Параметрами управления технологическим процессом в отношении очищающего раствора являются время длительности процесса, химическая концентрация, температура, давление распыления, время сливания и объем загрязнений в растворе. Имеются параметры, которые должны наблюдаться, регистрироваться и поддерживаться в пределах определенных диапазонов для обеспечения прогнозных эксплуатационных характеристик.

Есть много переменных, которые действуют на тот отрезок времени, когда раствор остается эффективным, например, количество смен, объем обработанного металла, тип обработанного металла, а также тип удаленных загрязнений. Нижеприведенная диаграмма показывает типичную зависимость между временем и эксплуатационными  характеристиками.

Кислотная очистка основана на воздействии серной, хлорной, азотной, фосфорной, фтористой, фтороборной и хромовой кислоты на поверхность металла, а также солей этих кислот. Кислоты и соли обычно включают также поверхностно-активные вещества, секвестранты ионов металла, спиртовые растворители и замедлитель, чтобы предотвратить избыточное воздействие на металл. Они могут быть полезными для удаления легких оксидов, органических остатков, устойчивых солей и других загрязнений, которые легко растворяются в кислоте.

Вследствие того, что кислоты являются коррозирующим веществом, поэтому их более трудно качать и обрабатывать. Кроме того, в некоторых случаях они оказываются менее эффективными по сравнению с щелочным очистителям по отношению к органическим загрязнителям, поэтому они намного реже используются. Для металлов, которые являются склонными к водородной хрупкости, типа легированных сталей и высокоуглеродистых сортов стали, кислотная очистка не рекомендуется. Кислоты могут также взаимодействовать с некоторыми металлами, В результате образуются нерастворимые побочные продукты, которые мешают последующим процессам.

В трехцикловой мойке, первый цикл объединяет очистку и фосфатирование железа. Эти растворы традиционно состоят из фосфорной кислоты, как увлажняющей среды,  и активатора.

Кислые растворы могут также использоваться для удаления окалины или оксидов в травильных растворах. Это относительно сильные минеральные кислые растворы, в которых используется серная, хлористоводородная, фосфорная и азотная кислота. Этот тип раствора может быть полезным для удаления трудновыводимого неорганического загрязнения. Одно особенно хорошее применение - удаление окалины, образовавшейся при разрезании лазером. Лазерное резание стали формирует слой оксидов, который трудно вывести при щелочной очистке.

Скорость травления увеличивается при более высокой кислотной концентрации и при более высокой температуре. Избыточной концентрации нужно избегать из-за коррозийной природы раствора и риска чрезмерно агрессивного воздействия на металл.

Фосфатирование или нанесение конверсионного покрытия – это обработка субстрата железистой или цинковой ортофосфорной кислотой. Конверсионное покрытие может быть критической частью всего процесса предварительной подготовки и значительно улучшить эксплуатационные характеристики законченного покрытия. Фосфатное покрытие  превращает субстрат металла в однородную, инертную поверхность, которая улучшает связывание, минимизирует распространение окисления, в случае повреждения покрытия, и улучшает общую устойчивость конечного продукта к коррозии.

Конверсионное покрытие может быть железистой, цинковой, поликристаллической, хроматной или марганцевой пленкой ортофосфорной кислоты. Оно применяется как на черных металлах (железная основа), так и на цветных (цинк, алюминий, сплав свинца и олова, марганец). Детали окунаются в кислотную ванну, в результате происходит химическое преобразование с образованием пленки на поверхности и изменением химической и физической характеристики поверхности металла.

Железистая ортофосфорная кислота образует самую тонкую пленку  конверсионного покрытия. При нанесении образуется основа из окиси железа, которая покрыта плоским или аморфным металлическим верхним слоем фосфата. Обработанная металлическая поверхность будет обычно иметь серый цвет  до синего радужного или синего золотистого радужного оттенка в зависимости от веса покрытия и основного металла. Типичные составы железные фосфата:

·  основа ортофосфорной кислоты

·  ускорители / окислители

·  поверхностно-активные вещества (опция).

