冷轧板表面粗糙度对磷化性能的影响
文/郝晓东
摘要：不同表面粗糙度的冷轧板进行磷化处理后，采用T1000粗糙度仪对基板表面粗糙度进行测定，通过脱膜法、扫描电镜、摩擦试验机对磷化膜膜重、表面形貌、摩擦系数和耐磨性进行了研究。结果表明，基板表面粗糙度对磷化膜膜重影响不大；表面粗糙度较小，则形成的磷化膜均匀致密且粒径较小，磷化膜摩擦系数相对较大，耐磨性相对较差；反之若表面粗糙度较大，则形成的磷化膜相对疏松粒径较大，磷化膜表面摩擦系数较小，耐磨性较好。
关键词：冷轧板；表面粗糙度；磷化；摩擦系数；耐磨性
磷化处理作为涂装前处理一个重要工序，在钢桶生产行业得到广泛应用。为保证钢桶涂漆质量，涂装前须采用磷化技术对钢桶表面进行处理，钢桶表面磷化膜质量的好坏直接影响涂层与金属基材的保护作用。近年来，钢桶行业薄板件几乎全部采用磷化处理。陈义庆等对冷轧钢板表面粗糙度进行改进后，磷化膜晶粒变得细小、均匀，膜重增大，表面粗糙度增大，表面粗糙度参数（RPc）值也增大，中性盐雾测试耐蚀性能提高，提出表面粗糙度最好控制在0.75～0.95μｍ，RPc控制在60～80峰个数/cm。陈义庆等研究了两种冷轧板的表面状态对磷化性能的影响，提出冷轧板表面粗糙度增加，有利于形成均匀致密的磷化膜。本工作通过对不同粗糙度的钢板进行磷化处理，研究了冷轧钢板表面粗糙度对磷化膜性能的影响。
1 试验
1.1 试验材料与仪器
试验用钢板为宝钢冷轧板和马钢冷轧板。采用T1000粗糙度仪进行钢板表面粗糙度测量。采用重铬酸脱膜法检测磷化膜重。采用金相显微镜对磷化膜表面形貌进行观察。采用MMW-1A摩擦试验机对磷化膜的摩擦系数和耐磨性进行测量，试验力为100N，主轴转速为60r/min，试验时间为10min，选用小止推圈摩擦副，试样尺寸为55mm×55mm。
1.2 磷化工艺
冷轧钢板表面具体磷化工艺为：脱脂（60min，45℃）→水洗（60min，室温）→表调20min，室温）→磷化（120min，45℃）→普通水洗（40min，室温）→去离子水洗（60min，室温）→烘干。磷化过程中，磷化液采用AD-4856，AD-4055，AC-131；磷化液总酸度为23.0Pt，游离酸度为0.9Pt，促进剂浓度为2.5Pt。
2 结果与讨论
2.1 表面粗糙度测定
选择马钢和宝钢不同批次不同钢种，对其正面和反面六个部位的的粗糙度进行测量，取其平均值，结果见表１。
表1 不同钢板表面粗糙度
| 序号 |
钢种 |
Ra/μm |
RPc峰个数/cm |
正面 |
背面 |
正面 |
背面 |
1号 |
马钢DC04
A098014722 |
1.125 |
1.048 |
86 |
89 |
2号 |
马钢DC04
A098014732 |
1.185 |
0.990 |
84 |
96 |
3号 |
马钢DC01
A098015152 |
1.293 |
1.156 |
94 |
91 |
4号 |
宝钢DC06 |
0.978 |
0.920 |
107 |
116 |
由表1可见，宝钢板的Ra值低于马钢板，但其RPc值高于马钢板。马钢钢板正反面表面粗糙度相对较为均匀，正反面平均粗糙度相差不大的1号和4号冷轧板进行对比试验。
2.2 磷化膜表面形貌
图1为马钢和宝钢冷轧板磷化后的表面形貌。
（左）4号；（右）1号
图1 磷化膜表面形貌
由图1可见，4号磷化板比1号磷化板表面更加凸凹不平，小凸峰数目明显偏多，这是因为根据表2中结果，4号磷化板的RPc值更高。4号磷化板的磷化膜颗粒直径在2.00～4.24μｍ；1号磷化板的磷化膜颗粒直径在2.61～4.49μｍ；故4号磷化板的磷化膜颗粒直径小于1号磷化板。这是因为1号板的RPc值更高，因此在磷化过程中形成了更多的磷化膜形核点，同等条件下生成了更多的磷化膜颗粒，因此颗粒更加均匀致密且粒径相对较小。由图1还可以看出，两种磷化板的磷化膜在微观颗粒形貌、致密度上没有明显区别。
2.3 磷化膜重
表2为采用重铬酸脱膜法测得的膜重。由表2可见，1号和4号钢板的磷化膜重相同，说明了基板的表面粗糙度对膜重影响不大。
表2 磷化后膜重
| 试样号 |
脱模前后质量差
/g |
试样大小（mm×mm） |
试样表面积（双面）
/m2 |
膜重
/g.m-2 |
1号 |
0.061 |
150×70 |
0.021 |
2.90 |
4号 |
0.061 |
150×70 |
0.021 |
2.90 |
2.4 磷化膜摩擦磨损性能
图2为磷化膜摩擦试验后表面形貌。由图2可见，4号钢板磷化膜磨损破裂程度相对比较严重，磷化膜磨损痕迹相对比较均匀；1号钢板磷化膜磨损痕迹不均匀，有的位置磨损破裂程度相对较重，有的位置磨损破裂程度相对较轻。表明1号钢板的磷化膜耐磨性更高，但不够均匀，不同区域磨损破裂程度差别较大，测定的摩擦系数结果见图3。由图3可见，4号钢板磷化后摩擦系数为0.5～0.6，1号钢板磷化膜的摩擦系数为0.4左右。摩擦系数越小，耐磨性也就越好，整体来看，1号钢板磷化膜摩擦系数小于4号钢板，耐磨性优于4号钢板，这可能是由于1号钢板磷化膜的颗粒较大，在磨损过程中表现的更加耐磨。因此对于磷化钢板的基板表面粗糙度控制的相对大一些能够减小磷化膜的摩擦系数，增加耐磨性。
（左）4号；（右）1号
图2 两种钢板摩擦试验后表面形貌
（左）4号；（右）1号
图3 两种钢板的磷化膜摩擦系数曲线
3 结论
（1）Ra值较小，则RPc值较高，冷轧板在磷化过程中形核点较多，则磷化膜更均匀致密，同时磷化膜颗粒粒径相对较小；
（2）基板表面粗糙度对磷化膜膜重影响不大；
（3）基板表面粗糙度较大，磷化膜摩擦系数则相对较小，耐磨性更好。
