金属材料磷酸盐处理

金 屬 材 料 報 告 磷 酸 鹽 處 理 【 磷 酸 鹽 報 告 重 點 整 理 】項 目 標 題 名 稱 內 容(一 ) 化 成 皮 膜 處 理 A. 化 成 皮 膜 處 理 之 定 義B. 化 成 處 理 之 流 程 、 目 的C. 化 成 皮 膜 之 特 性 與 功 能D. 化 成 處 理 藥 劑 、 技 術 發 展(二 ) 化 成 處 理 施 工 法四 種 方 法 ： 浸 漬 、 噴 霧 、 蒸汽 磷 酸 鹽 (ACP)、噴 射 法 ； 每一 種 方 法 的 流 程 、 適 用 條 件 、原 理 、 優 點 與 缺 點 之 比 較 (三 ) 磷 酸 鹽 處 理 A. 磷 酸 鹽 化 成 機 制B. 磷 酸 鹽 的 處 理 關 鍵 (二 大 作 用 )C. 三 種 磷 酸 鹽 處 理 的 皮 膜 特 性 、 處 理 液 、 實 際 應 用(四 ) 化 成 處 理 實 例藉 由 皮 膜 的 特 性 去 了 解 每 一種 工 業 實 際 進 行 皮 膜 處 理 的 原因 、 過 程 、 作 用 為 何名 詞解 釋 1. 氫 脆 化2. 多 孔 性 溶 液 中 氫 離 子 在 底 材 金 屬 表 面還 原 成 氫 原 子 或 氫 氣 ， 滲 入 金屬 造 成 材 料 強 度 受 損 之 現 象由 化 成 覆 層 晶 粒 間 極 小 的 間 隙所 造 成 ， 孔 小 數 少 附 著 佳 一 、 化 成 皮 膜 處 理 ： 【重 點】： 1. 何 謂 化 成 ( 皮 膜 )處 理 法 2. 材 料 進 行 化 成 處 理 的 目 的3. 化 成 皮 膜 的 特 性 和 功 能 4. 化 成 皮 膜 的 未 來 發 展【說 明】：1. 化 成 皮 膜 處 理 法 ( chemical conversion treatment ) ：一 種 對 金 屬 表 面 進 行 化 學 或 是 電 化 學 處 理 ， 使金 屬 表 面 生 成 安 定 不 溶 性 化 合 物 ， 包 覆 在 金 屬表 面 的 方 法。 2. 化 成 處 理 的 基 本 概 念 流 程： 金 屬 置 於 適 當 腐 蝕 液 控 制 腐 蝕 反 應 金屬 氧 化 還 原 (1)濃 度 分 極 +(2)陰 陽 分 極 生 成 固 著 性 難 溶 的 腐 蝕 生 成 物 包 覆3. 化 成 處 理 目 的 與 功 能： (a) 形 成 保 護 膜 ， 防 止 金 屬 受 環 境 因 素 而 腐 蝕和 生 鏽 。 (b) 改 善 金 屬 塗 料 的 附 著 性 、 金 屬 界 面 的 滑 動耐 磨 度 。 (c)應 用 在 金 屬 塑 性 加 工 、 電 絕 緣 、 琺 瑯 質 地處 理 、 熔 融 鍍 金 前 處 理 等 方 面 。 4. 化 成 皮 膜 特 性： (1) 在 腐 蝕 性 環 境 中 對 金 屬 有 高 保 護 力 (2) 對 金 屬 有 高 度 附 著 力 (3) 對 塗 膜 有 高 度 附 著 力 (4) 對 塗 裝 烘 烤 溫 度 有 高 耐 熱 性5. 化 成 處 理 之 發 展： (1)開 發 新 式 化 成 處 理 劑 與 技 術 ( 因 應 塗 裝 ) (2)改 善 和 開 發 防 污 染 之 化 成 處 理 劑 (3)建 立 化 成 處 理 劑 之 管 理 裝 置 (4)開 發 可 撓 性 化 成 劑 ( ex: 有 機 +無 機 之 複 合 ) 二 、 化 成 處 理 施 工 法(一 ) 浸 漬 法：( 最 普 遍 方 法 )分 六 步 驟 A. 