coating materials and application methods

DIP COATING

BY THOMAS C. JONES

HENKEL SURFACE TECHNOLOGIES, MADISON HEIGHTS, MICH.

Dip application of a protective coating involves simply immersing a workpieceinto a suitable tank containing the coating material, allowing the part to drainafter withdrawal, and force drying or baking the wet coating to achieve thefinish. Dip coatings are used in many industries for both primer and one-coatfinishes.Thorough cleaning of parts is essential prior to dipping. For optimum quality,a phosphate conversion coating is also recommended.

BENEFITS

Simplicity:Manpower and equipment requirements are minimal. The process iseasily automated.Low Cost:Paint utilization should be relatively high (e.g., greater than 90%transfer efficiency) on properly operated systems, since nonused paint (drainage)is mostly recovered and returned to the system.Ease of Control:Minimally skilled operators can maintain solids, viscosity, andother factors for acceptable application properties.Good Coverage:Except for air bubbles or pockets, all contact areas are coated.Close racking of parts is possible.Consistency:Similar parts receive coatings similar in appearance and filmthickness (i.e., the process is independent of the operator).

LIMITATIONS

Nonuniform Coatings:“Wedges” (thin films on upper surfaces, thicker on lowersurfaces) tend to form on vertical surfaces. Flow lines around holes or openingscan also occur. “Beads” on bottom edges are inherent defects, although properviscosity control can minimize this effect.Part Design and Hanging:Improperly racked parts can bucket paint, leading towaste and potential blistering in the puddled areas. Entrapped air pockets canprevent access of paint, with resultant bare areas. It may be necessary to designdrain/access holes into some workpieces to allow for immersion application.An attempt should be made to rack a part so that drainage occurs from a singlepoint. Oscillation during immersion can sometimes remove air pockets.Solvent Washing:Entrapped solvent during the curing process can resolubilizean already dried film, resulting in bare areas.Product Change:A change from one formulation to another requires eitherextensive cleaning and recharging of a single tank or the availability of multipledip tanks. Thoroughness of clean-out is especially important when switchingincompatible materials (e.g., replacing a solvent-borne system with a waterbornesystem).Flammability:The potential for fire is always present when solvent-borne dipprimers are used. With waterborne systems, this problem is greatly reduced.Foam:Undesirable foam, which usually originates in the paint recirculationsystem, can produce voids or craters in the final finish.This problem is moreprevalent with waterborne paints.Sticking:Small objects, such as fasteners processed in baskets or trays, canfuse together during cure. Processes, such as autodeposition or electrodeposition,that utilize water rinsing following the coating tank generally do notproduce this effect.Viscosity:Control is critical. High viscosity gives thick films and excessiveconsumption. Low viscosity produces thin films.

TYPICAL COATINGS USED

Selection of a coating system (i.e., resin type, pigment color) is directly relatedto the performance intended for the finished parts. Although any formulationwith the appropriate viscosity for acceptable transfer efficiency (i.e., greater than90%) can be used, properties of appearance, quality, cost, and other factors mustbe taken into account.There is a trend toward the use of waterborne formulations because theseare both fire resistant and ecologically desirable. Defoamers are often requiredto control foam in waterborne systems; however, silicone-containing materialsmust be avoided. Waterborne paints are often more aggressive toward equipmentthan solvent-borne formulations.

EQUIPMENT REQUIREMENTS

If high-volume throughputs are desired, a continuous conveyor for work transferis usually employed in contrast to a manual or programmed hoist. Circulatingpumps are required to maintain uniform viscosity and constant paint composition.The “bead” that characteristically forms on the lower most edge of a drainingpart is sometimes removed by ultrasound, by electrostatic detearing, or byair jets; the latter is generally the least expensive technique.A controlled withdrawal rate is useful in controlling coating thickness. Thisis more readily varied with a hoist system.

