فسفاته کاری و تاثیر دما در کیفیت پوشش

دما چه تاثیری بر کیفیت پوشش های فسفاته و چسبندگی لایه دارد

 
در مورد تاثیر دما در کیفیت پوشش های فسفاته ، همانطور که در مقالات پیشین نیز توضیح داده شد، فرایند آماده سازی سطح که به انگلیسی Pre–Treatment نامیده می شود از مراحل اولیه در سالن رنگ کاری است. این پروسه شامل دو بخش چربی گیری و فسفاته کاری است.
فسفاته کاری نوعی پوشش دهی تبدیلی بر روی فلز است. در این فرآیند از طریق محلول رقیق اسید فسفریک لایه ای غیر قابل حل از کریستال های فسفاته روی سطح فلز ایجاد می کند.


 

اهمیت عملیات پوشش دهی

این پوشش دهی به منظور افزایش طول عمر قطعات رنگ شده لازم است و در صنایع خودروسازی از جایگاه مهمی بر خوردار است. زیرا بدنه خودرو به دلیل در تماس بودن با محیط و شرایط آب و هوایی مختلف باید دارای مقاومت به خوردگی بالایی باشند.
به همین دلیل اولین لایه ای که روی سطح فلز و بدنه قرار می گیرد باید دارای درجه بالایی از مقاومت به خوردگی داشته باشند.

برای این منظور پوشش های فسفاته متداول ترین پوشش هایی هستند که مورد استفاده قرار می گیرند.
در این فرایند پارامترهای مختلفی وجود دارند که هر یک بر کیفیت نهایی فسفاته موثر است. این پارامترها را باید به نحوی تحت کنترل داشت. در این پژوهش بررسی اثر پارامتر دما روی کیفیت فسفاته به عنوان هدف اصلی مد نظر قرار گرفته و بهترین شرایط مخزن فسفاته از نظر دما به دست آمد.
 

فرآیند PT

کل فرآیند PT در سالن رنگ جدید سایپا، حدود 55 دقیقه و مرحله فسفاتاسیون حدود 6-5 دقیقه به طول می انجامد. جهت بررسی اثر دما بر کیفیت فسفاته می توان نتیجه گرفت که در مخزن فسفاته با افزایش دما، وزن پوشش همچنان افزایش یافته است. در یک محدوده دمایی معین وزن پوشش حاصله دارای بهترین خواص ضد خوردگی و چسبندگی به لایه اعمالی بعدی است.
 
PT جهت رفع چربی ها و آثار جوشکاری و احیانا زنگ زدگی سطح فلز و همچنین افزایش چسبندگی لایه های بعدی رنک به سطح فلز می باشد. آماده سازی و فسفاته کردن امکان زنگ زدگی و خوردگی آتی فلز را کاهش می دهد.
 

چربی گیری قلیایی

چربی گیری قلیایی معمولا به شیوه غوطه وری یا پاشش انجام می گیرد. این مرحله با استفاده از مواد قلیایی که بر پایه سود یا تری سدیم فسفات و متاسیلیکات و کربنات سدیم است روغن و گریس سطح فلز صابونی شده و جدا می گردد.
استفاده از پاشش پر فشار این مواد سطح فلز را سریع تر تمیز می کند. بدنه خودرو پس از چربی گیری قلیایی، کاملا آبکشی شده و بعد به مراحل فسفاته وارد می گردد.
 

فسفاته کاری

فسفاته کردن یکی از شیوه های ایجاد پوشش تبدیلی است که باعث افزایش چسبندگی سطح و ایجاد یک لایه محافظ خوردگی می شود. محلول های فسفاته به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

• فسفاته آهن
• فسفاته منگنز
• فسفات روی

 
فسفاته آهن
محلول های فسفاته آهن، پوششی با وزن کم و غیر بلوری تشکیل می دهد. این محول ها هنگامی به کار برده می شوند که زیرسازی سطح از اهمیت زیادی برخوردار نبوده و به مقاومت در برابر خوردگی بالایی احتیاج نباشد. کاربرد صنعتی این نوع فسفاته در لوازم خانگی و مبلمان فلزی می باشد.
 
فسفاته منگنز
محلول های فسفات منگنز عموما هنگامی به کار برده می شوند که احتیاج به یک لایه درشت کریستالی مقاوم در برابر خوردگی بر روی سطح فلز باشد و عملیات رنگ کاری بعدی مورد نظر نباشد. از این ماده جهت پوشش دادن بوش ها، قطعات جلوبندی خودروها و قطعات داخلی جعبه دنده استفاده می شود.
 
