способ фосфатирования поверхности титанового сплава

Формула изобретения

1. Способ фосфатирования поверхности титанового сплава, включающий обезжиривание, промывку водой, обработку поверхности сплава окислительным раствором на основе смеси азотной и плавиковой кислот или окисью магния, фосфатирование поверхности титанового сплава путем обработки раствором, содержащим ионы фосфата и цинка, повторную промывку и сушку, отличающийся тем, что поверхность титанового сплава подвергают анодному фосфатированию при воздействии постоянного тока в растворе, дополнительно содержащем ионы калия, при следующем соотношении компонентов, г/л:

PO4-3	10,5-12,5
Zn+2	3,5-4,5
K+1	1,0-1,5

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что pH раствора поддерживают в интервале 4,0-5,0.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что анодное фосфатирование осуществляют при плотности тока 5-6 А/дм² в течение 4-6 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности титановых сплавов для повышения адгезионной способности к лакокрасочным покрытиям (ЛКП) и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе авиационной, космической, автомобильной, судостроительной, строительной и архитектуре и т.д., где применяются титановые сплавы с декоративной окраской.

Известно, что титановые сплавы в связи с высокой пассивируемостью их в атмосферных условиях, особенно с повышенной влажностью, обладают очень низкой адгезионной способностью к различным материалам. В связи с этим, нанесенные на них лакокрасочные покрытия при эксплуатации изделий в различных климатических условиях часто отслаиваются от поверхности титановых сплавов и изделия теряют декоративный вид. Поэтому перед нанесением лакокрасочного покрытия на поверхность титанового сплава необходимо нанести на нее промежуточный слой, который бы имел высокую адгезию к поверхности металла и к лакокрасочному покрытию.

Известен способ анодирования металлов импульсным током, в котором процесс ведут в условиях искрового разряда при напряжении 80-200 V и плотностях тока от 10 до 80 А/дм² (а.с. СССР № 534525).

Известен способ анодного окисления титановых сплавов в электролите, содержащем неорганические фториды, бораты, фосфаты, органические растворители и воду, предназначенный для создания изоляционного покрытия на титановых сплавах в электронике (патент США № 3502552).

Известен электролитический способ и композиция для окрашивания титана и его сплавов, дающий тонкие плотные цветные пленки (патент США № 3616279).

Недостатком известных способов является низкая адгезионная способность плотных анодных пленок к ЛКП, особенно, во влажной атмосфере.

Известен способ получения фосфатного покрытия, обладающего высокой адгезионной способностью и высокой коррозионной стойкостью, для чего поверхность металла подвергают катодной электролитической обработке при низкой температуре в растворе, содержащем фосфат ионы и другие анионы, а также ионы порошкообразного металла. Отношение фосфат ионов ко всем другим анионам составляет 0,6-0,08 (патент Японии № 2080468).

Благодаря наличию большого количества активных ионов происходит значительное травление металла, что повышает адгезию образующегося фосфатного покрытия.

Недостатком известного способа является низкая адгезионная способность как к ЛКП, так и к титановому сплаву.

Известен способ обработки поверхности титановых изделий под склеивание (анодирование в кислотной ванне, содержащей хромовую и фтористоводородную кислоты) при низком потенциале (от 1 до 5 вольт) (патент США № 4473446).

Недостатком данного способа является низкая адгезия получаемого покрытия к ЛКП, высокая токсичность электролита и сложность его утилизации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату и принятым за прототип является способ фосфатирования поверхности титанового сплава, включающий обезжиривание, промывку водой, обработку поверхности сплава окислительным раствором на основе смеси азотной и плавиковой кислот или окисью магния, фосфатирование поверхности титанового сплава путем обработки раствором, содержащим ионы цинка, ионы нитрата, ионы фосфата, ионы сульфата, ионы фтора и ионы тартрата при следующем соотношении компонентов (г/л):

Zn+2	3,0-16,0
NO3 -1	41,0-206,0
PO4 -3	4,0-75,0
SO4 -2	2,0-7,0
F-1	1,0-3,5
С4Н 4O6-2	1,6-9,0

повторную промывку и сушку

Температура раствора для фосфатирования 18-30°C, а pH 2,0-3,2 (патент РФ № 2255139).

Способ предназначен для получения фосфатного покрытия, имеющего высокую адгезию к поверхности металла и к лакокрасочному покрытию.

Недостатками известного способа являются: длительность процесса фосфатирования (120 минут); сложность приготовления раствора для фосфатирования (6 компонентов) и наличие токсичных соединений (соли серной и фтористоводородной кислот).

Технической задачей изобретения является создание способа фосфатирования поверхности титанового сплава, позволяющего обеспечить высокую адгезионную способность титанового сплава к лакокрасочным покрытиям на уровне прототипа без наводороживания поверхности, снижение длительности процесса фосфатирования и токсичности раствора.