Tank/Agitation System

A tank lining chemically resistant to the coating employed is required. Epoxy-typecoatings with a 15-mil minimum thickness are commonly employed. The tank andpiping for circulation can be mild steel for solvent-borne coatings but should bestainless steel for waterborne systems.Tank volume is dependent on work package size and the transport system inuse, with conveyorized systems requiring longer tanks than a hoist system. Thework package should be submerged at least 3 in. below the surface and at least6 in. above any circulation piping at the bottom of the tank. Overflow weirs, toremove floating debris, are usually located at the entrance end of the tank and/or along the sides.Agitation can be either from an eductor positioned on the bottom of the tankbisecting the longest dimension, which tends to minimize parts falling from therack, or by eductors directing flow along the bottom of the tank, which results in acircular motion. Centrifugal- or turbine-type pumps are normally used for solventsystems; however, where shear sensitivity and/or foam are potential problems (aswith waterborne paints), double-diaphragm pumps, with an accompanying surgesuppressor, are recommended. As with other metal components, stainless steel isrecommended for wetted pump surfaces when waterborne systems are used.Pump wear can be reduced by a filter on the suction side. Self-cleaning filtersreduce maintenance times.In some installations, the dip tank is complemented by an additional collectiontank (for return of the drippings) and a circulation tank (for isolatedadditions of paint, solvent/water, and other additives). Paint flows from thecollection tank to the circulation tank (for adjustment) and then to the dip tank.Care must be taken not to introduce foam along the way. Covers (removable) onthe collection and circulating tanks elevate humidity and help to reduce foam.

Drip/Flash-Off Zone

The area following the dip paint tank allows the recovery of paint by means ofa pan that returns drippings to the tank. Depending on formulation, air-flowregulation and temperature control may be required. Some waterborne paintsrequire humidity control.Too rapid solvent loss will result in a rapid increase in coating viscosity on thesurface that tends to “fix” runs or sags, with a resultant decrease in the qualityof appearance.A minimum of 3 min is recommended for dwell time to allow 90% plus paintrecovery and enable optimum flow/leveling. In general, high air velocities shouldbe avoided.Some installations provide a controlled heat input, either from the cure zoneor from some other related source (e.g., pretreatment) to prepare the film forthe final cure.

Curing Zone

The time and temperature parameters for cure are dependent on the polymerand cross-linking polymer used. Although a forced-air convection oven is usedmost often, infrared technology has also been employed.Energy can be consumed by bottom entry and exit from the oven.The exhaust system should result in an oven under negative pressure comparedto the shop.Forced air can be used following the oven to facilitate cooling.

MAINTENANCE

Floating residues must be removed from the paint tank to prevent clinging ofthe material on withdrawn workpieces. This is usually accomplished by periodicskimming.Overhead conveyor systems require lubrication for maximum life. However,any lubricants used should be pretested as potential contaminants in the paintbecause some materials can cause cratering and other defects in the final product.Racks must be periodically stripped of dried paint. Either thermal stripping(molten salt bath or high-temperature oven), cryogenic stripping (exposure toliquid nitrogen, followed by physical removal of the embrittled paint), or mediablasting (sand, steel shot) can be used.Cleaning of the drain-off area must occur on a regular basis. Care must betaken to avoid getting dried paint into the circulation system, with resultant damage to filters, pumps, and nozzles.

روش هاي تعيين ضخامت پوشش و پارامترهاي موثر بر آن

چكيده
نياز مراحل كنترل، بعد از اتمام هر فرآيند توليدي كاملاً ضروري به نظر مي رسد. روش هاي كنترل هم به صورت مخرب و هم به صورت غير مخرب مي باشد. آيتم هاي موثر در انتخاب روش كنترل مناسب فرآيند ضخامت سنجي عبارتند از فرآيند پوشش، ميزان ضخامت، جنس پوشش، جنس فلز پايه و... . در اين مقاله سعي شده تا به معرفي بعضي روش هاي مختلف اندازه گيري ضخامت پوشش ها اشاره و اساس كار آنها شرح داده شود. با استفاده از اطلاعات داده شده دراين مقاله مي توان يك روش مناسب براي يك منظور خاص را انتخاب نمود.
مقدمه
محدوده ضخامتي كه به روشهاي مختلف، اندازه گيري مي شود، به ماهيت پوشش جسم پايه و دستگاه مورد استفاده بستگي دارد. هدف از تدوين اين مقاله، تعيين روش هاي لازم، جهت اندازه گيري ضخامت پوشش هاي فلزي و ديگر پوششهاي غير آلي، بر روي اجسام پايه فلزي، و غير فلزي مي باشد. اين روش ها بعضي از كاربردهاي خاص را شامل نمي شود.
انواع روش هاي آزمون
براي اندازه گيري ضخامت پوشش ها، از دو روش كلي مي توان استفاده نمود كه توضيح آن به شرح ذيل است.