事 前 處 理 分 解 金 屬 各 部 零 件 B. 表 面 洗 淨 去 除 表 面 加 工 殘 留 之 油 脂、垢 、鏽、黑 皮 組 織 C. 皮 膜 化 成 將 鋼 材 浸 入 磷 酸 鹽 處 理 液 數 分 鐘 ( 進 行 反 應 )(溫 )水 洗 密 封 乾 燥 形 成 灰 黑 色 結 晶 皮 膜 D. 密 封 皮 膜 化 成 鋼 材 移 出 水 洗 密 封 目 的：封 皮 膜 孔 洞，強 化 耐 蝕 E. 事 後 處 理 去 除 表 面 塵 埃、除 去氫 脆 性 F. 加 工 化 成 處 理 完 成 ， 表 面 再 處 理 過 程 實 際 浸 漬 法 處 理 過 程 ( practical process )： 去 脂 水 洗 除 鏽 水 洗 表 面 調 整 水 洗 化 成 處 理 水 洗 事 後 處 理 乾 燥 密 封 附 圖 1. 浸 漬 法 附 圖 2. 傳 統 浸 漬 法 ： 只 適 用 於 處 理 溶 渣 少 的 方 式 ， 滾 筒 易 被 磷 酸 鹽 溶 渣 堵 塞 ， 可 能 會 對 材 料 造 成 連 續 傷 害 ， 多 用 於 鋁 片 或 薄 板 的 鉻 酸 鹽 處 理 為 主 。 2. 附 表 1.：工 業 上 實 際 磷 酸 鋅 皮 膜 噴 霧 法 之 加 工(二 ) 噴 霧 法 ：1. 適 用 狀 態 ( 條 件 ) 優 點A. 生 鏽 少 之 材 料 B. 材 料 形 狀 一 定 C. 大 量 生 產 用 A. 完 全 自 動 化B. 處 理 時 間 短C. 處 理 成 本 低 3. 附 表 2.：工 業 實 際 磷 酸 鐵 皮 膜 噴 霧 法 之 加 工 附 圖 3. 噴 霧 法 附 圖 4. 噴 霧 法：成 本 低 ， 不 需 監 視 浴 液 ， 未 接 觸 被 處 理 材 的 剩 餘 液 可 再 度 使 用 ( 可 省 成 本 不 浪 費 )( 一 般 壓 力 噴 灑 反 應 仍 需 時 間 ) 2. 附 圖 5. phosteam處 理 圖 為 人 工 方 式 進 行(三 ) 蒸 汽 磷 酸 鹽 法 ( method of ACP phosteam )：1. 特 點 整 理A. 可 洗 淨 形 狀 複 雜 材 料 E. 設 備 便 宜B. 裝 置 可 移 動 不 佔 場 所 F. 不 必 管 制 溫 度 、 濃 度C. 成 本 低 G. 去 脂 與 化 成 處 理 相 同D. 可 利 用 運 送 機 H. 可 調 整 去 脂 效 率 (四 ) 噴 射 法 ( method of blast )：革 命 性 方 法 原 理去 除 金 屬 氧 化 層 等 各 種 殘 留 或 附 著 物 形 成 金 屬 液 體 搪 磨 形 成 最 適 合 塗 裝 用 的 化 成 皮 膜優 點A. 皮 膜 密 著 性 佳 ( 高 壓 噴 射 反 應 快 速 ) B. 塗 膜有 光 澤 C. 減 少 處 理 時 間 和 裝 置 佔 地 面 積 經 濟 效 益 佳 ， 省 時 省 成 本工 程 步 驟 研 磨 洗 淨 皮 膜 化 成 水 洗 密 封 乾 燥 附 圖 6. 併 用 噴 射 的 連 續 化 處 理 裝 置 附 圖 7. 化 成 處 理 的 噴 射 裝 置 斷 面 圖 1. 化 成 所 用 磷 的 氧 酸： 以 正 磷 酸 鹽 ( H3PO4，三 質 子 酸 ( 可 與 金 屬 置 換 3個 氫 原 子 )為 主，其 他 的 酸 或 鹽 類 為 輔 助 劑。2. 