فرآیند آماده سازی سطح

   فرآيند آماده سازي سطح شامل تميزكاري سطح و ايجاد پوششهاي سطح (Coatings) مي‌باشد وپس از اتمام اين فرآيند، مرحله تكميلي و نهايي، رنگ‌كاري سطوح مورد نظر است. آماده سازي صحيح سطح، يكي از فاكتورهاي بسيار مهم در رنگ كاري است. كيفيت آماده سازي به طور مستقيم روي خواص پوششي رنگ تأثير مي‌گذارد. اگر بهترين نوع رنگ روي سطحي كه بخوبي آماده سازي نشده است پاشيده شود،‌ پوشش مناسبي ايجاد نخواهد كرد. سطوح مورد استفاده در صنعت داراي آلاينده‌هايي هستند كه بايد قبل از هركاري آنها را از روي سطح تميز كرد. آلودگيهايي كه به طور اوليه روي سطح قرار دارند عبارتند از:‌ توده‌هاي روغني، گريس، ته‌مانده‌هاي مواد قليايي،‌ زنگارها، تراشه‌ها و برشهاي فلزات، آب،‌ نمكهاي كلراته و سولفاته كه بايد حتماً جداسازي شوند. عمليات دقيق تميزكاري مكانيكي و يا شيميايي و يا احياناً تركيبي از اينها سطحي مناسب براي رنگ كاري ايجاد مي‌كند. بسته به شرايط و نوع آلاينده سطح مي‌توان از روشهاي مختلف تميزكاري از قبيل تميزكاري با حلال، تميزكاري امولسيوني، قليايي، الكتروليتي،‌سايشي، اسيدي، تميزكاري با نمك مذاب و تميزكاري ماوراي  صوت استفاده كرد.

    هدف از تميزكاري، چسبندگي رنگ به قطعه است. مهمترين آلاينده‌اي كه برسطوح فلزي وجود دارد،‌چربي است. اين سؤال مطرح مي‌شود كه چرا چربي وجود دارد؟ در پاسخ اين سؤال بايد گفت هنگاميكه بطور مثال از آهن استفاده مي‌كنيم آهن در شرايط هواي معمولي اكسيد مي‌شود كه اكسيدسياه آهن ناميده مي‌شود. اگر بدليل باقي ماندن قطعه در شرايط رطوبت و دماي بالا، اكسيد زرد آهن بوجود آيد، قطعه دچار خوردگي شده و شروع به زنگ زدن مي‌كند. براي اينكه مشكل خوردگي نداشته باشيم، بايد سطح آهن را از مجاورت در برابر هوا محافظت كنيم. در كارخانه،‌ روغنهاي محافظ سيكا 10 و سيكا 90 را روي سطح فولاد مي‌ريزند، تا هوا به سطح قطعه نرسد. پس، قبل از رنگ كاري بايد اين چربيها را پاك كنيم. بسته به نوع چربي، چربيگيرها 3 نوعند: 1- قليايي 2- اسيدي 3- خنثي. همچنين چربيگيرها را برحسب سرفاكتانت‌هاي آنها به سه دستة كاتيونيك، آنيونيك و غيريوني (Non Ionic) تقسيم مي‌كنند. سرفاكتانت‌ها (surface active agent) قطعه را براي مرحله بعد،‌ آماده مي‌كنند. چربي‌گير بايد از يك سري نمك استفاده كند تا بتواند در يك بالانسي از اين عناصر، آن خواصي را كه مي‌خواهيم اعمال كند. براي مثال، سيليكات براي جلوگيري از رسوب چربي و اينكه اجازه ندهد چربي دوباره روي سطح قطعه بنشيند، بكار مي‌رود. يا مثلاً،‌ كي‌ليت مورد نياز است تا چربي را بگيرد. وجود بي‌كربنات، سختي آب را كم مي‌كند و detergent باعث تميزكنندگي مي‌شود.

