焦磷酸盐等助剂配制而成。电解磷化槽温度控制在65℃，PH为2左右，经检测磷化膜层主要成分为Zn3（PO4）2·4H2O，以及少量的Zn2Fe（PO4）·4H2O，FePO4等，膜层外观为浅灰色。

1.电解磷化工艺的优化

本文主要考察了电解磷化电流密度的变化对电解磷化效果的影响，电解磷化效果的评价以磷化膜的微观形貌指标。依照 GB/T11367-1997可知，检测磷化膜外观就是目测评估法和划痕法。目测评估直接用肉眼观察以及通过SEM观察磷化膜表面颜色、光泽度、完整性以及粗糙度等，磷化膜层除了应该具有其特定的光泽之外，还应该具有均匀、连续附着力好等特点，不应该有大的结晶、污点、锈蚀斑点，针孔，起泡，脱落，开裂，烧焦等不正常色泽和覆盖不完全等缺陷存在，且电解磷化膜层还应该具有光滑、致密、无水印、无挂灰以及不发花等特点。试样基体表面的磷化膜层颜色应该是灰色至深灰色，且用指甲划后应有白色划痕出现。本企业电解磷化生产线工艺条件为：磷化时间4.2s;温度65℃;磷化液总酸度137、游离酸度19.49、酸比7.03。

本文考察了磷化电流密度分别为5A/dm2（图1）、10 A/dm2（图2）、20 A/dm2（图3）、30 A/dm2（图4）时的磷化膜层厚度以及磷化膜的微观形貌，结果如下：

由SEM图可知，随着电解磷化电流密度的增加，磷化膜厚度也会随之增加，说明电流密度的增大可以促进磷化膜晶核的快速形成以及生长。随着电流密度的增加磷化膜形成的速度由慢变快且膜层开始较薄、不均匀（图1），逐渐会增厚并趋向的均匀、完整（图2），但电流密度过大电解磷化膜层虽然也在增厚但会导致磷化膜层晶粒变得粗大（图3）、疏松多孔、附着力差，连续性差，且出现表面脱落（图4）等现象。由图可见，磷化电流密度在10-20A/dm2时的磷化膜致密度、均匀性均达到最优。

2.电解磷化设备的优化

初次设计的电解磷化设备的电解槽如图所示，

钢丝1通过阴极辊2与整流器6的阴极相连，然后进入表调槽3。表调槽3为溢流槽，表调供液泵13将表调母槽14里面的表调液通过表调供液管12泵入到表调槽3内，表调槽3充满表调液后溢流，通过表调回液管11回液到表调母槽14中。钢丝1通过表调槽3 后浸满表调液直接进入磷化槽4，钢丝1通过阴极辊2与整流器6的负极相连，阳极板5与整流器6的正极相连。这样在钢丝1和阳极板5中就存在了电压差。在浸满磷化液的磷化槽4中就开始了电解磷化反应。

初次设计存在如下问题：

1）钢丝本身存在一定的电阻，钢丝电阻与离阴极辊的距离成正比，距离越远，电阻越大。

2）磷化层具有绝缘性，随着磷化层的加厚，钢丝表面的电阻越来越大。

3）阳极板足够大，可以考虑是等电位体。

综合以上因素，可以看出，分布在钢丝上的电流密度如下趋势（图6）。

这样会导致钢丝在磷化过程中电流密度局部过大，经过重新设计，采用下列方式做出设备的改进。

1）将阳极板分为一段阳极板和二段阳极板两部分。

2）增加一台整流器，将两台整流器的阴极连接在一起，共同接到阴极辊上。阳极分别连接一段和二段阳极板

3）整流器采用恒流控制模式，两个极板的电流比为1：1

更改设备以后，分布在钢丝上的电流密度如下趋势（图8），有效的提高了钢丝电解磷化时的电流密度均匀性。

3.结论

1）磷化电流密度在10-20A/dm2时的磷化膜致密度、均匀性均达到最优。

2）设备从单阳极板更改为两段阳极后有效的提高了电流密度在钢丝上分布的均匀性。

参考文献：

[1]林碧兰，卢锦堂，孔纲.几种改进磷化膜耐蚀性对比和自修复性初探[J].表面技术，2010，39（1）：37.

[2]李金华.磷化膜对镀锌板表面涂层附着力的影响[J].表面技术，2006，35（2）：33.

[3]李光辉，张益龙，王自荣，等.残余元素对高强无间隙原子钢磷化质量的影响[J].轧钢，2019，36（3）：29.

[4]白智豪.中温钢筋拉拔磷化液的研制[J].天津化工，2012，26（6）：36—38.

[5]代肇一，郝建军，赵思萌，崔珊 电解磷化工艺对锌系磷化膜耐蚀性影响的研究.电镀与精饰2017.03.33-35

收稿日期：2021-9-10

第一作者简介：

朱建国（1976-），男，硕士，工程师。研究方向：机电设备、设备维修。