化 成 機 制： 利 用 陽 極 反 應 在 金 屬 表 面 形 成 化 成 皮 膜。【例】假 設 將 鋼 材 浸 在 Mn或 Fe等 的 第 一 磷 酸 鹽 稀 薄 水 溶 液 中 ( 溫 度 約 9799C )，則 磷 酸 會 反 應 分 解： H3PO4H2PO4 ( 第 一 磷 酸 鹽 )+ H H2PO4HPO4 ( 第 二 磷 酸 鹽 )+ H HPO4PO4 ( 第 三 磷 酸 鹽 )+ H三 、 磷 酸 鹽 處 理 ，鐵 與 游 離 的 磷 酸 鹽 反 應 使 磷 酸 濃 度 減 少 ， 於 是 電 化 學 反 應 為： (1) 陽 極：FeFe(+2價) + 2e (2) 陰 極 ： 2H + 2e2HH2 總 反 應 式：Fe+2H3PO4Fe(H2PO4)2( 皮 膜 )+H2故 由 當 解 離 反 應 持 續 右 方 進 行，所 生 成 的 第 二 與 第 三 磷 酸 鹽 會 吸 附 在 鋼 鐵 的 表 面 並 生 成 皮 膜。【結 論】：磷 酸 鹽 處 理 的 二 大 作 用 A. 游 離 磷 酸 鹽 的 腐 蝕 作 用 B. 第 一 磷 酸 鹽 分 解 生 成 難 溶 性 生 成 物 之 沉 積 並 附 於 材 料 上 游 離 磷 酸 鹽 與 第 一 磷 酸 鹽 為 磷 酸 鹽 處 理 之 關 鍵 附 表 3.：常 用 的 陽 極 氧 化 法 附 圖 8.：在 磷 酸 錳溶 液 中，酸 度 比 ( 全磷 酸 /游 離 磷 酸 )達78時，可 得 到 質 地優 良 的 皮 膜 ； 在 磷酸 鋅 溶 液 中 ， 酸 度比 達 45時，可 得 到質 地 優 良 的 皮 膜 。 附 圖 9.：磷 酸 鹽 處 理 所 生 成 的 皮 膜 相【說 明】：(1)(圖 左 )磷 酸 錳 法：皮 膜 外 觀 為 結 晶 性 ， 呈 灰 黑色 ， 皮 膜 中 的 鐵 成 分 越 多 就 越 黑 ， 且 結 晶 粒 子 也越 粗 。 磷 酸 錳 皮 膜 特 色 是 硬 而 牢 固 、 有 耐 熱 、 耐 鹼 性 ， 廣 用 於 工 具 或 是 精 密 機 械 零 件 之 防 鏽 、 滑 動部 位 之 耐 磨 損 度 、 塑 性 變 形 加 工 等 。(2)(圖 中 )磷 酸 鋅 法：因 為 屬 於 高 溫 與 長 時 間 的 化 成 處 理 法 ， 現 在 多 加 入 亞 、 硝 酸 鹽 、 氯 或 溴 酸 鹽 、 硝 基化 合 物 以 促 進 皮 膜 反 應 生 成 。 而 生 成 皮 膜 的 重 量 和 特 性 與 施 工 法 、 處 理 液 組 成 、 溫 度 有 關 。(3)(圖 右 )磷 酸 鐵 法：處 理 液 為 NaH2PO4或 NH4H2PO4， 再 加 入 促 進 劑，通 常 使 用 此 種 皮 膜 法 ， 要 適 當 調 整 酸 性 度 ， 否 則 會 得 不 到 良 好 的 皮 膜 ， 外 觀 上 平 滑 ， 有 良 好 的 水 洗 性 、 有 防 鏽 性 ； 表 面 會 呈 現 黃 、 藍 、 紫 的 干 涉 色 ， 常 用 於 照 明 器 具 、 汽 車 車 體 、 鋼 製 家具 類 、 疊 片 鋼 板 之 底 地 處 理 等 。 四 、 化 成 處 理 實 例(一 ) 汽 車 工 業：鋼 鐵 製 品 ( ex:汽 車 車 體 )採 用 電 著 塗 裝，可 直 接 在 金 屬 表 面 進 行 處 理 ， 但 會 以 磷 酸 鹽 皮 膜 當 底 層 再 行 塗 裝 的 原 因 是： (1) 減 少 鐵 離 子 溶 出 量 (2) 改 善 加 工 塗 膜 之 附 著 力 與 耐 久 性 (3) 磷 酸 鹽 皮 膜 為 電 之 不 良 導 體 ， 多 孔 性 適 度 ， 可 達 到 電 著 塗 裝 之 目 的【註】：多 孔 性 是 因 為 化 成 覆 層 晶 粒 間 極 小 的 間 隙 所 造 成 。 