Фосфатное конверсионное покрытие — это химическая обработка стальных деталей, в результате которой создается тонкий липкий слой фосфатов железа , цинка или марганца для достижения коррозионной стойкости, смазки или в качестве основы для последующих покрытий или окраски. [1] [2] [3] Это один из наиболее распространенных типов конверсионного покрытия . Этот процесс еще называют фосфатированием , фосфатированием , [4] фосфатированием или фосфатированием . Он также известен под торговым названием Parkerizing , особенно применительно к огнестрельному оружию и другой военной технике . [5] : 393
Фосфатное покрытие обычно получают путем нанесения на стальную деталь разбавленного раствора фосфорной кислоты , возможно, с растворимыми солями железа, цинка и/или марганца. Раствор можно наносить губкой, распылением или погружением. [6] Фосфатные конверсионные покрытия также можно наносить на алюминий , цинк , кадмий , серебро и олово . [7] [8]
Фосфатирование огнестрельного оружия было обнаружено примерно в 1910 году, когда было обнаружено, что поверхность стали, если заменить ее фосфатом, приобретает значительную коррозионную стойкость. [5] : 393 До 1940-х годов он был очень популярен в США, пока не были введены более современные, но похожие методы отделки металла. [5] : 393
Основными типами фосфатных покрытий являются марганец, железо и цинк. [9]
В этом процессе используется низкая растворимость фосфатов при среднем или высоком pH . Ванна представляет собой раствор фосфорной кислоты ( H 3 PO 4 ), содержащий нужные катионы железа, цинка или марганца и другие добавки. [10] Кислота реагирует с металлическим железом с образованием водорода и катионов железа:
Реакция, потребляющая протоны, повышает pH раствора в непосредственной близости от поверхности, пока в конечном итоге фосфаты не станут нерастворимыми и не осядут на ней. Реакция кислоты и металла также приводит к локальному образованию фосфата железа , который также может откладываться. При нанесении фосфата цинка или фосфата марганца дополнительный фосфат железа может оказаться нежелательной примесью.
Ванна часто включает в себя окислитель, такой как нитрит натрия ( NaNO 2 ), для сжигания газообразного водорода ( H
2) — который в противном случае образовал бы на поверхности слой крошечных пузырьков, замедляя реакцию. [10]
Главному этапу фосфатирования может предшествовать «активационная» ванна, в результате которой на поверхности образуются мельчайшие частицы соединений титана . [10]
Характеристики фосфатного покрытия зависят от его кристаллической структуры , а также от его толщины. Плотная микрокристаллическая структура с низкой пористостью обычно лучше всего подходит для защиты от коррозии или последующей окраски. Крупнозернистая структура, пропитанная маслом, может быть лучшей по износостойкости. Этими факторами можно управлять, варьируя концентрацию, состав, температуру и время ванны. [6]
Паркеризация — это метод защиты стальной поверхности от коррозии и повышения ее устойчивости к износу за счет нанесения химического фосфатного конверсионного покрытия. Обычно его применяли к огнестрельному оружию. [5] : 393 Паркеризация обычно считается улучшенным процессом фосфатирования цинка или марганца , а не улучшенным процессом фосфатирования железа, хотя некоторые используют термин « паркеризация» как общий термин для нанесения фосфатирующих (или фосфатирующих) покрытий, которые включают процесс фосфатирования железа.
Склеивание , фосфатирование и фосфатирование — это другие термины, связанные с процессом паркеризации, но они часто использовались для отделки деталей автомобилей, поскольку при этом на поверхности получалось более мелкое зерно. [5] : 394 Это также известно как травление в контексте кованого железа и стали . [11]
Паркеризация обычно используется на огнестрельном оружии как более эффективная альтернатива воронению , которое представляет собой ранее разработанное химическое конверсионное покрытие . Он также широко используется в автомобилях для защиты незавершенных металлических деталей от коррозии.
Процесс паркеризации нельзя использовать для защиты цветных металлов, таких как алюминий , латунь или медь , но вместо этого его можно использовать для химической полировки или травления. Аналогично его нельзя применять к сталям , содержащим большое количество никеля , или к нержавеющей стали . Пассивацию можно использовать для защиты других металлов.
Разработка процесса была начата в Англии и продолжена семьей Паркер в США . Термины Parkerizing , Parkerize и Parkerized являются технически зарегистрированными в США товарными знаками компании Henkel Adhesives Technologies , хотя в течение многих лет эта терминология в значительной степени перешла в общее употребление . Впервые этот процесс был широко использован при производстве огнестрельного оружия для армии США во время Второй мировой войны . [12]
Самая ранняя работа по процессам фосфатирования была разработана британскими изобретателями Уильямом Александром Россом (британский патент 3119) в 1869 году и Томасом Уоттсом Кослеттом (британский патент 8667) в 1906 году. Кослетт из Бирмингема, Англия , впоследствии подал патент, основанный на этом же методе. процесс в Америке в 1907 году, на который в 1907 году был выдан патент США 870 937. По сути, он представлял собой процесс фосфатирования железа с использованием фосфорной кислоты .
Усовершенствованная заявка на патент на фосфатирование марганца, основанная во многом на этом раннем британском процессе фосфатирования железа, была подана в США в 1912 году и выдана в 1913 году Фрэнку Руперту Грэнвиллу Ричардсу под номером патента США 1 069 903 .
Кларк В. Паркер приобрел права на американские патенты Кослетта и Ричардса и экспериментировал на семейной кухне с этими и другими составами, устойчивыми к ржавчине. Конечным результатом стало то, что Паркер вместе со своим сыном Вайманом К. Паркером, работая вместе, основал в 1915 году компанию Parker Rust-Proof Phosphating Company of America.