- روش هاي تست غير مخرب

در صورتي كه تعداد محدودي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا نياز باشد تا قطعه بعد از تست سالم بماند بايد از آزمون هاي تست غير مخرب استفاده شود. آزمون هاي تست غير مخرب داراي روش هاي مختلفي مي باشد كه برخي از آنها به شرح ذيل مي باشند.

- روش هاي مغناطيسي
دستگاه هاي مورد استفاده در اين روش ها، ميزان جاذبه مغناطيسي ميان مغناطيس دائم و فلز پايه را كه به وجود پوشش بستگي پيدا مي كند و يا مقاومت شار مغناطيسي عبوري از جسم (متشكل از فلز پايه و پوشش) را، تعيين مي كند.
ميزان خطا در اين روش، معمولاً كمتر از 10 درصد ضخامت پوشش و يا 1.5ميكرومتر (هر كدام كه بزرگتر است)، مي باشد.
كاربرد اين روش ها، محدود به پوشش هاي غير مغناطيسي بر روي اجسام پايه مغناطيسي و پوشش هاي آبكاري شده از نيكل بر روي اجسام پايه مغناطيسي و يا غير مغناطيسي مي باشد.

Ø روش جريان گردابي
اين روش، متكي بر اختلاف هدايت الكتريكي، ميان پوشش و جسم پايه مي باشد. اين روش جهت اندازه گيري ضخامت پوشش هاي نارسانا، بر روي فلزات غير مغناطيسي، و پوشش هاي تك لايه اي فلزي، بر روي نارساناها بكار مي رود. چنانچه اين روش، براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي فلزي، بر روي اجسام پايه فلزي بكار رود جهت دست يابي به نتايج قابل قبول، به دقت زيادي نياز مي باشد.
ميزان خطاي اندازه گيري در اين روش، معمولاً، كمتر از 10درصد ضخامت پوشش و يا 0.5ميكرومتر (هر كدام كه بزرگتر است) مي باشد.

Ø روش هاي طيف نگاري
در اين روش از انتشار و جذب اشعه ايكس، براي اندازه گيري ضخامت استفاده مي شود. اشعه ايكس توليد شده، به ناحيه مشخصي از سطح نمونه حاوي پوشش، برخورد داده مي شود و شدت اشعه ثانويه انتشار يافته توسط پوشش و يا جسم پايه، كه به علت وجود پوشش تضعيف شده است، اندازه گيري مي شود.
بين شدت اشعه ايكس و ضخامت پوشش، رابطه اي برقرار مي باشد، كه اين ارتباط با استفاده از نمونه هاي استاندارد، براي كاليبراسيون دستگاه بدست مي آيد.

روش اشعه ايكس كاربرد وسيعي دارد، اما ميزان صحت و دقت آن، در موارد ذيل كاهش مي يابد:

· هنگامي كه از عناصر و اجزاء تشكيل دهنده پوشش، در فلز پايه هم وجود داشته باشد و يا بالعكس.

· هنگامي كه بيش از دو لايه پوشش متفاوت بر روي هم داشته باشيم.

· هنگامي كه ماهيت شيميايي پوشش، و نمونه هاي استاندارد براي كاليبراسيون دستگاه، تفاوت زيادي داشته باشند.