فسفاته روی
محلول های فسفاته روی از اهمیت و کاربرد بیشتری نسبت به دو نوع دیگر در صنعت برخوردار است. به طوریکه از کل فسفاته های مصرفی در جهان، حدود 70 درصد آن به فسفاته روی تعلق دارد.
فسفاته های روی به دو دسته اصلی زیر  تقسیم بندی می شوند:

• دی کاتیونیک
• تری کاتیونیک

 
فسفاته روی دی کاتیونیک به دو گروه عمده دی کاتیونیک روی نیکل و دی کاتیونیک روی –کلسیم طبقه بندی می شوند. مورد مصرف فسفاته های روی دی کاتیونیک در لوازم خانگی مانند تولید یخچال فریز، ماشین لباسشویی و قطعات جانبی خودرو و بندرت در بدنه خودرو می باشد.
رنگ این نوع از فسفاته ها خاکستری روشن تا تیره می باشد. فسفاته روی تری کاتیو نیک به صورت فسفاته روی –نیکل –منگنز می باشد.
 

مکانیزم فسفاته کردن

مکانیزم فسفاته کردن شامل دو مرحله واکنش اسید شویی و واکنش پوشش دهی می شود . در مرحله واکنش اسید شویی موقع تماس محلول فسفات روی با سطح فلز اتفاق می افتد که مقداری از سطح فلز در محلول حل می شود.
در واکنش دوم اسید آزاد در فصل مشترک فلز–مایع نمی تواند محلول باقی بماند و با فسفات محلول واکنش داده و به صورت کریستال های فسفاته روی بر سطح فلز رسوب می کند.
 

تاثیر لایه فسفاته در چسبندگی رنگ

لایه فسفاته که روی سطح تشکیل می شود لایه ای است متشکل از کریستال های ریز و فشرده نمک های فسفات فلزی که متخلخل نیز هست. این تخلخل موجب می شود که چسبندگی رنگ به سطح فلز به میزان قابل ملاحظه ای افزایش یابد .
وجود این لایه از واکنش های احتمالی و نامطلوب بین رنگ رویه و فلز پایه جلوگیری می کند. فیلم ایجاد شده سطح فلز و لایه آستر اولیه ED را افزایش داده و پوشش یکنواخت و پایداری ایجاد می شود.
افزایش وزن پوشش فسفاته، باعث افزایش مقاومت خوردگی و کاهش چسبندگی پوشش بعدی به فلز می شود. لذا کنترل وزن پوشش در طی عملیات فسفاته کردن بسیار اهمیت دارد.
 

نقش زمان در عملیات فسفاته کاری

هر چقدر مدت زمان عملیات فسفاته کردن بیشتر باشد، به علت کامل تر شدن فرآیند پوشش، قطعه از خود مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نشان می دهد.
این مطلب بالا بدان معنی نیست که زمان هرچه بیشتر عملیات برای ما مطلوبتر است. زیرا در سیستم فسفاتاسیون به روش غوطه وری، واکنشهای تشکیل پوشش در مدت زمان 5 دقیقه تکمیل می شود. بیشتر ماندن قطعه در داخل محلول فقط موجب می شود که نقاط توخالی باقیمانه پر شوند. پس از فسفاته کردن سطح کاملا با آب بدون یون آبکشی می گردد. پس از خشک شدن آماده پذیرش آستر اول یا پوشش ED است.
 

فرآیند PT سالن رنگ سایپا

عملیات PT سالن رنگ سایپا شامل 13 مرحله می باشد. در واحدهای صنعتی با توجه به میزان تولید و شرایط خط تولید، سرعت خط در هنگام طراحی کارخانه تعیین می شود و زمان پوشش دهی مشخص است.
مایعات به وسیله سیستم های اسپری و dip tank ( غوطه ور شدن بدنه در مخزن ) از تمام جهات بدنه را فرا می گیرند. بسته به نوع فرایند مورد نظر دما و غلظت مواد مختلف باید تک تک در هر مرحله تنظیم شوند. در اواسط و انتهای هر مرحله شستشوی سطح بدنه انجام می شود.
 

عملیات شستشو

جهت پاک کردن سطح از مواد باقیمانده و جلوگیری از انتقال مواد شیمیایی یک مرحله به مرحله بعد عملیات شستشو انجام می شود.
همچنین در انتها هر ناحیه توسط ناحیه های پاششی از ناحیه بعدی جدا می شود.
بدنه ها توسط کانوایر های معلق و آویزان در طول خط حرکت می کنند. تمام ناحیه ها به وسیله تونلهایی محصور شده اند تا سطح بدنه را از گرد و غبار حفظ کنند و از خروج گازها جلوگیری نمایند.
به علت دمای بالا و اتمی شدن مایع در عملیات اسپری کردن، تونل دائما با بخار پر می شود. برای شستشوی نهایی، آب دیونیزه شده (DI) استفاده می شود تا هیچ نمکی روی سطح باقی نماند.
 