   تميزكاري با استفاده از روشهاي صحيح،‌ چسبندگي را افزايش داده، معمولاً از اسيدهاي معدني با در نظر گرفتن غلظت، زمان، دما و … جهت اين كار استفاده مي‌شود كه مي‌بايست سه فاكتور اصلي ذيل را رعايت نمود:‌

1-سطح كاملاً از مواد آلودكننده پاك گردد.

2-سطح از تركيبات ناخواسته پس از تميزشدن كاملاً پاك شده باشد.

3-در پايان و با استفاده از آب داغ، سطح در مرحله نهايي پاكيزه شود.

   همانطور كه اشاره شد،‌ در مرحلة آماده سازي بايد سطح را از انواع آلودگي‌ها از قبيل چربيها، زنگارها، مواد اكسيدي و … پاك سازي نمود. اين آماده سازي باعث ايجاد باندهاي مكانيكي و شيميايي بين سطح و آستر پوشش مي‌شود. براي محافظت سطح فولاد در مقابل خوردگي اعمال لازم را بايد در مرحلة آماده سازي انجام داد و قسمت هزينه بر واحد نيز قسمت محافظ كردن سطح در مقابل خوردگي است.

    آهني كه تميز شده بشدت مستعد خوردگي است، زيرا آهن نوزاد تشكيل شده است؛ در اين حالت،‌ بايد قطعه را رويين (passive) كنيم. رنگ بخاطر رزيني كه دارد (اوره فرمالدئيد،‌ ملامين فرمالدئيد) به آهن نمي‌چسبد. دليل آن اين است كه وقتي فلز چربيگيري شده را خشك كنيم و رنگ بزنيم، اين رزينها در طول زمان با سطح آهن (يون آهن) بعنوان كاتاليزور وارد عمل شده و باعث تسريع واكنش استريفيكاسيون (يا صابوني شدن) مي‌شود. با صابوني شدن، چسبندگي رنگ كم مي‌شود و قطعه از زير رنگ، شروع به طبله كردن مي‌كند و يا در اثر ضربه يا خمش، رنگ از روي قطعه كنده مي‌شود. براي اينكه از اين واكنش جلوگيري كنيم، از پوششهاي سطح (Coatings) استفاده مي‌كنيم. پوششها به دو دسته فلزي و غيرفلزي تقسيم مي‌گردند و با قطع ارتباط با محيط، از خوردگي پيشگيري نموده و يا آنرا كند مي‌نمايند. هنگام استفاده از پوششهاي فلزي كه اغلب ايجاد پيوندي متالوژيكي برروي سطح فلز مي‌نمايند، مي‌بايست دو عامل مقاومت در برابر خوردگي و جلا (زيبايي) را مدنظر داشت. به همين ترتيب ، پوششهاي غيرفلزي با ايجاد پيوندي مولكولي شيميايي و يا مكانيكي ارتباط با محيط را قطع نموده، زيبايي و زينت را هم مدنظر دارند. اين پوشش مي‌تواند لايه‌اي معدني از فسفات روي، آهن و يا منگنز باشد. فسفات (PO4-2) با توجه به ساختارش، پيوندي را با آهن تشكيل مي‌دهد و از طرفي باندهايي را آزاد گذاشته تا رنگ به آن محلها بچسبد و اين امر باعث مي‌شود كه يك پيوند شيميايي بين 3 لاية (آهن، لايه فسفات و رنگ) داشته باشيم. اين عمل، 3 نتيجه مثبت به همراه دارد:

  • جلوگيري از خوردگي.
  • جلوگيري از صابوني شدن.
  • تحكيم پيوندهاي يوني بين 3 لاية مذكور.