Для решения поставленной задачи предложен способ фосфатирования поверхности титанового сплава, включающий обезжиривание, промывку водой, обработку поверхности сплава окислительным раствором на основе смеси азотной и плавиковой кислот или окисью магния, фосфатирование поверхности титанового сплава путем обработки раствором, содержащим ионы фосфата и цинка, повторную промывку и сушку, в котором, титановые сплавы подвергают анодному фосфатированию при воздействии постоянного тока в растворе, дополнительно содержащем ионы калия при следующем соотношении компонентов (г/л): РO₄ ^-3 10,5-12,5

Zn⁺² 3,5-4,5

K⁺¹ 1,0-1,5

При этом pH раствора поддерживают в интервале 4,0-5,0.

Анодное фосфатирование осуществляют при плотности тока 5-6 А/дм ² в течение 4-6 минут.

В предлагаемом способе используют постоянный ток для интенсифицирования движения ионов в электролите, что ускоряет процесс фосфатирования.

Образование фосфатного покрытия после обработки поверхности титанового сплава обеспечивает высокую адгезионную способность.

Введение иона K⁺¹ способствует образованию комплексной соли, диссоциация которой облегчает образование фосфатов на поверхности образца.

Более низкие концентрации ионов РO ₄ ^-3 и Zn⁺², а также отсутствие токсичных ионов SO₄ ^-2 и F^-1 существенно снижают токсичность раствора по сравнению с прототипом.

Плотность тока и время его воздействия выбираются и могут быть различными в зависимости от требуемой толщины и качества покрытия.

Примеры осуществления

Пример 1. Образец из титанового сплава ВТ20, размером 70×150×1,2 мм обезжиривали в стандартном щелочном растворе по ГОСТ 9.047-75. После промывки в воде обрабатывали окислительным раствором в смеси азотной и плавиковой кислот, после чего подвергали анодному фосфатированию при действии постоянного тока плотностью 5 А/дм² в течение 4 минут и температуре 20°C, повторной промывке и сушке при температуре 120°C. На подготовленную поверхность наносили лакокрасочное покрытие (окраска: эпоксидный грунт ВГ 28, сушка 24 часа, затем эмаль С 21/100 UVR 2 слоя, сушка каждого слоя 1 час, затем выдержка до испытаний 7-10 суток), после чего определяли адгезию. Испытание на адгезию проводили согласно ГОСТ 15140-78 методом параллельных надрезов (метод 4) до и после выдержки образцов в дистиллированной воде в течение 14 суток.

Примеры 2 и 3 аналогичны примеру 1 и выполнены соответственно для сплава ВТ6ч и ОТ4.

В таблице приведены режимы обработки поверхности титанового сплава, составы растворов и величина адгезии после выдержки образцов в дистиллированной воде в течение 14 суток. Все испытанные образцы прошли испытания в дистиллированной воде без отслоения ЛКП.

Так как титановые сплавы очень чувствительны к наводороживанию в зависимости от различных видов химической и электрохимической обработки, определяли содержание водорода в поверхностном слое сплава спектральным локальным методом согласно ОСТ 190034-81.

Все растворы, взятые для испытаний, не дают наводороживания поверхности образцов в силу того, что образцы в процессе фосфатирования являются анодом. Содержание водорода на их поверхности ниже нормы, указанной в ОСТ 190013 (не более 0,015 мас.%).

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволит обеспечить высокую адгезионную способность титановых сплавов на уровне прототипа без наводороживания поверхности, сократить длительность процесса фосфатирования в 20-30 раз и снизить токсичность фосфатирующего раствора.

Использование предлагаемого способа позволит снизить экологическую нагрузку, повысить производительность труда и дать существенный экономический эффект при массовом изготовлении фосфатированных титановых деталей, что расширит область их применения.

Таблица
Составы растворов и режимы фосфатирования титановых сплавов
№ п/п	Состав раствора фосфатирования, г/л	Плотность тока, А/дм2	Время фосфатирования, мин	pH раствора	Адгезия ЛКП, баллов
1	2	3	4	6	7
1 ВТ20	РО4 -3 - 10,5	Zn(H2PO4)2 - 14,1	5	4	5,0	11
Zn +2 - 3,5	KOH - 1,4
К +1 - 1,0
2 ВТ6ч	PO4 -3 - 11,5	Zn(H2PO4)2 - 15,7	5,5	5	4,5	11
Zn +2 - 4,0	KOH - 1,9
К +1 - 1,3
3 ОТ4	PO4 -3 - 12,5	Zn(H2PO4)2 - 17,0	6	6	4,0	11
Zn +2 - 4,5	KOH - 2,2
К +1 - 1,5
4 ВТ20	Zn+2 - 16	ZnO - 19,9	-	120	2,0	11
PO4 -3 - 75	Н3РO4 - 77
NO3 -1 - 206	NaNO3 - 269
Прототип	SO 4 -2 - 7	Na2SO4 - 10,3
F-1 - 3,5	NaF - 7,7
(C4H4O6)-2 - 9	Na2(C 4H4O6)·2H2O - 14