В растворе железистой ортофосфорной кислоты поверхность металла протравливается, при этом некоторое количество железа попадает в ванну. Когда ионы металла вытравливаются из поверхности обрабатываемой детали, поверхность становится положительно заряженной. Ионы металла в ванне преобразуются в фосфат железа, имеющему отрицательный заряд. Происходит увеличение значения pH на поверхности раздела раствора и детали, что заставляет железные ионы фосфата осаждаться в виде аморфного покрытия на поверхности металла.

Содержание кислой соли, тип и объем ускорителя и тип и объем кислотных реактивов для травления изменяются от одного состава до другого. Все составы умеренно кислотные. Хотя кристаллические активаторы обычно не требуются до нанесения железных фосфатных покрытий, в составах, как правили, присутствуют окислители и/или ускорители. Окислители, типа нитрита или хлората, необходимы для начала воздействия на железные детали, обеспечивая железо для железного фосфатного покрытия. Ускорители, типа молибдата или ванадата, обеспечивают активные места для осаждения железного фосфата. Выбор окислителя или ускорителя для конкретного изделия может влиять на эксплуатационные характеристики или внешний вид конечного покрытия.

В трехступенчатом процессе обработки железистой ортофосфорной кислотой очистка и покрытие объединяются путем добавления моющих средств и поверхностно-активных веществ в раствор фосфатирования. Источник ионов фтора может быть добавлен, если алюминий также обрабатывается, чтобы увеличить эффект травления на окисную поверхность алюминия.

Железные фосфатные покрытия могут быть нанесены ручным протиранием, ручным распылителем, окунанием или распылителями мойки. Количество и тип стадий процесса непосредственно зависят от требований к обработанной детали. Сочетание очиститель/покрытие с последующей промывкой – это типичная минимальная химическая очистка и процесс фосфатирования. Прибавление стадий в процесс может обеспечить повышение эксплуатационных характеристик.

Наиболее эффективный и повсеместно используемый метод – это многоступенчатая мойка распылителями. Распылители мойки могут включать минимум две  стадии до восьми.

•Две стадии: чистка/покрытие, промывка.

•Три стадии: чистка/покрытие, промывка, промывка/изоляция.

•Четыре стадии: чистка/покрытие, промывка, промывка/изоляция, промывка деионизированной водой*.

•Пять стадий: чистка, промывка, фосфатирование, промывка,  промывка/изоляция.

•Шесть стадий: чистка, промывка, фосфатирование, промывка,  промывка/изоляция, промывка деионизированной  водой.

•Семь стадий: чистка, чистка, промывка,  фосфатирование, промывка,  промывка/изоляция, промывка деионизированной водой.

•Восемь стадий: чистка, промывка, чистка, промывка, фосфатирование, промывка,  промывка/изоляция, промывка деионизированной  водой.

* Деминерализованная вода – вода, профильтрованная для удаления положительных и отрицательных ионов.

Качество предварительной обработки распылителями

Вес покрытия из железного фосфата измеряется в мг/фут2 или в граммах на квадратный метр. Вес изменяются в зависимости от степени предварительной подготовки поверхности. Качество адгезии краски и устойчивости к коррозии зависит от веса фосфатного покрытия. В вышеприведенной таблице представлены типичные результаты при добавлении в процессе стадий обработки.

Для определения веса покрытия испытательные стенды должны проходить через мойку, причем все переменные процесса должны находиться под контролем. После того, как чистая, свежая панель проходит через мойку, она снимается и испытывается в соответствии с процедурой, описанной ниже. Чиститесь хлопковые или хирургические перчатки должны использоваться для того, чтобы предотвратить загрязнения выборки жиром руки.

Определите площадь панели:

1)  Взвесьте панель с точностью до третьего знака (,000), и запишите первый вес.

2)  Погрузите панель в водный раствор 10%-ой хромовой кислоты (CrO3) по весу при 160°Ф  (71°С) на 10 минут.

3)  Промойте водопроводной водой или деионизированной водой, если имеется.

4)  Взвесьте панель снова с точностью до третьего знака  запишите второй вес.

Затем проведите расчеты по формуле:

1-йв вес в граммах – 20-ой вес в граммах Х 1000
————————————————————————————— =  мг/фут²
Площадь в квадратных футах

1-йв вес в граммах – 20-ой вес в граммах
————————————————————————— =  г/м²
Площадь в квадратных метрах

В дополнение к количеству стадий процесса факторами, оказывающими влияние на  вес железного фосфатного покрытия, являются длительность, температура, концентрация, расход кислоты (рH), состояние субстрата и давление в распылителе.

