РАСТВОР ДЛЯ ФОСФАТИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК C23C22/13 

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 (Zn²⁺) 10-13 Фосфорный ангидрид (Р₂О₅) 5-10 Ионы нитрата (NO₃ ^-) 17-23 Ионы никеля (Ni²⁺) 0,05-0,15 Ионы меди (Cu²⁺) 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 (Zn²⁺) 8,0-35,0 Фосфорный ангидрид (Р₂О₅) 7,0-24,0 Ионы нитрата (NO₃) 20,0-63,0 Ионы никеля (Ni²⁺) 0,05-1 0 Ионы железа(Fe³⁺) 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 (Zn²⁺) 5,55-18,72 Фосфорный ангидрид (Р₂О₅) 4,35-15,68 Ионы нитрата (NO₃ ^-) 9,25,-33,6 Ионы натрия (Na⁺) 0,56-2,46 Ионы аммония (NH₄ ⁺) 0,19-0,82 Вода остальное до 1 л,

причем массовое отношение суммы катионов к фосфорному ангидриду составляет (Zn²⁺+Na⁺):Р₂О₅=(1-3,47):(0,71-2,57), а массовое отношение ионов аммония к ионам натрия (NH₄ ⁺: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:

- величина ПДК никеля соли в виде гидроаэрозоля 0.005 мг/м³, класс опасности 1 -- чрезвычайно опасный.

- величина ПДК аммиака 20 мг/м³, класс опасности 4 - малоопасный.

- - величина ПДК натрия мг/м³, 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.

- величина ПДК ионов натрия мг/м³, 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.

Как видно из примеров (см. таблицу 1, пр.2, 3, 4), содержание ионов цинка, фосфорного ангидрида, нитратов, аммония, массового соотношения (Zn²⁺+Na⁺):P₂O₅ и NH₄ ⁺:Na⁺ в заявляемых пределах обеспечивает хорошие антифрикционные свойства и высокую стойкость волочильного инструмента.

Изменение содержания компонентов и массового соотношения (Zn²⁺+Na⁺):P₂O₅ 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).

Изобретение относится к обработке стальной поверхности, в частности к фосфатированию стальной поверхности, и может быть использовано в металлургической промышленности, а также машиностроении при производстве проволоки, калиброванного металла, деталей машин, труб. Раствор для фосфатирования стальной поверхности содержит, г/л: 5,55-18,72 ионов цинка (Zn²⁺), 4,35-15,68 фосфорного ангидрида (P₂O₅), 9,25-33,6 ионов нитрата (NO₃ ^-), 0,56-2,46 ионов натрия (Na⁺), 0,19-0,82 ионов аммония (NH₄ ⁺) и остальное - вода до 1 л. При этом массовое отношение суммы катионов цинка и натрия к фосфорному ангидриду в растворе составляет (Zn²⁺+Na⁺):P₂O₅=(1-3,47):(0,71-2,57), а массовое отношение ионов аммония к ионам натрия (NH₄ ⁺:Na⁺)=1:3. Изобретение позволяет получить качественное фосфатное покрытие и провести подготовку поверхности металла перед операциями мокрого волочения и другими операциями холодной деформации, а также обеспечивает безопасность и улучшает производственные условия труда за счет уменьшения токсичности промывных и сточных вод и воздуха в рабочей зоне. 1 табл.

Раствор для фосфатирования стальной поверхности, содержащий фосфорный ангидрид, ионы цинка, ионы нитрата, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ионы натрия и ионы аммония при следующем содержании компонентов, г/л:
ионы цинка (Zn²⁺) 5,55-18,72 фосфорный ангидрид (P₂O₅) 4,35-15,68 ионы нитрата (NO₃ ^-) 9,25-33,6 ионы натрия (Na⁺) 0,56-2,46 ионы аммония (NH₄ ⁺) 0,19-0,82 вода остальное до 1 л,