حمام فسفاته

مانند پروسه چربی زدایی دمای بالاتر واکنش های شیمیایی را بهبود می بخشد. به این دلیل ، حمام فسفاته تا دمای 55 درجه سانتیگراد گرم می شود.
حمام به وسیله مبدل حرارتی صفحه ای ، توسط مدار اولیه و ثانویه گرم می شود. سیستم گرم کردن مستقیم در مدار اولیه ، محلول فسفات آهن را در معرض دمایی حدود 100 درجه سانتیگراد در صفحات تماسی قرار می دهد.
در نتیجه لجن فسفات آهن به سرعت روی سطح مبدل حرارتی جمع می شود و آن را پس از مدت کوتاهی غیر قابل استفاده می نماید. اما مدار ثانویه در دمای پایین تری کار می کند. در نتیجه تجمع رسوبات روی مبدل حرارتی کاهش می یابد، اگر چه نمی تواند به طور کامل از بروز این مشکل جلوگیری کند.
 

محلول فسفاته مورد استفاده در خط PT سایپا

در شرکت سایپا از فسفاته روی تری کاتیونیک روی – نیکل – منگنز استفاده می شود که از جدیدترین انواع فسفاته معمول در صنایع خودرو سازی محسوب می شود. پوشش تشکیل شده حاصل از آن بر روی سطح فلزی پوششی یکنواخت فشرده و نرم به صورت میکرو کریستالی می باشد.
رنگ پوشش، خاکستری روشن است و پایه مناسبی برای کلیه پوشش های بعدی (آستر اولیه ED) می باشد. مقاومت در برابر خوردگی و چسبندگی به رنگ این پوشش در مقایسه با دیگر انواع محلول های فسفاته به میزان قابل توجهی مطلوب تر و بالا تر است.

وزن پوشش ( گرم بر متر مربع )

جهت ارزیابی فسفاته، معمولا وزن پوشش نسبت به ضخامت پوشش مد نظر قرار می گیرد. زیرا اندازه گیری ضخامت مشکل است. برای پوشش کم و متوسط، پوشش یک میکرون معادل 2-5/1 گرم بر متر مربع است.
اگر کاهش ضخامت پوشش خیلی زیاد باشد، میزان چسبندگی لایه ED و در حقیقت اثر ضد خوردگی کاهش می یابد. وزن پوشش ایده ال بین 4/2 – 4/1 گرم بر متر مربع می باشد.
 

روش اندازه گیری وزن پوشش

برای اندازه گیری وزن پوشش، از محلول مخصوص آن ( که شامل آب و تری اتانول آمین و سود با نسبت مشخص است ) استفاده می شود.
ابتدا پلیت نمونه با سطح تمیز شده در ابعاد 10*20 سانتیمتر را در جیگ پلیت قرار می دهند. در مرحله بعد به همراه بدنه از کلیه مراحل خط PT عبور کرده و در انتهای خط، پلیت برداشته شده و دقیقا وزن آن اندازه گیری شود.
سپس به مدت 2 دقیقه به طور کامل در محلول غوطه ور می شود. پس از آن از محلول خارج شده و بعد از خشک شدن مجددا  توزین می شود. تفاوت دو وزن حاصل تقسیم بر سطح پلیت، وزن پوشش را بر حسب گرم بر متر مربع نشان می دهد.
 

عملیات فسفاتاسیون

برای بررسی اثر پارامتر دما روی کیفیت وزن پوشش فسفاته و چسبندگی لایه (ED) با تهیه پلیت های نمونه با ابعاد 10*20 سانتیمتر از جنس بدنه پراید، عمل فسفاتاسیون روی آنها انجام شد. هدف از انجام آزمایش به دست آوردن بهترین محدوده دمایی – که منجر به وزن پوشش مطلوب می شود – تعیین شد.
 