Длительность процесса - чем больше времени химические вещества воздействуют на поверхность металла, тем больший эффект они произведут. Процесс должен быть достаточно длительным, чтобы химические вещества смогли образовать однородное  покрытие на поверхности. Температура раствора – загрязнения становятся более реактивными в нагретом растворе, а химические вещества становятся более агрессивными. Концентрация - более высокая концентрация химических веществ потребует большего количества общей кислоты, больше ускорителей, что приведет к увеличению веса покрытия.

Расход кислоты – при более высоком значении рН потребуется меньше кислоты (меньшее покрытие), в то время как более низкое значение pH улучшит очистку, но потребуется больше кислоты. Больший объем кислоты позволить улучшить травление, способствуя образованию более тяжелого покрытия. Чрезмерный объем кислоты может вызвать слишком интенсивное протравливание, а избыточная кислота может растворить фосфатное покрытие. Значения рН в диапазоне между 3,5 и 6,0 обеспечивают наилучшие результаты по нанесению фосфатного покрытия (самые лучшие при значении 5,0). Если значение pH слишком высокое (выше 6), то вес покрытия на обрабатываемых деталях окажется недостаточным, и под покрытием может развиваться ржавчина. Если значение pH слишком низкое (ниже 3,5), то детали будут очищаться и протравливаться, но не будут иметь железного фосфатного покрытия.

"Синева" фосфатного покрытия связана с весом покрытия. Радужный синий цвет указывает вес покрытия в размере 30-35 мг/фут2. По мере повышения веса покрытия цвет изменяется от синего до сине-серого и до золотистого.

Также важно поддерживать постоянный контроль этих переменных. Щелочные растворы могут попасть в фосфатный раствор и вызвать повышение pH, или операторы, возможно, не производят достаточно часто корректировку раствора, что необходимо для поддержания последовательных параметров. Все это может привести к пятнистости покрытия в некоторых местах, в которых может произойти мгновенное ржавление. Растворы должны контролироваться часто (3 раза в смену), чтобы удостовериться, что они в хорошем состоянии.

Цинковый фосфат – это неметаллическое, кристаллическое покрытие, которое химически связывается с субстратом. Цинковое покрытие чрезвычайно адгезивно, оно обеспечивает однородное покрытие с улучшенными адгезивными свойствами, более качественное покрытие в труднодоступных местах и более высокую устойчивость к коррозии.  Типичные составы цинкового фосфата:

·  основа ортофосфорной кислоты

·  ускорители

·  соли цинка.

Цинковый фосфат поступает непосредственно из раствора, а не из поверхности обрабатываемой детали как в случае железного фосфатного покрытия. Кристаллы начинают формироваться в местах расположения анодов на обрабатываемой поверхности. Формирование прекращается, когда кристалл достигает другого кристалла. Чем больше мест роста кристаллов, тем лучше плотность покрытия. Для порошкового покрытия лучше поддерживать высокую плотность. Порошок не долго задерживается на стадии потока.  Более крупные кристаллы фосфата, возможно, не позволяют порошковому материалу полностью увлажнить поверхность, и под покрытием может образоваться капиллярный слой. Влажность будет проникать через покрытие и вызовет коррозию, которая поднимет покрытие с поверхности.

В отличие от железного фосфата цинковый фосфат не может очищать и покрывать одновременно в трехстадийном процессе, поэтому необходима отдельная стадия очистки.

Для осуществления цинкового фосфатирования поверхность металла активируется присадкой в ванне с очищающим раствором или при промывке кондиционерами до нанесения цинкового фосфата. Кондиционеры – это умеренные щелочные суспензии специальных активных солей титана, которые связываются с поверхностью стали,  цинка и алюминия. Кондиционер образует сеть однородных акцепторных мест, где могут осаждаться кристаллы цинка.  Это позволит увеличить количество кристаллов цинкового фосфата, уменьшить размер этих кристаллов и в общем улучшить качество цинкового фосфатного  покрытия. Небольшой размер кристаллов будет больше однороден и снизит вес, способствуя, тем самым, адгезии, контролю стоимости фосфатирования и образованию меньшего объема отстоя.

