Фосфатное конверсионное покрытие — это химическая обработка, применяемая к стальным деталям, которая создает тонкий адгезионный слой фосфатов железа , цинка или марганца для улучшения коррозионной стойкости или смазки или в качестве основы для последующих покрытий или покраски. [1] [2] [3] Это один из наиболее распространенных типов конверсионного покрытия . Процесс также называется фосфатированием , фосфатизацией , [4] фосфатированием или фосфатированием . Он также известен под торговым названием Parkerizing , особенно при применении к огнестрельному оружию и другому военному оборудованию . [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 может быть нанесен путем протирания, распыления или погружения. [6] Фосфатные конверсионные покрытия также могут быть использованы на алюминии , цинке , кадмии , серебре и олове . [7] [8]
Фосфатирование огнестрельного оружия было открыто около 1910 года, когда было обнаружено, что поверхность стали, если ее покрыть фосфатом, приобретает значительную коррозионную стойкость. [5] : 393 До 1940-х годов оно было очень популярно в США, пока не были введены более современные, но похожие методы отделки металла. [5] : 393
Основными типами фосфатных покрытий являются марганцевые, железные и цинковые. [9]
Процесс использует преимущество низкой растворимости фосфатов при среднем или высоком pH . Ванна представляет собой раствор фосфорной кислоты ( H 3 PO 4 ), содержащий желаемые катионы железа, цинка или марганца и другие добавки. [10] Кислота реагирует с металлическим железом, образуя водород и катионы 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 создает локально фосфат железа , который также может осаждаться. При осаждении фосфата цинка или фосфата марганца дополнительный фосфат железа может быть нежелательной примесью.
В ванну часто добавляют окислитель, например нитрит натрия ( NaNO2 ), для поглощения газообразного водорода ( H2O).
2) — которые в противном случае образовали бы слой мелких пузырьков на поверхности, замедляя реакцию. [10]
Основному этапу фосфатирования может предшествовать ванна «активации», которая создает на поверхности мельчайшие частицы соединений титана . [10]
Эффективность фосфатного покрытия зависит от его кристаллической структуры , а также от его толщины. Плотная микрокристаллическая структура с низкой пористостью обычно лучше всего подходит для коррозионной стойкости или последующей покраски. Крупнозернистая структура, пропитанная маслом, может быть лучшей для износостойкости. Эти факторы можно контролировать, изменяя концентрацию ванны, состав, температуру и время. [6]
Паркеризация — это метод защиты стальной поверхности от коррозии и повышения ее износостойкости путем нанесения химического фосфатного конверсионного покрытия. Обычно применялось 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 общее название для нанесения фосфатирующих (или фосфатирующих) покрытий, которые включают процесс фосфатирования железа.
Бондеризация , фосфатирование и фосфатирование — это другие термины, связанные с процессом паркеризации, но они часто использовались для отделки деталей автомобиля, поскольку при этом на поверхности получалось более мелкое зерно. [5] : 394 Он также был известен как травление в контексте кованого железа и стали . [11]
Паркеризация обычно используется на огнестрельном оружии как более эффективная альтернатива воронению , которое является ранее разработанным химическим конверсионным покрытием . Она также широко используется на автомобилях для защиты необработанных металлических деталей от коррозии.
Процесс паркеризации не может использоваться для защиты цветных металлов, таких как алюминий , латунь или медь , но может использоваться для химической полировки или травления. Его также нельзя применять к сталям, содержащим большое количество никеля , или к нержавеющей стали . Пассивация может использоваться для защиты других металлов.
Разработка процесса была начата в Англии и продолжена семьей Паркер в Соединенных Штатах . Термины Parkerizing , Parkerize и Parkerized являются технически зарегистрированными товарными знаками в США компании Henkel Adhesives Technologies , хотя терминология в значительной степени перешла в общее употребление в течение многих лет. Процесс был впервые использован в больших масштабах при производстве огнестрельного оружия для армии Соединенных Штатов 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 процессе, в Америке в 1907 году, на который был выдан патент США 870 937 в 1907 году. По сути, он представлял собой процесс фосфатирования железа с использованием фосфорной кислоты .
Усовершенствованная патентная заявка на фосфатирование марганца, основанная в значительной степени на этом раннем британском процессе фосфатирования железа, была подана в США в 1912 году и выдана в 1913 году Фрэнку Руперту Грэнвиллу Ричардсу как патент США 1 069 903 .
