состав для ускоренного фосфатирования металлов

Формула изобретения

Состав для ускоренного фосфатирования металлов, содержащий ортофосфорную кислоту, изопропиловый и/или бутиловый спирты, нитрат цинка, винную кислоту и воду, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости фосфатированного металла к атмосферной коррозии при наличии в ней агрессивных газов и паров, а также улучшения адгезии покрытия к лакокрасочным материалам, он дополнительно содержит гидрохинон, триэтаноламин, алкилацетат С₃ С₇ и/или таннин, желтую и/или красную кровяную соль при следующем содержании компонентов, мас.

Ортофосфорная кислота 30 55

Изопропиловый спирт 20 40

Вода 10 20

Нитрат цинка 0,1 30

Этанол и/или бутанол 1 15

Винная кислота 0,1 2,0

Триэтаноламин 0,01 10,0

Алкилацетат С₃ С₇ и/или таннин 1 10

Желтая и/или красная кровяная соль 0,2 5,0

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прикладной химии, в частности к смесевым составам и композициям, предназначенным для защиты металлов от коррозионного поражения и может быть использовано в строительстве, машиностроении, при ремонте автомобильной техники, в коммунальном хозяйстве и других отраслях народного хозяйства, в которых требуется защита металла от коррозии.

Известно, что множество существующих машин, механизмов, сооружений, а также узлов и деталей изготовлено из металлов, в частности из железа и его сплавов. Для повышения долговечности машин и агрегатов применяют различные покрытия металлов. В процессе эксплуатации изделий происходит разрушение защитных покрытий, что приводит к коррозионному поражению их поверхностей, снижению долговечности машин, аварийным ситуациям, значительным экономическим затратам. Поэтому разработка простых, доступных и эффективных составов для защиты металлов от коррозии имеет большее практическое значение.

В настоящее время известно множество составов и композиций для защиты металлов от коррозии, а также способов защиты металлических поверхностей от ржавчины. Наиболее распространенными из них являются:

электрохимические металлопокрытия;

химические металлопокрытия;

комбинированные покрытия;

лакокрасочные и полимерные покрытия.

Однако все указанные покрытия имеют ряд недостатков. Так, электрохимическая обработка металлов требует наличия сложного аппаратурного оформления, значительных затрат электроэнергии, приводят к образованию значительных количеств промывных сточных вод, очистка которых до санитарных норм требует больших материальных затрат. Нанесение химических металлопокрытий связано с повышенной опасностью загрязнения окружающей среды и потери здоровья обслуживающего персонала. Обработка металлов комбинированными способами защиты от коррозии требует наличия дефицитных и дорогостоящих химреагентов. Нанесение лакокрасочных и полимерных покрытий приводит к значительным материальным затратам. При этом предварительная обработка поверхности металлов требует больших трудозатрат, особенно если поверхность поражена продуктами коррозии. От качества подготовки поверхности металла зависит долговечность лакокрасочного покрытия (ЛКП), в частности, из-за возможности протекания процессов коррозии под покрытием и последующего разрушения покрытия. Известно применение для подготовки поверхности фосфотирования металлов.

Наиболее близким к изобретению является состав для ускоренного фосфотирования металлов, изложенный в книге Емелина М.И. и Герасименко А.А. Защита машин от коррозии в условиях эксплуатации. М. Машиностроение, 1980, с. 146.

Сущность прототипа заключается в том, что указанный состав содержит водный раствор фосфорной кислоты, нитрата цинка и монофосфата цинка.

Недостаток прототипа заключается в том, что данный состав не обладает достаточной коррозионной стойкостью в атмосфере, содержащей агрессивные вещества и обусловлен тем, что покрытие, образованное на поверхности металла, имеет крупнопористую структуру, через которую легко проникают пары влаги, кислород, хлор, оксиды азота, серы, углерода и других элементов, что снижает коррозионную стойкость металла. После обработки поверхности металлов этим составом перед нанесением ЛКП требуется обязательное грунтование поверхности для повышения адгезии.