   پوششهاي واسط فسفاته در اثر واكنش بين يونهاي فسفات با سطح فلز، روي آن ايجاد مي‌شود. مكانيزم عمل به اين صورت است كه محلول اسيدي حاوي فسفات آهن يا روي به صورت پاششي يا غوطه‌وري با قطعة مورد نظر تماس پيدا مي‌كند، در لاية واسط بين محلول و سطح‌، PH افزايش مي‌يابد و در اثر اين افزايش، كريستالهاي فسفات، روي سطح رسوب مي‌كنند . با رسوب اين كريستالها، پوشش ايجاد مي‌شود. اين پوشش واسط، هم سطح را در مقابل خوردگي محافظت مي‌كند و هم تضرس لازم را براي پذيرش رنگ ايجاد مي‌نمايد.

فسفاتها به چند دستة مهم تقسيم مي‌شوند:

  • فسفاتهاي آهن: اين دسته سبك هستند و ساختمان كريستالي ندارند و معمولاً با مقدارهاي 8-0.16g/m2 استفاده مي‌گردند.
    – فسفاتهاي منگنز: اين دسته وزن سنگيني دارند و داراي ساختماني كريستالي هستند و با مقدارهاي 7.5-30g/m2 استفاده مي‌شوند. بطور كلي منگنز براي وسائل مهندسي كه احتياج به محافظت در برابر شكستن يا سائيدگي دارند، بكار برده مي‌شود.
  • فسفاتهاي روي: پوشش سبك اصلاح شده فسفات روي داراي ساختمان خوب بلوري بنام شولزيت (scholzite crystals) مي‌باشد كه اندازة قطر بلورها بين 3/0 تا 1 ميكرون است و با مقدارهاي 1-4.5 g/m2  استفاده مي‌شوند. اين نوع پوشش، سطح فعالي جهت چسبيدن رنگ همراه با حداكثر مقاومت در برابر خوردگي بوجود مي‌آورد.
  • فسفاتهاي سرب: استفاده از پوشش فسفات سرب عموميت ندارد، ولي خاصيت لايه‌اي كه توليد مي‌كند، امكان كاربرد آن را در مراحل داخلي و قطعاتي كه احتمال ساييدگي داخلي دارند، مي‌دهد. بزرگترين مزيت فسفات سرب آن است كه محلول در حرارت معمولي (اتاق) عمل خواهد كرد.

   آن دسته از فسفاتهايي كه داراي ساختمان كريستالي هستند، روغنها و واكسها را به خوبي نگهداشته، با اين عمل مقاومت در برابر خوردگي را افزايش مي‌دهند. نمك فسفاتها در اسيدها حل مي‌شوند و باعث افزايش PH و خنثي شدن اسيد گشته، رسوب فلزي هم بوجود مي‌آيد. البته با قرار گرفتن فلزات در اسيدفسفريك، امكان رسوب كردن فسفات هم وجود دارد:

   همچنين بايد به اين مطلب اشاره كنيم كه فرمولهاي نمك فسفات از 8 تا 10 ماده تشكيل شده كه در 3 دستة زير، تقسيم بندي مي‌شوند:

  • پايه اسيدي فسفاته كه عموماً از اسيدفسفريك استفاده مي‌شود.
  • نمك فلزي كه بسته به نوع فسفاتهايي است كه مصرف مي‌كنيم.
  • شتاب دهنده‌ها (accelerator) كه تركيباتي هستند كه براي تسريع زمان فرآيند، طولاني كردن عمر مفيد حمام فسفاته و ايجاد يك پوشش با كيفيت عالي و يكنواخت بكار مي‌روند، كه بعضي براساس زمان مصرفشان، بعضي براساس يكنواختي لايه فسفاته كه به سطح مي‌دهند و بعضي براساس ماندگاري، تقسيم بندي مي‌شوند. مواد اكسيدان از مهمترين شتابدهنده‌هايي هستند كه به طور معمول به فرمولاسيون محلول فسفاته افزوده مي‌شوند. اين مواد با تبديل يون فرو به فريك برروي دپلاريزاسيون هيدروژن كه خود بوسيلة واكنش اسيد فسفريك و فسفات اسيدها حاصل مي‌شود،‌ اثر مفيدي اعمال مي‌كنند.