Размер кристаллов фосфатного покрытия оказывает влияние на связывающие свойства краски и устойчивость к коррозии. Структура, состоящая из крупных кристаллов, является более пористой, имеет более низкую устойчивость к коррозии, и требует большего количества краски, чтобы получить полное пленочное покрытие. Мелкозернистое, плотное, однородное покрытие обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики. Кондиционер при мойке, которая предшествует стадии фосфатирования, может способствовать развитию подобного мелкозернистого фосфатного покрытия.

Добавление окислителей, например, нитрата, хлората или нитрита, контролирует  темп образования пленки. Соотношение различных компонентов может контролировать вес покрытия и размер фосфатных кристаллов. Фтористые соединения добавляются, если необходимо обрабатывать алюминий.

Реакции, проходящие на обрабатываемой поверхности в ходе фосфатирования, включают:

1)  Травление металла  и окисление водорода до водного состояния.

2)  Повышение значений pH на поверхности раздела металл/раствор фосфата.

3)  Перенасыщение пленки при нанесении веществ, образующих покрытие.

4)  Зарождение центров кристаллизации на металле.

5)  Рост фосфатного покрытия.

6)Окисление и осаждение железа в виде отстоя.

Состав раствора в ванне, температура, время выдержки в растворе и предыдущий  процесс очистки воздействуют на состав фосфата и фазу кристаллообразования.

Цинковые и поликристаллические фосфатные растворы действительно требуют более пристального внимания для обеспечения последовательных высококачественных результатов.  Добавление цинкового фосфата и нитритного ускорителя в ванну для поддержания требуемой концентрации должно выполняться посредством насосов  автоматической подачи для того, чтобы гарантировать высокое качество и свести к минимуму расход химических веществ. Неверная концентрация этих материалов, которая может образоваться при насыпании объемных добавок, приведет к образованию покрытия, которое окажется мягким и слишком тяжелым. Помимо этого образуется обильный отстой. Если материалов слишком мало, то покрытие будет грубым и пятнистым, что приведет к неполной адгезии и снижению устойчивости к коррозии.

Как и в других процессах предварительной обработки, температура, длительность и концентрация (общая кислотность, свободная кислота, ускоритель и фтористое соединение) оказывают воздействие на конечный результат.

Цинковый фосфат является предпочтительным для нанесения конверсионного покрытия, которое широко используется в автомобильной промышленности благодаря великолепной коррозиеустойчивости. Покрытие плотно соединяется с металлом  вследствие ионной связи,  а пористая кристаллическая структура обеспечивает обширную поверхность для прилипания краски, Даже если поверхность краски поцарапана, неорганическое покрытие предохраняет от «ползучей» коррозии.

Цинковый фосфатный раствор непрерывно образует отстой из-за окисления растворимого железа до нерастворимого состояния, которое осаждается. Система удаления отстоя должна использоваться для постоянного удаление этого отстоя.

На стадии промывки, следующей за фосфатизацией, используется водопроводная  вода с температурой окружающей среды. Соли фосфата более растворимы в холодной воде. Объем перелива быть достаточным, чтобы вода промывки была чистой и достаточно прохладной.

С экологической точки зрения предпочтителен железный фосфат, потому что он не образует большого количества тяжелых металлов, которые необходимо подвергать переработке. В некоторых муниципалитетах раствор железного фосфата может быть нейтрализован и спущен в дренажную систему. На некоторых предприятиях, занимающихся нанесением покрытия, имеются свои собственные сооружения по переработке железного фосфата, другие производители предпочитают отвозить отходы на специализированные предприятия для переработки и захоронения.

Цинк внесен в список Управления по охране окружающей среды Соединенных Штатов Америки (USEPA) согласно Закону о восстановлении и утилизации отходов, как опасный материал, который попадает под действие нормативных актов по утилизации отходов. Его необходимо перерабатывать до захоронения, а отстой должен отвозиться на специальные места захоронения.

С точки зрения эксплуатационных характеристик цинковый фосфат с хромовым заполнителем будет обычно обеспечивать великолепную устойчивость к коррозии. Железный фосфат обеспечивает удовлетворительное качество по антикоррозийной защите почти во всех случаях, когда обработанные детали используются внутри помещений, где коррозиеустойчивость не является критической. Цинк требуется для наружных  изделий  со строгими и высокими требованиями по устойчивости. Почти во всех автомобильных спецификациях указывается цинковый фосфат.

