مقایسة اثر فسفاته و پوشش زیرکونیوم بر خواص نهایی رنگ

  ارائه دهنده مقاله : جناب آقای علیرضا قنبری   

 
1- مقدمه
جهت بهبود خواص ضدخوردگي فلزات از روشهاي مختلفي استفاده مي‌شود كه از جمله مهمترين آنها مي‌توان به استفاده از پوششهاي مختلف سطح، حفاظت آندي و حفاظت كاتدي اشاره كرد. پوششهاي تبديلي ، استفاده از رنگها، پوششهای معدني و فلزي،‌ از جمله مهمترین روشهای مورد استفاده جهت بهبود مقاومت به خوردگي انواع فلزات مي‌باشند.
جهت بهبود عملكرد ضدخوردگي و همچنين افزايش چسبندگي رنگ به زيرآيند، از پوششهاي تبديلي استفاده مي‌شود. هدف از اين گزارش مقایسه عملکرد چسبندگی و ضدخوردگی رنگ با دو نوع آماده‌سازی فسفاته و پوشش تبديلي زيركونيوم مي‌باشد.
2- معایب عمومی پوشش فسفاته
با توجه به معایب پوششهای فسفاته که در ذیل به آنها اشاره شده است، محققین مختلف در فکر جایگزینی این پوشش می‌باشند.
 اجرا در دمای بالا: فرآیند اجرای پوششهای فسفاته معمولاً بالاتر از دمای 50 درجه سانتيگراد می‌باشد. این امر نشان می‌دهد که هزینه‌ی انرژی برای اجرای این فرآیند بالا می‌باشد.
 طولانی بودن اجرای فرآیند: فسفاته کاری معمولاً بیشتر از 4 دقیقه به طول می‌انجامد.
 تشکیل لجن در حین اجرا: فسفاته کاری با تشکیل لجن همراه است و فرآیند لجن زدایی هزینه‌بر و زمانبر است.
 مشکلات زیست محیطی: محلول‌های فسفاته معمولاً حاوی فلزات سنگین می‌باشند و وجود این فلزات باعث مشکلات زیست‌محیطی می‌شود.
3- مزایای عمومی پوشش تبدیلی زیرکونیوم
پوشش تبدیلی زیرکونیوم دارای مزایای عمده ذیل می‌باشد:
 اجرا در دماي محیط: این پوشش به دمای بالا برای اجرا نیاز ندارد. دمای اجرای این پوشش در دمای محیط می‌باشد.
 اجرا بدون تشكيل لجن: در حین اجرای فرآیند پوشش تبدیلی زیرکونیوم، هیچگونه لجنی در محلول تشکیل نمی‌شود.
 عدم ایجاد مشکلات زیست محیطی: این محلول مشکلات زیست محیطی ایجاد نمی‌کند. یون زیرکونیوم از جمله فلزات سنگین نبوده و مشکلات زیست محیطی ندارد.
 کاهش زمان اجرای فرآیند: فرآیند تشکیل فیلم در این محلول بین 90 تا 120 ثانیه می‌باشد که بسیار کوتاه‌تر از فرآیند فسفاته‌کاری می‌باشد.
4- مقایسه‌ی تطبیقی اثر فسفاته و پوشش زیرکونیوم بر خواص نهایی رنگ
در ادامه تستهایی که جهت بررسی و مقایسه‌ی خواص دو پوشش تبدیلی فسفاته و پوشش تبدیلی زیرکونیوم انجام گرفته است، ارائه می‌شود. لازم به ذکر است که تعداد تستهای انجام گرفته بسیار زیاد می‌باشد که در این گزارش فنی، تنها مهمترین و کاربردی‌ترین تستها ارائه خواهد شد.
4-1- آزمون چسبندگی Cross-Cut
یکی از مهمترین پارامترهای عملکردی یک پوشش تبدیلی، عملکرد آن در بهبود خاصیت چسبندگی رنگ می باشد. آزمونهای مختلفی جهت بررسی پارامتر چسبندگی وجود دارند. از جمله مهمترین آنها آزمون چسبندگی Cross-Cut می باشد. این آزمون به طور مقایسه ای بر روی فولاد بدون آماده سازی، فولاد فسفاته شده (فسفاته 3 کاتیونی) و فولاد آماده سازی شده در حمام زیرکونیوم انجام گرفت. نتایج ظاهری این نمونه ها در شکل 1 نشان داده شده است.