روش اندازه گيري بوسيله اشعه ايكس، در ضخامت هايي بالاتر از مقادير معين، كه بستگي به عدد اتمي و جرم فلز دارد، قابل استفاده نمي باشد. دستگاه هاي موجود قادرند ضخامت پوشش ها را، با خطايي كمتر از 10 درصد اندازه گيري كنند.

Ø روش اشعه برگشتي بتا
دستگاه هاي اندازه گيري در اين روش، با راديو ايزوتوپ هايي كه ساطع كننده اشعه بتا بوده، و نيز آشكار سازهايي كه شدت اشعه بتاي بازگشتي از نمونه مورد آزمون را اندازه گيري مي كند، مجهز مي باشند. شدت اشعه بتا، بين مقادير شدت اشعه برگشتي از پوشش، و شدت اشعه برگشتي از فلز پايه قرار دارد. اين اندازه گيري، صرفاً، هنگامي كه عدد اتمي ماده پوشش، از عدد اتمي جسم پايه به قدر كافي متفاوت باشد، كاربرد دارد. دستگاه، با استفاده از نمونه هاي استاندارد براي كاليبراسيون كه داراي همان ماهيت پوشش و جسم پايه نمونه مورد آزمون است، كاليبره مي گردد.

با اندازه گيري شدت اشعه برگشتي بتا، از نمونه مورد آزمايش، جرم واحد سطح پوشش محاسبه مي شود. در صورت يكنواختي و همگوني دانسيته پوشش، جرم واحد سطح با ضخامت، نسبت مستقيم دارد.

اين روش هم براي پوشش هاي نازك، و هم براي پوشش هاي ضخيم، كاربرد دارد، اما حداكثر ضخامت قابل اندازه گيري، به عدد اتمي پوشش بستگي پيدا مي كند.
با اين روش، با خطايي كمتر از 10درصد مي توان محدوده وسيعي از ضخامت ها را اندازه گيري نمود.

Ø روش ميكروسكوپي شكست نور
اين دستگاه، در اصل، براي اندازه گيري ناهمواري سطوح، طراحي شده است؛ اما، از آن براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي شفاف و نيمه شفاف، به ويژه پوشش ها بر روي آلومينيم هم، استفاده مي شود.

يك دسته امواج نوراني، تحت زاويه 45 درجه، به سطح قطعه تابيده مي شود. قسمتي از اين امواج از سطح پوشش منعكس، و قسمتي ديگر از اين امواج، به پوشش نفوذ، و در مرز ميان جسم پايه و پوشش، منعكس مي گردد. فاصله اي كه ميان انعكاس ها، در چشمي ميكروسكوپ مشاهده مي شود با ضخامت پوشش متناسب بوده، و مي توان مقدار آن را، بوسيله يك پيچ ورنيه اي كه بر روي دستگاه نصب شده است اندازه‏گيري نمود.

به شرطي مي توان از اين روش استفاده نمود كه نور كافي از مرز ميان فلز پايه و پوشش منعكس گرديده، و تصوير واضحي در ميكروسكوپ مشاهده شود. براي پوشش هاي شفاف و يا نيمه شفاف مانند فيلم هاي اكسيد آندي، اين روش غير مخرب محسوب مي شود. براي اندازه گيري ضخامت پوشش هاي مات و غير شفاف كه لازم است ناحيه كوچكي از پوشش را جدا نمود اين روش، مخرب خواهد بود. پله موجود بين سطح پوشش و فلز پايه، انحرافي را براي امواج نوراني ايجاد مي كند كه بيانگر اندازه مطلق ضخامت، مي باشد.
خطاي اين روش معمولاً كمتر از 10 درصد است.

- روش هاي تست مخرب
در صورتي كه تعداد زيادي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا به ضرورت ذاتي تست، قطعه تخريب شود از آزمون هاي تست مخرب استفاده شود.