如 果 化 成 塗 料 的 孔 徑 ( pore dimension )越 小 及 氣 孔 數 越 少，則 黏 著 性 較 佳；若 氣 孔 度 增 大，則 防 蝕 效 能 將 會 降 低 。 ；此 外 ， 車 輛 內 部 的 空 氣 管 會 因 為 生 鏽 導 致 器 閥 的 動 作 不 良 ， 引 發 事 故 ， 故 以 皮 膜 化 成 進行 防 鏽 的 處 理 。 附 圖 10. 車 體 的 電 著 塗 裝 附 圖 11. 車 框 的 浸 漬 塗 裝 附 表 4. 車 體 的 化 成 處 理 標 準 流 程 法 (二 ) 鍍 鋅 鋼 板 製 品 ： 以 磷 酸 鋅 系 皮 膜 為 底 層(三 ) 塑 性 加 工 業：【重 要 !】在 碳 鋼 或 鉻 鉬 鋼 進 行 塑 性 加 工 過 程 中 ， 會運 用 到 磷 酸 鋅 系 皮 膜 化 成 ( 潤 滑 皮 膜 )：A. 塑 性 加 工 所 使 用 的 磷 酸 鹽 皮 膜 重 量 約 515 g/m(最 適 宜 )； 過 輕 加 工 時 皮 膜 會 剝 落 ， 過 重 會 堵 塞 工 具B. 材 料 表 面 清 淨 化 成 水 洗 中 和 肥 皂 系 潤 滑 劑 處 理 ( 肥 皂 與 鋅 反 應 形 成 鋅 皂 層：加 工 期 間 最 具 有 潤 滑 效 果 )乾 燥。 C. 實 例 ： (1)鋼 線 抽 線 304、 430不 鏽 鋼 抽 線 (2)抽 管 潤 滑 碳 鋼 管 、 電 縫 管 (3)鍛 造 潤 滑 碳 鋼 使 用 磷 酸 鋅 系 (4)壓 造 加 工 車 體 用 緩 衝 器 附 圖 11. 肥 皂 系 潤 滑 液 之 游 離 酸 度 和 鋅 皂 生 成 量 關 係 圖 (四 ) 鋼 製 家 具 的 塗 裝 前 處 理：家 具 加 工 裝 製 脫 脂 去 污 磷 酸 鹽 防 鏽 處 理( 浸 漬 法 、 噴 射 法 、 phosteam )：使 用 磷 酸 鐵或 磷 酸 鋅 系 乾 燥 塗 裝。(五 ) 自 行 車 工 業：因 為 車 身 為 最 主 要 塗 裝 部 分 ， 且 塗 裝 前 有 進行 熔 接 的 過 程 ， 所 以 要 以 濃 度 較 高 的 酸 性 液電 解 去 除 多 餘 皮 膜 ( 酸 處 理 過 程 )， 再 予 以 皮膜 化 成 處 理 ( 現 在 多 已 採 自 動 化 )。(六 ) 金 屬 容 器：一 般 使 用 磷 酸 鋅 和 磷 酸 鐵 系 兩 種 皮 膜 處 理 ，此 考 量 到 皮 膜 具 有 抗 藥 品 性 、 吸 濕 性 、 或 是 耐 弱 酸 、 弱 鹼 性 。 【 參 考 資 料 】：1. 工 業 實 用 技 術 金 屬 的 化 成 處 理 ， 間 宮富 士 雄 著 ， 賴 耿 陽 譯 ， 復 漢 出 版 社 印 行2. 表 面 處 理，張 裕 祺 博 士 編 著 ， 李 清 祈 、 杜 讚 發 校 閱 ， 高 立 圖 書 有 限 公 司 出 版3. 鋼 鐵 表 面 處 理 之 理 論 與 實 際( 工 業 用 書 )，王 龍 祥 編 譯 ( 原 書 編 著 ： 日 刊 編 集 委 員會 )，復 文 書 局 ， 第 七 版 2007.11.29.