فولاد کربنی بدون پوشش تبدیل

فولاد کربنی با پوشش تبدیلی بر پایه زیرکونیوم

فولاد کربنی فسفاته شده

شکل 5 - شکل ظاهری نمونه ها بعد از آزمون چسبندگی Cross-Cut
نتایج ظاهری این آزمون نشان می دهد که چسبندگی آستر اپوکسی به فلز زمینه (بدون پوشش تبدیلی) مطابق استاندارد ASTM D 3359-95a حدود 3B می باشد. این در حالی است که چسبندگی بعد از اعمال پوششهای تبدیلی فسفاته و زیرکونیوم به 5B افزایش می‌یابد. این امر نشان دهنده‌ی عملکرد مثبت پوشش تبدیلی پایه زیرکونیوم در ارتقای عملکرد چسبندگی رنگ می‌باشد. همچنین خواص پوشش زیرکونیوم در چسبندگی رنگ مانند فسفاته می‌باشد.
4-2- آزمون چسبندگی Pull-Off
یکی دیگر از تکنیکهای مهم بررسی میزان کمی چسبندگی، آزمون چسبندگی Pull-Off می باشد. از مهمترین ویژگیهای منحصر به فرد این تکنیک می توان به ارزیابی کمی پدیده چسبندگی اشاره کرد. این آزمون مطابق استاندارد ASTM D 4541 بر روی نمونه های بدون پوشش تبدیلی و فولاد فسقاته شده و همچنین فولاد آماده سازی شده در حمام پوشش تبدیلی پایه زیرکونیوم اجرا شد. نتایج ظاهری نمونه ها بعد از آزمون چسبندگی Pull-Offدرشکل 

2 نشان داده شده است.

فولاد

فولاد با پوشش زیرکونیوم

فولاد فسفاته شده

شکل 2- شکل ظاهری نمونه ها بعد از آزمون چسبندگی Pull-Off
همانطور که از نتایج آزمون در شکل 2 مشخص است، دو پدیده نقص چسبندگی (Adhesion Failure) و نقص پیوستگی (Cohesion Failure) بعد از آزمون Pull-Off مشاهده می شود. نحوه شکل گیری این دو پدیده به طور شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3- نحوه شکل گیری دو پدیده نقص چسبندگی (Adhesion Failure) و نقص پیوستگی (Cohesion Failure) بعد از آزمون Pull-Off به طور شماتیک
نقص چسبندگی به این معنی است که جدایش پوشش از زمینه فلزی اتفاق افتاده است. این در حالی است که در نقص پیوستگی، جدایش از بین لایه های پوشش آلی اتفاق می افتد. در صورتی که بعد از آماده سازی سطح، درصد نقص پیوستگی افزایش یابد به این معنی است که این آماده سازی موثر بوده و استحکام چسبندگی پوشش به زمینه افزایش یافته است. نتایج ظاهری شکل 2 نشان می دهد که با اعمال پوششهای تبدیلی فسفاته و زیرکونیوم، مقدار نقص چسبدگی به شدت کاهش می یابد.
شکل 4 میزان کمی دو پارامتر مهم در آزمون چسبندگی Pull-Off یعنی درصد پوشش جدا شده از زمینه (درصد نقص چسبندگی یا Debonded Area) و نیروی لازم جهت جداشدن پوشش از زمینه را برحسب مگا پاسکال ارائه می‌کند.
شکل 4- میزان کمی دو پارامتر درصد پوشش جدا شده از زمینه (درصد نقص چسبندگی یا Debonded Area) و نیروی لازم جهت جداشدن پوشش از زمینه را برحسب مگا پاسکال در آزمون Pull-Off
مطابق نتایج ارائه شده در شکل 4، بعد از آماده سازی فولاد نرم در حمامهای پوشش تبدیلی فسفاته و زیرکونیوم درصد جدا شدن پوشش از سطح به طور محسوسی کاهش می یابد و این در حالی است که نیروی لازم جهت جداکردن پوشش نیز افزایش قابل توجهی دارد. مقایسه این دو پارامتر مهم در مورد پوششهای تبدیلی فسفاته و زیرکونیوم نشان می دهد که اثر پوشش تبدیلی زیرکونیوم در ارتقای چسبندگی بهتر از پوشش فسفاته می‌باشد.
4-3- آزمون خوردگی مه نمکی (Salt Spray)
یکی از مهمترین تکنیکهای صنعتی بررسی میزان اثر بخشی یک پوشش تبدیلی در ارتقای مقاومت به خوردگی پوششهای آلی، آزمون مه نمکی (Salt Spray) می‌باشد. جهت بررسی عملکرد پوشش تبدیلی پایه زیرکونیوم در ارتقای عملکرد ضد خوردگی، یک لایه لاک اپوکسی (بدون پیگمنتهای ضد خوردگی) به ضخامت 60 میکرون بر روی نمونه ها اعمال شد و مطابق استاندارد ASTM B117 به مدت 100 ساعت در محفظه این آزمون قرار گرفت. شکل ظاهری نمونه ها بعد از این مدت در شکل 5 نشان داده شده است.
علت استفاده از لاک اپوکسی بجای رنگ صنعتی این نکته است که اثر آماده سازی سطح در این پوشش بهتر و محسوستر مشاهده می‌شود و در مدت زمان کوتاهی تفاوت نمونه‌ها آشکار می‌شود.

