РАСТВОР ДЛЯ ФОСФАТИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
SOLUTION FOR PHOSPHATISATION OF STEEL SURFACE

Изобретение относится к области обработки поверхности высокоуглеродистой проволоки перед сухим и мокрым волочением с применением фосфатирования и может быть использовано в металлургической промышленности, а также машиностроении при производстве проволоки, калиброванного металла, деталей машин, труб.
Известен раствор для фосфатирования (SU 1458427 А1) металлической поверхности, содержащий следующее содержании компонентов, г/л:
Ионы цинка (Zn<sup>2+</sup>)
10-13
Фосфорный ангидрид (Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>)
5-10
Ионы нитрата (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>)
17-23
Ионы никеля (Ni<sup>2+</sup>)
0,05-0,15
Ионы меди (Cu<sup>2+</sup>)
0,02-0,07
Азотнокислый экстракт лигнина
0,01-0,10
Вода
остальное до 1 л.
Обладая удовлетворительными антифрикционнымии и механическими свойствами фосфатного покрытия, состав имеет недостатки:
- высокий расход волочильного инструмента, что делает невозможным использование его для подготовки поверхности высокоуглеродистой проволоки перед операцией сухого волочения;
- позволяет провести подготовку поверхности проволоки только перед операцией тонкого (мокрого) волочения;
- входящие в состав ионы никеля и меди с экологической точки зрения опасны.
Наиболее близким к изобретению по назначению и достигаемому результату является фосфатирующий раствор (RU 2170285 С2)), содержащий следующее содержании компонентов, г/л:
Ионы цинка (Zn<sup>2+</sup>)
8,0-35,0
Фосфорный ангидрид (Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>)
7,0-24,0
Ионы нитрата (NO<sub>3</sub>)
20,0-63,0
Ионы никеля (Ni<sup>2+</sup>)
0,05-1 0
Ионы железа(Fe<sup>3+</sup>)
0-0 3
Ионы фтора (F-)
0-2 0
Вода
остальное до 1 л.
Данный раствор позволяет провести подготовку поверхности проволоки перед операциями как мокрого так и сухого волочения. Недостатком является то, что входящие в состав ионы никеля, железа и фтора нежелательны с точки зрения экологии, т.к. являются главной причиной загрязнения промывных и сточных вод, воздуха рабочей зоны.
Задачей изобретения является разработка фосфатирующего раствора, при использовании которого не оказывается отрицательного влияния на нанесение и последующее формирование покрытий с хорошими показателями качества и который безопасен в использовании и безвреден для окружающей среды при приготовлении, использовании и утилизации.
Поставленная задача достигается тем, что фосфатирующий раствор, содержащий ионы цинка, фосфорного ангидрида, нитрата, дополнительно содержит ионы натрия и ионы аммония при следующем содержании компонентов, г/л:
Ионы цинка (Zn<sup>2+</sup>)
5,55-18,72
Фосфорный ангидрид (Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>)
4,35-15,68
Ионы нитрата (NO<sub>3</sub><sup>-</sup>)
9,25,-33,6
Ионы натрия (Na<sup>+</sup>)
0,56-2,46
Ионы аммония (NH<sub>4</sub><sup>+</sup>)
0,19-0,82
Вода
остальное до 1 л,
2+
+
+
+
2
5
4
причем массовое отношение суммы катионов к фосфорному ангидриду составляет (Zn+Na):РО=(1-3,47):(0,71-2,57), а массовое отношение ионов аммония к ионам натрия (NH :Na)=1:3.
Применение предлагаемого фосфатирующего раствора позволяет:
- получить качественное фосфатное покрытие поверхности катанки из высокоуглеродистой стали перед операциями среднего и многократного волочения и получить качественную проволоку при незначительном расходе волочильного инструмента;
- провести подготовку поверхности проволоки перед операциями тонкого (мокрого) волочения;
- провести подготовку поверхности металла перед другими операциями холодной деформации, например высадкой крепежных изделий, вытяжкой труб;
- уменьшить токсичность промывных и сточных вод, воздуха рабочей зоны, что делает работу безопасной и улучшает производственные условия труда. В соответствии с гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» Министерства здравоохранения РФ:
3
- величина ПДК никеля соли в виде гидроаэрозоля 0.005 мг/м, класс опасности 1 -- чрезвычайно опасный.