Кларк В. Паркер приобрел права на патенты США 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 Уайманом С. Паркером, работая вместе, основали в 1915 году компанию Parker Rust-Proof Phosphating Company of America.
Затем в 1919 году Р. Д. Колкухун из компании Parker Rust-Proof Phosphating Company of America подал еще одну заявку на патент на усовершенствованный метод фосфатирования. Этот патент был выдан в 1919 году как патент США 1,311,319 на усовершенствованный метод фосфатирования марганцем (паркеризации).
Аналогичным образом Бейкер и Дингман из Parker Rust-Proof Company подали патент на усовершенствованный процесс фосфатирования марганца (Parkerizing) в 1928 году, который сократил время обработки до 1 ⁄ 3 от первоначального времени, которое требовалось за счет нагревания раствора до температуры в точно контролируемом диапазоне от 500 до 550 °F (от 260 до 288 °C). Этот патент был выдан как патент США 1,761,186 в 1930 году.
Фосфатирование марганца, даже с этими усовершенствованиями процесса, все еще требовало использования дорогих и труднодоступных соединений марганца. Впоследствии компания Parker разработала альтернативную технологию, чтобы использовать более легкодоступные соединения с меньшими затратами, используя фосфатирование цинка вместо фосфатирования марганца. Патент на этот процесс фосфатирования цинка (с использованием стратегических соединений , которые оставались доступными в Америке во время войны) был выдан изобретателю Ромигу из American Chemical Paint Company в 1938 году как патент США 2,132,883 , как раз перед потерей легкого доступа к соединениям марганца, которая произошла во время Второй мировой войны .
Несколько аналогично усовершенствованиям улучшенного процесса фосфатирования марганца, обнаруженным Бейкером и Дингманом, был найден также улучшенный метод для улучшенного процесса фосфатирования цинка. Это улучшение было обнаружено Дарси из Parker Rust Proof Company, который подал патент в феврале 1941 года, который был выдан в августе 1942 года, патент США 2,293,716 , который еще больше улучшил процесс фосфатирования цинка (Parkerizing). Он обнаружил, что добавление меди снижает требования к кислотности по сравнению с тем, что требовалось, и что также добавление хлората к уже используемым нитратам дополнительно позволит проводить процесс при гораздо более низкой температуре в диапазоне от 115 до 130 °F (от 46 до 54 °C), что еще больше снижает стоимость проведения процесса. Благодаря этим усовершенствованиям процесса конечным результатом стало то, что низкотемпературный (энергоэффективный) процесс фосфатирования цинка (паркеризации) с использованием стратегических материалов, к которым у Соединенных Штатов был свободный доступ, стал наиболее распространенным процессом фосфатирования, использовавшимся во время Второй мировой войны для защиты американских военных материалов, таких как огнестрельное оружие и самолеты, от ржавчины и коррозии.
Glock Ges.mbH , австрийский производитель огнестрельного оружия, использует черный процесс Parkerizing в качестве верхнего слоя для процесса Tenifer для защиты затворов пистолетов, которые они производят. После применения процесса Tenifer наносится черное паркеризованное покрытие, и затвор защищен, даже если паркеризованное покрытие сотрется. При таком использовании паркеризация становится защитной и декоративной отделочной техникой, которая используется поверх других базовых улучшенных методов защиты металла.
Различные похожие рецепты паркеризации для кухонных плит время от времени появляются в оружейных изданиях, а наборы для паркеризации продаются крупными дистрибьюторами оружейных деталей, такими как Brownells.
Фосфатные покрытия также широко используются в качестве эффективной подготовки поверхности для дальнейшего нанесения покрытия и/или покраски, обеспечивая отличную адгезию и электрическую изоляцию. [6]
Фосфатные покрытия часто используются для защиты стальных деталей от ржавления и других видов коррозии. Однако они несколько пористые, поэтому для этого использования требуется пропитка покрытия маслом, краской или каким-либо другим герметизирующим веществом. Результатом является плотно прилегающий диэлектрический (электроизолирующий) слой, который может защитить деталь от электрохимической и подлаковой коррозии. [6]
Цинковые и марганцевые покрытия используются для облегчения приработки деталей, подверженных износу [1] , и предотвращения истирания . [6]
Хотя цинк-фосфатное покрытие 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 экстремальной деформации детали, например, при волочении проволоки . [1] [13]