Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 490, № 1, стр. 37-40

МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА НОВОГО КОМБИНИРОВАННОГО ХТП

Авторами на основе методологии системного анализа в химической технологии [7] предложена методика разработки и экспериментально-расчетного физико-химического анализа комбинированного низкотемпературного энергоресурсосберегающего ХТП кристаллического фосфатирования и исследования свойств образующихся фосфатных покрытий, состоящая из пяти этапов.

Этап 1. Обоснование выбора основных компонентов исходного специального низкотемпературного раствора для образования кристаллических фосфатных покрытий на основе системного анализа результатов предшествующих многочисленных научных разработок.

Этап 2. Исследование морфологии поверхности образующихся фосфатных покрытий на электронном микроскопе JEOL JSM-6510 LV.

Этап 3. Ускоренная экспериментальная оценка защитной способности (ЗСА) образующихся фосфатных покрытий капельным методом с применением реактива Акимова (раствора на основе сульфата меди) – определение времени изменения окраски участка поверхности под каплей от серого до красно-коричневого цвета [8].

Этап 4. Расчет удельной массы фосфатных покрытий – m_ф:

где m₁ – масса образца после фосфатирования, г; m₂ – масса образца после удаления фосфатной пленки, г; S – площадь поверхности образца, м².

Этап 5. Исследование антикоррозионных свойств фосфатных покрытий на стальных образцах с применением камеры соляного тумана Ascott S120iP в соответствии с требованиями международного стандарта ASTM B117 для автомобильной промышленности и ГОСТа [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА НОВОГО ХТП И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В соответствии с этапом 1 предложенной методики для анализа возможности совмещения стадий активации и фосфатирования выбран ранее разработанный авторами [10] специальный низкотемпературный раствор кристаллического фосфатирования, содержащий (г/л): ZnO 10.3; H₃PO₄ 6.1; HNO₃ 15.4; Ce(SO₄)₂ 0.3; NH₂OH 1.5; SiO₂ 1.5. Этот раствор позволяет осаждать на стали при pH 2 ± 0.5 и Т = 50°С за 10 мин фосфатные покрытия массой 6.3 г/м² с защитной способностью 120 с при наличии предварительной стадии активации.

При физико-химическом инжиниринге нового комбинированного ХТП фосфатирования целесообразно исследовать в качестве дисперсной фазы, вводимой непосредственно в исходный раствор фосфатирования, такое соединение, как оксид SiO₂ марки Aerosil А300 с размером частиц 1.5–2 мкм.

На этапе 2 экспериментальное исследование морфологии поверхности фосфатного покрытия показало, что текстура образующегося фосфатного слоя при введении дисперсной фазы SiО₂ непосредственно в исходный раствор фосфатирования аналогична структуре покрытия, сформированного в промышленном растворе КФ-7 с применением активатора АФ-4.

На этапе 3 экспериментально установлено, что значения ЗСА для кристаллических фосфатных покрытий, образующихся в присутствии дисперсной фазы SiО₂ в исходном низкотемпературном растворе фосфатирования, значительно превышают значения ЗСА фосфатных покрытий, полученных в промышленном растворе фосфатирования КФ-7 (45 с) при температуре 70°С с использованием стадии предварительной активации (рис. 1). Осаждающиеся сплошные равномерные мелкокристаллические фосфатные покрытия в присутствии 1 г/л SiO₂ в растворе при 50°С имеют значение ЗСА = 150 с.

На этапе 4 установлено, что введение SiO₂ в раствор фосфатирования без ионов церия положительно сказывается на основных характеристиках покрытия: увеличивается величина ЗСА до 120 с и масса фосфатного слоя до 7.3 г/м² при массе стравившегося металла 2.5 г/м² (рис. 2). Введение 1 г/л SiO₂ в раствор фосфатирования, содержащего 0.3 г/л сульфата церия (IV), позволяет увеличить значение ЗСА до 150 с (рис. 1), при этом масса фосфатного слоя равна 6.2 г/м².

На этапе 5 получены результаты циклических коррозионных испытаний пропитанных маслом фосфатированных в исследуемых растворах образцов (рис. 3). Коррозионное поражение образцов оценивалось по балльной шкале: 10 баллов – полное отсутствие коррозии, 0 баллов – коррозия всей поверхности образца.

Установлено, что фосфатные покрытия, образованные из исследуемых растворов противокоррозионного фосфатирования, соответствуют 10 баллам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С применением предложенной экспериментально-расчетной методики разработан новый энергоресурсосберегающий комбинированный низкотемпературный ХТП кристаллического фосфатирования стальных поверхностей для последующего промасливания, позволяющий формировать в одном технологическом аппарате кристаллические фосфатные слои с высокими защитными свойствами при уменьшенных показателях энерго- и металлоемкости за счет низкой температуры специального исходного раствора фосфатирования, содержащего мелкодисперсные частицы SiO₂, и исключения ванны активации.