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 ее заменить 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 торговыми марками Henkel Adhesives Technologies в США, 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).
Точно так же Бейкер и Дингман из компании Parker Rust-Proof в 1928 году подали патент на усовершенствованный 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 заявку на патент США № 2 293 716 , который был выдан в августе 1942 года и который 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 улучшениям 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.
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 реагирует 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] [13]