Цель изобретения заключается в том, чтобы избавиться от недостатков прототипа и разработать такой состав для ускоренного фосфотирования металлов, который позволил бы получить защитные покрытия, обладающие хорошими адгезионными свойствами и высокой стойкостью к атмосферной коррозии при наличии в ней агрессивных веществ.

Цель достигается тем, что предлагаемый состав дополнительно содержит ряд органических и неорганических соединений при их следующем соотношении в мас.

Ортофосфорная кислота 30 35;

Нитрат цинка 0,1 3;

Изопропиловый спирт 20 40;

Вода 10 20;

Этанол и/или бутанол 1 15;

Гидрохинон 0,1 4;

Винная кислота 0,1 2;

Триэтаноламин 0,01 10;

Состав, дополнительно предлагаемый авторами 3 10;

Наличие ортофосфорной кислоты в предложенном составе объясняется тем, что в условиях воздействия приведенных выше ингредиентов она создает на обрабатываемой поверхности металла устойчивую мелкодисперсную, обладающую высокими адгезионными свойствами фосфатную защитную пленку. При этом если поверхность металла была поражена коррозионными процессами, то кислота практически одновременно с пассивацией поверхности разрушает продукты коррозии, образуя на поверхности антикоррозионную пленку, стойкую при воздействии агрессивной атмосферы. Равномерность свойств антикорозионной пленки и ЛКП, наносимого на поверхность металла, повышается благодаря наличию этанола или бутанола в антикоррозионном составе.

Продукты взаимодействия ортофосфорной кислоты и других инградиентов состава с продуктами коррозии на поверхности металла с одной стороны образуют грунтовочный слой в виде фосфатной пленки, а с другой легко удаляемый шлам, причем наличие в предложенном составе других химических соединений способствует удалению шлама.

Таким образом, наличие ортофосфорной кислоты в составе не требует предварительной очистки обрабатываемой поверхности металла от продуктов коррозии, так как одновременно происходит разрушение имеющихся продуктов коррозии и образование защитной фосфатной пленки, т. е. состав обладает двойным эффектом. Кроме того, он обеспечивает высокие адгезионные свойства поверхности металла к ЛКП.

Применение нитрата цинка в составе придает фосфатной пленке свойства анодной защиты и в случае ее повреждения металл защищается в результате растворения осевшего на металл цинка.

Наличие в составе воды обусловлено тем, что она, являясь инертным наполнителем состава, смягчает воздействие ортофосфорной кислоты на поверхность обрабатываемого металла, уменьшает ее агрессивные свойства, ускоряет реакцию с продуктами коррозии стали. Кроме того, вода является хорошим растворителем остальных компонентов состава, что в значительной мере приводит к снижению затрат на его изготовление. В предлагаемом составе можно использовать дистиллированную воду или деионизированную (кипяченную). Применение обычной водопроводной воды нецелесообразно ввиду наличия в ней солей жесткости, выпадающих на обрабатываемую поверхность в виде белого налета, что может снизить антикоррозионные свойства нанесенного покрытия.

Необходимость использования изопропилового спирта объясняется тем, что это недорогой и недефицитный органический растворитель, обладающий высокой смачиваемостью который способствует быстрому проникновению ингредиентов состава в продукты коррозии и поры металла, обезжиривает его поверхность и способствует лучшему удалению с поверхности шлама, который может образовываться при обработке поверхностей, пораженных продуктами коррозии.

Гидрохинон ускоряет растворение окислов металла и, будучи хорошим антиоксидантом, предотвращает окисление в составе органических соединений, повышает стабильность состава в процессе длительного хранения.

Необходимость применения в предлагаемом составе винной кислоты объясняется тем, что она является хорошим комплексообразованием ионов железа, повышает адгезионные свойства защитной пленки, уменьшает скорость коррозии при повышенной температуре.