3
- величина ПДК аммиака 20 мг/м, класс опасности 4 - малоопасный.
3
- - величина ПДК натрия мг/м, класс опасности 4 - малоопасный. В соответствии с гигиеническими нормативами ГН 2.1.5.1315-03
«Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» Министерства здравоохранения РФ:
- величина ПДК никеля 0.05 мг/л, класс опасности 2 - высокоопасный, величина ПДК ионов аммония 1,5 мг/л, класс опасности 4 - малоопасный.
3
- величина ПДК ионов натрия мг/м, класс опасности 4 - малоопасный.
Для исследования было приготовлено 5 вариантов фосфатирующего раствора с различным соотношением компонентов и состав прототипа.
Фосфатирующие растворы готовили путем растворения в воде 50,110 и 160 г/л концентрата Фоскон 22 марка А ТУ 2149-050-10964029-96, изм.1-4. Концентрат готовили путем смешения фосфорной и азотной кислот, окиси цинка, раствора аммиака и кальцинированной соды.
Состав прототипа готовили путем последовательного растворения в воде в течение 20-25 мин расчетного количества фосфорной, азотной и плавиковой кислот, окиси цинка, никеля азотнокислого, железа сернокислого.
Во всех примерах (по выше заявляемому составу и по прототипу) фосфатированию подвергались образцы проволоки из высокоуглеродистой проволоки из стали марки 70, диаметром 2 мм, предварительно очищенные от остатков волочильной смазки и остаточного фосфата в щелочном очищающем растворе и активированные в растворе активатора на основе щавелевой кислоты с последующим нанесением сухой волочильной смазки.
Фосфатирование ведут погружением изделий в фосфатирующий раствор при температуре 70-95°С в течение 3-20 мин. либо протягиванием проволоки через фосфатирующий раствор при температуре 70-95°С в течение 10-40 сек.
Антифрикционные свойства оценивали по усилиям волочения, которые определялись при протягивании образцов проволоки на разрывной машине марки Р-0,5 моделирующей процесс волочения проволоки.
Скорость протягивания составляла 30 см/мин.
Единичное обжатие на волоку 24,5%.
Маршрут волочения 2,0-1,8 мм.
Расход волок при волочении фосфатированной проволоки определяли на стане сухого волочения. Скорость волочения 300-520 м/мин, единичное обжатие 25%, суммарное обжатие 87%.
Маршрут волочения 2,0-1,83-1,65-1,34-1,16-1,01-0,9.
Составы известного фосфатирующего раствора и предлагаемого, а также параметры процесса холодной деформации приведены в таблице 1.
2+
+
+
+
2
5
4
Как видно из примеров (см. таблицу 1, пр.2, 3, 4), содержание ионов цинка, фосфорного ангидрида, нитратов, аммония, массового соотношения (Zn+Na):PO и NH :Na в заявляемых пределах обеспечивает хорошие антифрикционные свойства и высокую стойкость волочильного инструмента.
2+
+
2
5
Изменение содержания компонентов и массового соотношения (Zn+Na):PO выше или ниже заявляемых пределов (см. таблицу 1, пр.1, 5) приводит в одном случае к снижению антифрикционных свойств фосфатного покрытия и повышению расхода волочильного инструмента, а в другом к нестабильности фосфатирующего раствора и невозможности получения качественного фосфатного покрытия.
Пример 6 характеризует состав и свойства прототипа.
Использование предложенного фосфатирующего раствора обеспечивает следующие технико-жономические преимущества:
1 Получение качественного фосфатного покрытия поверхности катанки из высокоуглеродистой стали перед операциями среднего и многократного волочения и получить качественную проволоку при незначительном расходе волочильного инструмента;
2 Проведение подготовки поверхности проволоки перед операциями тонкого (мокрого) волочения;.
3 Снижение производственных затрат (уменьшение расхода волочильного инструмента).
4 Уменьшение токсичности промывных и сточных вод, воздуха рабочей зоны, что делает работу безопасной и улучшает производственные условия труда.
Литература.
1. Патент СССР №1458427 А1 «Раствор для фосфатирования металла».
2. Патент РФ №2170285 С2 «Способ подготовки поверхности проволоки перед сухим волочением» (прототип).