§ روش انحلالي
روش پوشش برداري نمونه مورد آزمون، قبل و بعد از انحلال پوشش، به نحوي كه جسم پايه مورد تاثير شيميايي قرار نگيرد و يا توزين پوشش بعد از انحلال جسم پايه، بدون آنكه پوشش مورد تاثير شيميايي قرار گيرد، جرم پوشش تعيين خواهد شد كه در اين صورت، پوشش بايد از دانسيته يكنواخت برخوردار باشد. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن، مي توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از 5 درصد است.

§ روش تجزيه شيميايي
در اين روش پوشش را خواه با حل شدن جسم پايه، و خواه با عدم انحلال جسم پايه، در يك حلال مناسب حل مي نمايند و سپس با استفاده از آناليزهاي شيميايي، به تعيين مقدار جرم پوشش مي پردازند. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن، مي توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از 5 درصد است. اين روش در صورتي كه بين جسم پايه و پوشش عنصر، تشابهي وجود داشته باشد، مي تواند قابل اطمينان نباشد.

§ روش كولومتري
در اين روش، ضخامت پوشش فلز، با اندازه گيري مقدار الكتريسيته لازم جهت انحلال پوشش، از يك ناحيه كاملاً مشخص، با مساحت معين، در حالي كه جسم تحت شرايط مناسب و الكتروليت مطلوب، بعنوان آند رفتار مي نمايد، تعيين مي گردد.

در خاتمه انحلال آندي پوشش، تغييري در پتانسيل مشاهده خواهد شد. اين روش براي پوشش هاي فلزي، بر روي اجسام پايه فلزي و غير فلزي، كاربرد دارد.
خطاي اين روش، بطور معمول، كمتر از 10درصد مي باشد.

§ روش ميكروسكوپي
در اين روش، ضخامت پوشش، با استفاده از سطح مقطع آن، توسط ميكروسكوپ اندازه گيري مي شود. در اين روش بايد پوشش از سطح قطعه جدا شود كه اين امر خود باعث تخريب قطعه شده و اين گونه تست ها را در رديف تست هاي مخرب جاي داده است. خطاي اندازه گيري در اين روش، معمولاً، كمتر از 10 درصد با حداقل خطاي0.8 ميكرومتر مي باشد.

§ روش پروفيل نگاري
در اين روش، پله اي ميان پوشش و فلز پايه ايجاد مي نمايد. براي ايجاد چنين پله اي، يا قسمتي از سطح نمونه مورد آزمون را ماسك كرده، و سپس پوشش لازم را ايجاد، و يا آنكه بعد از پوشش دهي، قسمتي از پوشش را حل مي نمايند، به نحوي كه به جسم پايه آسيبي نرسد. در اين حالت، اندازه گيري ضخامت، با ثبت ميزان حركت يك سوزن كه مسير پله را طي مي كند، انجام مي پذيرد.
در محدوده وسيعي از ضخامت ها، خطاي اين روش، معمولا كمتر از 10درصد است.

§ روش تداخل سنجي ميكروسكوپي
در اين روش، جهت اندازه گيري ضخامت پوشش، از تابش نور تك فام، به سمت پله ايجاد شده ميان پوشش و جسم پايه، استفاده مي شود. وجود اين پله در سطح نمونه مورد آزمايش، سبب ايجاد تغيير مكان در نوار تداخلي مي شود، كه جابجائي نوار تداخلي، متناسب با نصف طول موج اشعه تابانده شده، و ارتفاع پله است.
در حالت پرتو چندگانه، خطاي اين روش، معمولاً كمتر از 0.01ميكرومتر مي باشد.

عوامل موثر در اندازه گير صحيح ضخامت پوشش

براي رسيدن به اندازه درست و صحيح در ضخامت سنجي پوشش ها بايد به نكات زير توجه داشت:

ü از دستگاه هاي شناخته شده تجاري موجود در بازار، استفاده شود.
ü نمونه مورد نظر بايد مسطح و به اندازه كافي وسيع باشد.
ü براي پوشش هاي متداول از روش هاي آبكاري الكتريكي، اتوكاتاليستي، آنادايز و يا پوشش دادن سراميك، استفاده شوند.
ü در اندازه گيري، سعي و دقت معقولي بعمل آمده باشد.

مرداد 96