   همانطور كه اشاره شد،‌ مهمترين كاربرد پوشش فسفات در صنايع فلزي، افزايش خاصيت چسبندگي رنگ به فلز مي‌باشد و بر روي ظاهر و سختي سطح فلز، خواص الكتريكي و  مقاومت در برابر خوردگي تأثير مي‌گذارد.

   تكنولوژي فسفاته كردن به شيوة مدرن، در اوايل قرن بيستم در انگلستان آغاز شد. در اين روش محلول اسيدفسفريك بمنظور ايجاد يك لايه فسفات بر روي استيل مورد استفاده قرار گرفت و يك سطح پوششي بهتر، هنگامي كه  از محلول اسيدفسفريكي دي هيدروژن فسفات آهن II، Fe(H2PO4)2 استفاده شد، بدست آمد.

در عمليات فسفاته كردن، سيكل زير بايد طي شود كه در اينجا به اختصار به آن اشاره مي‌شود:

  • عمليات مقدماتي (Pretreatment): به روشهاي شيميايي يا مكانيكي بايد سطح را تميز كرد تا پوشش فسفاته مطلوبي روي سطح ايجاد شود. علاوه بر روشهاي شستشو، فرو بردن قبلي فلز در محلولهاي اسيد اگزاليك، نيتريت سديم و محلولهاي شامل فلزات سنگين مثل مس و نيكل،‌ تأثير مثبتي بر فرآيند فسفاته كردن دارند. بكاربردن تركيبات دي سديم فسفات و فسفات تيتانيم بي‌آب در محلول عمليات مقدماتي،‌ تأثير مفيد و موفقيت‌آميزي در فرآيند بعدي فسفاته كردن، اعم از روشهاي ديپ (immersion) يا اسپري (spray) برجاي مي‌گذارد.
  • فرآيند فسفاته كردن (Phosphatizing process): تهيه يك حمام محتوي محلول 3/0 تا 4 درصد فسفات روي كه شامل محلول نيتريت سديم بغلظت ماكزيمم 2% باشد مي‌‌تواند فرآيند مطلوبي بدست دهد. زمان فسفاته كردن،‌ در روش ديپ 5 تا 10 دقيقه در حمامي با حرارت oC71 تا oC81 و در روش اسپري ماكزيمم زمان، 5/0 دقيقه در حرارت oC49 تا oC60 براي تشكيل يك پوشش يكنواخت از محلول فسفات برسطح فلز كافي است.
  • عمليات نهايي (Final treatment) : محصول فرآيند شده در عمليات فسفاته كردن، بايد مراحل شستشوي با آب و شستشوي نهايي در يك محلول رويين را طي نمايد. شستشوي نهايي ممكن است يك خشك كردن ساده در اثر حرارت باشد و يا شامل عبور از محلول محتوي تا 25% اسيدكروميك يا تا يك درصد كرومات يك فلز قليايي، كمپلكس‌هاي كروم و يا تركيبي از اسيدفسفريك و اسيد كروميك باشد.

  با استفاده از روشهاي الكتروشيميايي و معمولاً با استفاده از Cr6+ ، رسوبات سطحي كرومات ساخته مي‌شوند. با اين عمل مقاومت در برابر خوردگي و همچنين چسبندگي رنگ افزايش مي‌يابد. برروي اين لايه، فلزاتي همانند:‌ Al ، Zn، Cu، Cd ، Sn ،‌Ni ، Ag و … پوشانيده مي‌شوند. با اعمال پوشش كروماته برروي سطوح فلزي تا مدتها سطح بدون رنگ كاري، در مجاورت هوا محافظت مي‌شود. البته بدليل سرطان‌زا بودن Cr6+، توصيه مي‌شود از مصرف اين ماده اجتناب شود.

بعد از اتمام عمليات آماده سازي سطح، قطعه، آمادة رنگ كاري است.