用于金属冷塑性变形的新型环保磷化工艺及其应用研究

摘要

冷塑性变形（如冷挤压、拉拔等）作为钢材形变加工中一种常用的处理方式，过程中需要对钢件表面进行磷化处理，从而在钢件表面形成一层具有可塑性的磷酸盐薄膜，经皂化后可以减少钢件与模具之间的摩擦，提高冷变形速度和质量。传统的表面磷化不仅使用了对环保不利的亚硝酸钠促进剂，而且在磷化处理过程中会产生大量的沉渣。因此，寻找新的环保型促进剂或者改进磷化处理工艺实现无渣或微渣，是磷化处理行业需要解决的关键问题。　　本文首先运用电化学反应理论以及扩散理论探究了磷化成膜机理，研究了传统促进剂亚硝酸钠和环保型促进剂硫酸羟胺(HAS)对磷化成膜以及摩擦性能的影响。用X射线衍射分析了磷化膜相结构的变化，结果发现，形成的磷化膜主要由Zn3(PO4)2·4H2O(H膜)和Zn2Fe(PO4)2·4H2O(P膜)组成。四球摩擦实验结果表明，与亚硝酸钠相比，在锌系磷化液中添加HAS能有效降低润滑后的磷化膜的摩擦系数。因此，可以认为，作为环保型促进剂-HAS将有望在磷化工业中得到广泛应用。　　其次，本文还研究了在磷化液中添加钙元素以实现磷化液无促进剂管理(Zn-Ca系磷化)。XRD分析结果表明，添加钙元素后，磷化膜的主要成分为Zn3(PO4)2·4H2O、Zn2Fe(PO4)2·4H2O以及CaZn2(PO4)2·4H2O。随着钙锌比的增加，膜层致密性增加，磷化膜形貌由片状和颗粒状逐渐变为细枝状。实际冷挤压结果表明，随着钙锌比的增加，冷变形工件精度越来越高。当钙锌比为0.375时，加工的工件达到最佳生产精度。在实际应用过程中，发现钙锌比为0.375的磷化工作液的几个参考指标与处理量均呈指数关系，其中总酸(TA)和游离酸(FA)呈指数式下降，而酸比(AR)和Fe2+浓度则呈指数式上升关系。　　此外，比较可知，无促进剂管理的磷化液在处理过程中产生的沉渣量只有促进剂管理的25％。也就是说，无促进剂管理的磷化液的应用不仅可以实现微渣磷化，而且减少了磷化液的现场检测指标，因此有效降低了生产成本，提高了磷化处理效率。　　论文最后对冷塑性变形磷化液的发展趋势以及物联网在磷化工业的应用也进行了探讨。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 磷化处理技术简介

1．2 冷塑性变形磷化的发展

1．3 冷塑性变形磷化的分类

1．3．1 按磷化膜用途分类

1．3．2 按磷化处理方式分类

1．3．3 按磷化液管理方式分类

1．4 磷化工艺流程

1．4．1 磷化前处理

1．4．2 磷化处理

1．4．3 磷化后处理

1．5 国内外研究现状

1．5．1 国内研究现状

1．5．2 国外研究现状

1．6 研究背景及意义

1．7 研究内容

1．8 研究思路

1．9 本文创新点

第二章 磷化基本原理及实验准备

2．1 磷化基本原理

2．1．1 传统磷化原理

2．1．2 磷化电化学原理

2．2 主要实验设备、原料和实验方法

2．2．1 主要实验设备

2．2．2 主要测试方法

2．2．3 试样规格

2．2．4 实验原料

2．3 本章小结

第三章 硫酸羟胺与亚硝酸钠对磷化膜结构与性能影响

3．1 实验过程

3．1．1 亚硝酸钠促进剂正交试验

3．1．2 硫酸羟胺促进剂正交试验

3．1．3 两种促进剂最佳使用条件

3．2 两种促进剂在最佳使用条件下磷化膜的生长影响对比

3．2．1 磷化膜电化学生长过程表征

3．2．2 磷化膜主要成分及生长过程XRD表征

3．2．3 磷化膜表面形貌表征

3．2．4 两种促进剂条件下磷化膜重量随时间的变化

3．3 磷化皂化后的样品摩擦性能研究

3．4 本章小结

第四章 无促进剂管理冷变形磷化液研究与应用

4．1 无促进剂管理磷化液正交实验

4．2 不同钙锌摩尔比对无促进剂管理磷化膜影响

4．2．1 钙锌比对磷化膜主要成分影响

4．2．2 钙锌比磷化膜主要元素影响

4．2．3 钙锌比对磷化膜形貌影响

4．2．4 钙锌比对磷化膜厚度影响

4．2．5 钙锌比对实际冷挤压效果影响

4．3 无促进剂管理冷变形磷化液的实际应用

4．3．1 磷化液总酸变化曲线

4．3．2 磷化液游离酸变化曲线

4．3．3 磷化液酸比变化曲线

4．3．4 磷化液中Fe2+变化曲线

4．3．5 无促进剂管理磷化液与促进剂管理磷化液沉渣比较

4．4 本章小结

第五章 结论

5．1 两种管理方式所得磷化膜的差异

5．2 结论

第六章 展望

6．1 论文不足之处

6．2 基于物联网技术的磷化液自动化管理前瞻

6．2．1 系统硬件及网络组成

6．2．2 系统程序及数据处理流程

参考文献

攻读学位期间的学术活动及成果清单