В таблице  железное и цинковое фосфатные покрытия сравниваются более подробно.При выборе между цинковым и железным фосфатом наибольшее значение имеет место использования конечного продукта. Для внутреннего использования в некоррозийных окружающих средах с точки зрения экономических и экологических соображений и преимуществ более приемлемо железное фосфатное покрытие. Цинковое фосфатное покрытие обеспечит защиту под покрытием, что необходимо для более требовательных изделий, которые применяются вне помещений или в высококоррозийных окружающих средах. Качество очищающего раствора и отделочного слоя также необходимо принимать во внимание. Одним из преимуществ порошкового покрытия – это долговечность пленки. Хорошая очистка и высококачественный порошок позволят применять менее устойчивое конверсионное покрытие.

Надлежащая промывка между стадиями процесса имеет существенное значение для успешной предварительной обработки. При недостаточной промывке на поверхности обрабатываемой детали остаются остатки, которые будут мешать проведению остающихся процессов. Если щелочной раствор для очистки не будет полностью смыт, то он будет перенесен в фосфорнокислый раствор и вызовет чрезмерное химическое воздействие или приведет к низким эксплуатационным характеристикам. Если заключительная промывка  неудовлетворительна, соли могут остаться на поверхности обрабатываемой детали, и будут препятствовать связыванию краски  и  снизят коррозионную стойкость.

Промывка после обработки в очищающем растворе должна производиться распылителем под давлением, чтобы гарантировать удаление всех остатков очищающего щелочного раствора и загрязнений. Перелив регулируется для того, чтобы поддерживать щелочность, которая помогает избегать мгновенной ржавчины, уменьшает осаждение и обеспечивает более полную смыв мыла, жиров, масел, смазки и поверхностно-активных веществ. Некоторый перенос тепла подогреет воду промывки, что улучшит растворимость.

Промывка после стадии фосфатирования проводится при более низком давлении по сравнению с промывкой после очищения. Это необходимо для того, чтобы избежать смывания свежего конверсионного покрытия. Кислотность помогает в удалении непрореагировавших тяжелых металлических солей фосфата. Более прохладная вода может ударить некоторую часть отстоя и остановить реакцию между раствором и металлом, чтобы уменьшить штриховатость. Небольшая кислотность на поверхности защищает и стабилизирует окончательную изолирующую промывку.

Обе промывки должны быть осуществляться с таким темпом перелива, чтобы обрабатываемые детали были достаточно чистыми (3 - 10 галлонов в минуту, т.е. 11,4 - 38 литров в минуту). Детали должны часто погружаться, чтобы избежать накопления загрязняющих примесей. Чтобы избежать чрезмерного переноса химикатов в воду промывки, убедитесь, что детали и стеллажи располагаются в местах, оборудованных дренажной системой, и что секции промывки не слишком близко друг от друга.

Вода на заключительной стадии промывки должна иметь жесткость ниже 300ррм. PPM можно определить с помощью измерительного прибора общего объема растворенных частиц, который покажет вес растворенного вещества в 1 000 000 фунтов воды или в 120 000 американских галлонов. Одна часть на миллион равна одному миллиграмму на литр(мг/л).

Водные примеси могут нарушить весь процесс нанесения покрытия и сократить срок службы изделия. Частицы в воде расходуют фторид и образуют окалину. Органические вещества могут образовывать окалину, отстой, пену и вызывать дефекты поверхности. Жесткость воды является главным источником окалины (накипи). Жесткая вода в состоянии удалить мыло и сформировать водные места, которые впоследствии будут видны через краску или приведут к неудовлетворительной адгезии. Промывка чистой водой поможет избежать этих проблем и снизить объем работ по техническому обслуживанию сопел распылителей в мойке и системы трубопроводов.

Пресная вода может быть добавлена непосредственно в промывочную емкость или через стояк, расположенный в оборотной системе промывки. Подпитка и разбавление оборотной воды промывки в сочетании со смывающим действием распылителей снижает объем химических остатков почти до нуля. Стояк подачи пресной воды увеличивает эффективность промывки на фактор 400 +, используя то же самое количество пресной воды.