تاثیر وزن پوشش در چسبندگی لایه

با توجه به اینکه وزن پوشش در چسبندگی لایه ED نقش مهمی دارد ، تعیین بهترین محدوده وزن پوشش می تواند در کیفیت نهایی فسفاته موثر باشد.
همانطور که مشخص است پارامتر دما، رابطه مستقیم با وزن پوشش داشته و در نهایت نقش مهمی بر کیفیت ظاهری و عملکرد لایه های رنگ دارد. لذا در اجرای این پروژه با اعمال تغییر در دمای مخزن ، تغییرات ایجاد شده بر کیفیت بررسی گردید.
در شروع کار ، دمای مخزن 44 درجه سانتیگراد انتخاب شد و دما به تدریج و هر بار 2 درجه سانتیگراد کاهش داده شد تا به 38 درجه سانتیگراد رسید.
نتایج حاصل در هر مرحله – وزن پوشش فسفاته بر روی پلیت نمونه در دماهای مختلف به دست آمد. همانطور که انتظار می رفت با کاهش دما، وزن پوشش کاهش یافته است. نتایج حاصله نشان می دهد که میزان وزن پوشش در محدوده مطلوب قرار دارد.
 

اثر کاهش و افزایش دما

پس از بررسی کاهش دما بر وزن پوشش و مشاهده اثر آن روی بدنه ها و بررسی پوشش ظاهری دما به حالت قبل (24 درجه سانتیگراد ) بر گردانده شد. سپس برای بررسی افزایش دما در این مرحله دما هر مرتبه 2 درجه سانتیگراد افزایش داده شد تا به 52 درجه سانتی گراد رسید.
در این حالت نیز مطابق انتظار با افزایش دما وزن پوشش زیاد شده است. همچنین میزان وزن پوشش در محدوده مطلوب قرار دارد. همچنین بازرسی ظاهری پوشش فسفاته سطح بدنه ها انجام شد.
پس از انجام مرحله ED و عبور از کوره مربوط ، روی پلیتهای ED در هر مرحله تست کراس کات جهت سنجش میزان چسبندگی لایه ED انجام شد.
با توجه به آنکه پلیتهای ED شده با وزن پوشش های مختلف تهیه شده، مقایسه کیفی آنها مد نظر قرار گرفت است. ایرادهای کیفی موجود از قبیل عدم پوشش یکنواخت، وجود لکه های سیاه و یا رگه در سطح بدنه بررسی شد. همچنین آزمون کریستالوگرافی نمونه ها تهیه و بررسی صورت گرفت.
 

نتیجه گیری

با توجه به افزایش وزن پوشش، میزان چسبندگی کمتر شده است. در وزن پوشش 2/2 تا 4/2 گرم بر سانتیمتر مربع هیچ گونه عدم چسبندگی مشاهده نمی شود.
همچنین بررسی نتایج کریستالو گرافی نشان می دهد بهترین حالت کریستالها ( تراکم مناسب و یکنواخت و همگونی آنها ) در محدوده وزن پوشش فوق حاصل می شود. این وزن پوشش مربوط به محدوده دمایی 46 تا 48 درجه سانتیگراد می باشد.
 

اثر محدوده دمایی مخلف بر پوشش و رنگ آن

در حقیقت در این دما ، پوشش به رنگ خاکستری روشن، میکروکریستالی و فشرده می باشد. از نظر ظاهری نیز در دماهای بالاتر از 48 درجه سانتیگراد (به دلیل تشکیل بخارات بیشتر در مخزن فسفاته)، لکه هایی در سطح بدنه مشاهده می شود. در دماهای کمتر از 42 درجه سانتیگراد پوشش غیر یکنواخت در برخی از قسمت های سطوح بدنه ها مشاهده می گردد.
در کل با توجه به مجموع موارد تعیین شده با در نظر گرفتن شرایط موجود در خط PT سالن رنگ جدید شرکت، بهترین کیفیت فسفاته ( با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها) در محدوده 46 تا 48 درجه سانتیگراد حاصل می شود.
در دمای 40 درجه سانتیگراد بعلت دور شدن از محدوده دمایی بهینه، تشکیل پوشش به خوبی صورت نمی گیرد. در این حالت پوشش به رنگ خاکستری روشن ولی با نقاط تو خالی می باشد. در دماهای پایین تر همراه با زنگ زدگی نیز هست. این امر نهایتا منجر به پایین آمدن تدریجی مقاومت در برابر خوردگی می شود.
در دماهای بالاتر از 52 درجه سانتیگراد هم به دلایل فوق و هم به دلیل زیادی شدن رسوب محلول فسفاته، کیفیت پوشش افت پیدا می کند.
طبیعتا مقاومت در برابر خوردگی پوشش نیز کاهش می یابد. رنگ پوشش در دماهای بالاتر از 55 درجه سانتیگراد به خاکستری تیره می گراید که گواه بر نامناسب بودن ماهیت پوشش نیز هست.