Наличие триэтиламина в составе приводит к более быстрому разрушению продуктов коррозии и предотвращает процесс травления чистого металла, является ингибирующим инградиентом для металла.

Применяемый дополнительно состав, способствует преобразованию солей ионов двухвалентного железа и ионов трехвалентного железа на поверхности в нерастворимые ортофосфаты, что приводит к более быстрому преобразованию продуктов коррозии в устойчивую защитную пленку. Он обеспечивает высокую адгезию антикоррозионной пленки на поверхности металла, повышает ее прочность и защитные свойства.

Количественный состав перечисленных компонентов подобран авторами экспериментально. Именно такое их содержание обеспечивает решение поставленной задачи, т. е. преобразование продуктов на поверхности обрабатываемого металла в равномерное защитное покрытие, устойчивое к воздействию атмосферной коррозии при наличии агрессивных газов и паров.

Авторы провели экспериментальные исследования по применению предложенного состава. В процессе исследования использовались образцы следующих материалов: медь, латунь, алюминиевые сплавы АЛ-3 и АМГ-6, нержавеющая сталь Х18Н9Т, низколегированные стали СТ-3 и СТ-6. Все указанные образцы обрабатывались как методом погружения (окунания) их в приготовленный состав, так и методом нанесения состава с помощью кисти. Время обработки колебалось от 30 до 60 мин. После подобной обработки образцы высушивались при комнатной температуре в течение 2 4 ч.

Затем обработанные предлагаемым составом образцы вместе с образцами, обработанными составом, изложенным в прототипе (водный раствор 30 г/л монофосфата цинка, 12 г/л ортофосфорной кислоты и 50 г/л нитрата цинка) помещались в следующие условия:

Сухая атмосферная коррозия при 15

Мокрая атмосферная коррозия при v 98

Пары оксидов азота, С 70 мг/м³;

Пример N 1. По прототипу раствором, содержащим монофосфата цинка 30 г/л, ортофосфорной кислоты 12 г/л, нитрата цинка 50 г/л, обработали пластины из стали СТ-3 и СТ-6 при комнатной температуре в течение 60 мин.

Пример N 2. Предложенным составом (г/л): фосфорная кислота 360, изопропиловый спирт 350, нитрат цинка 20, вода 200, этанол 50, винная кислота 1,0, триэтаноламин 10, гидрохинон 15, дополнительный состав остальное - 100. обрабатывали пластины из СТ-3 и СТ-6 в течение 60 мин при комнатной температуре.

Результаты испытаний антикоррозионных свойств приведены в таблице. Исследованы следующие показатели коррозионной стойкости: очаговый показатель (К_г) число коppозионных очагов, возникающих на 1 см² поверхности металла за время испытаний; коэффициент торможения (g) показывает, во сколько раз изменяется скорость коррозии в результате обработки поверхности и вычисляется по формуле



где i и i" скорость коррозии в присутствии обработки поверхности по примерам 1 и 2 соответственно;

степень защиты (Z) определяет полноту подавления коррозии и вычисляется по формуле

Определялась также твердость пленки.

Проведенные сравнительные испытания позволили установить, что коррозионная стойкость образцов, обработанных предложенным составом, в среднем в 7 10 раз выше, чем у образцов, обработанных составом, изложенным в прототипе.

На образцах обработанных составом, изложенным в прототипе, полного преобразования продуктов предыдущей коррозии добиться не удалось.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания предложенного состава и прототипа позволили установить, что защитное покрытие, образованное предложенным составом, обладает более высокой стойкостью к атмосферной коррозии при наличии в атмосфере агрессивных соединений, лучшими адгезионными свойствами.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в различных отраслях машиностроения. Наибольшая эффективность состава может быть достигнута при проведении восстановительных ремонтов в условиях небольших производств (гаражей, мастерских, станций техобслуживания и т. д.), так как предлагаемая технология ускоренного холодного фосфотирования проста в исполнении, не требует дополнительного оборудования на обработку деталей и узлов техники.