Затем в 1919 году Р. Д. Колкухун из американской компании Parker Rust-Proof Phosphating Company подал еще одну заявку на патент на улучшенное фосфатирование. Этот патент был выдан в 1919 году под номером патента США № 1,311,319 на улучшенную технологию фосфатирования марганца (паркеризации).
Аналогичным образом, Бейкер и Дингман из компании Parker Rust-Proof в 1928 году подали патент на улучшенный процесс фосфатирования марганца (паркеризация), который сократил время обработки до 1/3 первоначального времени, которое требовалось за счет нагрева раствора до температуры точно контролируемый диапазон от 500 до 550 °F (от 260 до 288 °C). Этот патент был выдан как патент США № 1761186 в 1930 году.
Фосфатирование марганца, даже несмотря на эти усовершенствования процесса, по-прежнему требовало использования дорогих и труднодоступных соединений марганца. Впоследствии компания Parker разработала альтернативную технологию, позволяющую использовать более простые в получении соединения с меньшими затратами за счет использования фосфатирования цинка вместо фосфатирования марганца. Патент на этот процесс фосфатирования цинка (с использованием стратегических соединений , которые оставались доступными в Америке во время войны) был предоставлен изобретателю Ромигу из American Chemical Paint Company в 1938 году как патент США 2 132 883 , незадолго до потери легкого доступа к соединениям марганца. произошедшее во время Второй мировой войны .
В некоторой степени аналогично усовершенствованному процессу фосфатирования марганца, открытому Бейкером и Дингманом, аналогичный улучшенный метод был найден и для улучшенного процесса фосфатирования цинка. Это улучшение было обнаружено Дарси из компании Parker Rust Proof Company, который в феврале 1941 года подал патент, который был выдан в августе 1942 года, патент США № 2 293 716 , который дополнительно усовершенствовал процесс фосфатирования цинка (паркеризации). Он обнаружил, что добавление меди снижает требуемую кислотность по сравнению с требуемой, а также что добавление хлората к уже использованным нитратам дополнительно позволяет проводить процесс при гораздо более низкой температуре в диапазоне от 115 до 130 °F (46 до 54 °C), что дополнительно снижает затраты на проведение процесса. Благодаря этим усовершенствованиям процесса конечным результатом стало то, что низкотемпературный (энергоэффективный) процесс фосфатирования цинка (паркеризация) с использованием стратегических материалов, к которым Соединенные Штаты имели свободный доступ, стал наиболее распространенным процессом фосфатирования, использовавшимся во время Второй мировой войны для защитить американские военные материалы, такие как огнестрельное оружие и самолеты, от ржавчины и коррозии.
Glock Ges.mbH , австрийский производитель огнестрельного оружия, использует черный процесс паркеризации в качестве верхнего покрытия к процессу Тенифер для защиты затворов производимых ими пистолетов . После применения процесса Тенифер наносится черная отделка Parkerized, и затвор защищен, даже если отделка Parkerized сотрется. Таким образом, паркеризация становится методом защитной и декоративной отделки, который используется по сравнению с другими базовыми улучшенными методами защиты металла.
Традиционные химические конверсионные покрытия на основе фосфата железа, фосфата цинка и фосфата марганца, включая варианты Parkerizing, в последние годы подвергались критике [13] за попадание фосфатов в поверхностные водные системы, что способствует быстрому росту водорослей ( эвтрофикация ). В результате в последние годы новые, появляющиеся технологии, альтернативные традиционным фосфатным покрытиям, начали находить ограниченное применение для замены всех фосфатирующих покрытий, включая паркеризацию. Большинство этих новых конверсионных покрытий основаны на фторцирконии. Самое популярное из этих конверсионных покрытий на основе фторциркония, представленное в 2005 году, включает в себя переходный металл ванадий . Это новое, более экологически чистое покрытие называется конверсионным покрытием ванадата . Помимо покрытий из ванадата, покрытия из арсената теоретически могут обеспечивать аналогичную защиту, хотя и могут представлять опасность для здоровья людей и животных. Еще неизвестно, заменят ли эти или другие новые химические конверсионные покрытия традиционное фосфатирование и паркеризацию.
Различные подобные рецепты паркеризации на кухне с плитой время от времени распространяются в изданиях по оружию, а комплекты для паркеризации продаются крупными дистрибьюторами запчастей для оружия, такими как Brownells.
Фосфатные покрытия также широко используются в качестве эффективной подготовки поверхности для дальнейшего нанесения покрытия и/или покраски, обеспечивая превосходную адгезию и электрическую изоляцию. [6]
Фосфатные покрытия часто используются для защиты стальных деталей от ржавления и других видов коррозии. Однако они несколько пористые, поэтому такое использование требует пропитки покрытия маслом, краской или каким-либо другим герметизирующим веществом. В результате образуется плотно прилегающий диэлектрический (электроизоляционный) слой, способный защитить деталь от электрохимической и подкрасочной коррозии. [6]
Покрытия из цинка и марганца используются для разрушения изнашиваемых компонентов [1] и предотвращения истирания . [6]
Хотя покрытие из фосфата цинка само по себе является несколько абразивным , его можно превратить в смазочный слой для операций холодной штамповки путем обработки стеаратом натрия ( мылом ). Мыло вступает в реакцию с кристаллами фосфата, образуя очень тонкий нерастворимый и гидрофобный слой стеарата цинка , который помогает удерживать непрореагировавший стеарат натрия даже при сильной деформации детали, например, при волочении проволоки . [1] [14]