فولاد خام

فولاد پوشش زیرکونیوم



فولاد فسفاته شده

شکل 5- شکل ظاهری نمونه ها بعد از 100 ساعت قرارگیری در محفظه آزمون مه نمکی
یکی از مهمترین پارامترهای بررسی کیفی در آزمون مه نمکی، میزان نفوذ خورندگی از محل تقاطع X می‌باشد. بدیهی است که هر چه میزان نفوذ زنگ در این تقاطع کمتر باشد، عملکرد پوشش تبدیلی بهتر خواهد بود. شکل 5 نشان می دهد که اعمال پوششهای فسفاته و زیرکونیوم تاثیر محسوسی بر عملکرد رنگ در آزمون مه نمکی دارد. با مقایسه شکل ظاهری نمونه های فسفاته شده و پوشش زیرکونیوم، مشاهده می شود که هر دو این پوششها باعث کاهش نفوذ خورندگی به زیر رنگ شده و همچنین عملکرد آنها کاملاً قابل رقابت با یکدیگر می‌باشد.
5- نتیجه گیری
در این گزارش عملکرد مقایسه‌ای پوشش زیرکونیوم و فسفاته به همرا یک لایه رنگ در تستهای چسبندگی و خوردگی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این تستها را می‌توان به صورت ذیل خلاصه کرد:
 اعمال پوشش زیرکونیوم و همچنین فسفاته بر روی سطح فولاد چسبندگی آستر اپوکسی را از 3B به 5B افزایش می‌دهد.
 نتایج آزمون چسبندگی Pull-Off نشان می دهد که مقدار نیرو جهت جدا کردن رنگ از سطح به طور محسوسی با اعمال پوشش تبدیلی زیرکونیوم افزایش یافته در حالی که درصد جدا شدن سطح نیز کاهش می‌یابد. اعداد بدست آمده از این تست بیانگر عملکرد بهتر چسبندگی پوششهای تبدیلی پایه زیرکونیوم در مقایسه به پوشش فسفاته می‌باشد.
 مشاهده وضعیت ظاهری نمونه ها بعد از 100 ساعت قرار گیری در تست سالت اسپری به همراه یک لایه لاک اپوکسی (بدون پیگمنت) نشان می‌دهد که اعمال پوشش تبدیلی زیرکونیوم به طور محسوسی مقاومت به خوردگی را ارتقا می دهد. نتایج بدست آمده حاکی از قابل رقابت بودن پوششهای تبدیلی فسفاته و زیرکونیوم در ارتقای مقاومت به خوردگی سیستم پوششی می‌باشند.
جدول 1 نتایج کلی عملکردی پوشش تبدیلی زیرکونیوم به همراه پوشش آلی را در مقایسه با فسفاته ارائه می‌کند.

جدول 1- نتایج کلی عملکردی پوشش تبدیلی زیرکونیوم به همراه رنگ اپوکسی در مقایسه با پوشش فسفاته
نوع آزمون
نوع آماده سازی سطح چسبندگی Cross-Cut
چسبندگی Pull-Off
نیروی چسبندگی (MPa) چسبندگی Pull-Off
درصد جدایش از سطح تست سالت اسپری
(نفوذ زنگ از محل X)
بدون پوشش تبدیلی 3B 3.5 75 حدود mm 3
پوشش فسفاته 5B 6 28 کمتر از mm 1
پوشش زیرکونیوم 5B 6.5 20 کمتر از mm 1