آشنایی با پوشش‌های فسفاته روی دی‌کاتیونیک و تری‌کاتیونیک

مقدمه

آماده‌سازی صحیح سطح فلزات پیش از رنگ‌آمیزی، تاثیر مستقیمی بر کیفیت و دوام پوشش رنگ دارد. به طوری که حتی بهترین رنگ نیز روی سطحی که خوب آماده نشده باشد، پوشش مناسبی ایجاد نخواهد کرد. یکی از متداول‌ترین روش‌های آماده‌سازی سطح، ایجاد پوشش فسفاته روی (Zinc Phosphate  Coating)  است که یک نوع پوشش تبدیلی شیمیایی محسوب می‌شود. در این فرآیند، لایه‌ای نامحلول از ترکیبات فسفات روی بر سطح فلز تشکیل می‌شود که به صورت شیمیایی به سطح فلز پیوند می‌خورد و پایه‌ای مقاوم در برابر خوردگی برای رنگ فراهم می‌کند . پوشش‌های فسفاته روی به دلیل بهبود چشمگیر چسبندگی رنگ و مقاومت خوردگی، به طور گسترده در صنایع خودروسازی، لوازم خانگی و فلزکاری به کار می‌روند و تا حد زیادی جایگزین پوشش‌های سمی‌تر پایه سرب و کروم شده‌اند . پوشش فسفاته روی از نظر ترکیب شیمیایی به انواع مختلفی از جمله تک‌کاتیونیک (حاوی تنها یون روی)، دی‌کاتیونیک و تری‌کاتیونیک تقسیم‌بندی می‌شود . در پوشش‌های دی‌کاتیونیک و تری‌کاتیونیک علاوه بر یون روی، یون‌های فلزی دیگر جهت بهبود عملکرد پوشش حضور دارند که در ادامه به تفصیل بررسی می‌شوند. در این مقاله، فرآیند تشکیل پوشش فسفاته روی، ساختار کریستالی آن و نقش این پوشش‌ها در افزایش چسبندگی رنگ و مقاومت به خوردگی شرح داده شده و پوشش‌های دی‌کاتیونیک در مقایسه با تری‌کاتیونیک از نظر ترکیب، عملکرد و کاربردهای صنعتی مقایسه می‌گردند. همچنین مزایای استفاده از پوشش فسفاته روی، روش‌های بهینه‌سازی فرآیند، مقایسه با دیگر روش‌های آماده‌سازی سطح و آزمون‌های صنعتی مرتبط مورد بحث قرار می‌گیرد.

فرآیند شیمیایی تشکیل پوشش فسفاته روی

پوشش‌دهی فسفاته یک فرآیند شیمیایی تبدیلی است که طی آن سطح فلز پایه در محلول اسید فسفریک و نمک‌های فسفات روی قرار گرفته و لایه‌ای از فسفات فلز بر روی سطح تشکیل می‌شود . مکانیزم واکنش بدین صورت است که جزء اسیدی حمام (اسید فسفریک) سطح فلز را اندکی حل کرده و یون‌های فلزی (مانند Fe^2+ از آهن) آزاد می‌شوند. همزمان، یون‌های فسفات و روی موجود در محلول با این یون‌های فلزی ترکیب شده و بلورهای نامحلول فسفات روی بر سطح رسوب می‌کنند. نتیجه این واکنش، تشکیل لایه‌ای کریستالی متشکل از فسفات‌های فلزی نظیر هوپیت (Zn₃(PO₄)₂·4H₂O) و دیگر فسفات‌های روی/آهن است که به صورت شیمیایی به زیرلایه فلزی متصل می‌شوند . واکنش فسفاته شدن با تولید گاز هیدروژن همراه است و تا زمانی ادامه می‌یابد که تمام سطح فلز با کریستال‌های فسفات پوشیده شود. پس از تشکیل لایه، واکنش متوقف می‌گردد زیرا لایه فسفاته به عنوان سد بین فلز و محلول عمل کرده و از ادامه حمله اسید به فلز جلوگیری می‌کند . به همین دلیل، نگه داشتن طولانی‌مدت قطعات در حمام فسفاته توصیه نمی‌شود، چون پس از اشباع شدن سطح، لایه تشکیل‌شده مجدداً در اسید حل شده و لایه جدید تشکیل می‌شود که این چرخه تنها منجر به مصرف بیهوده مواد شیمیایی و افزایش لجن (رسوب حمام) خواهد شد .

ساختار کریستالی پوشش فسفاته روی به طور معمول ریزدانه و متخلخل است. اندازه بلورهای فسفات بسته به شرایط فرآیند (دما، غلظت، افزودنی‌ها و پیش‌فعال‌سازی) می‌تواند از حدود 0.3 تا 1 میکرون باشد . بلورهای ریز و یکنواخت برای خواص بهتر ترجیح داده می‌شوند، زیرا پوشش متراکم‌تر و پیوسته‌تری ایجاد کرده و نواحی کمتری از سطح بدون پوشش می‌ماند. برای دستیابی به چنین ساختاری، معمولاً از مرحله فعال‌سازی سطح قبل از فسفاته‌کاری استفاده می‌شود. در این مرحله قطعه در محلول‌های حاوی پودرهای کریستالی بسیار ریز (معمولاً ترکیبات تیتانیوم) غوطه‌ور می‌شود تا مراکز جوانه‌زنی برای تشکیل بلورهای فسفات ایجاد گردد . فعال‌سازی باعث می‌شود پوشش فسفاته حاصل دارای دانه‌های بسیار ریز و توزیع یکنواخت باشد. علاوه بر فعال‌سازی، افزودنی‌های تسریع‌کننده یا شتاب‌دهنده (Accelerator) نیز برای بهبود ساختار پوشش به حمام فسفاته اضافه می‌شوند . شتاب‌دهنده‌ها که معمولاً ترکیبات اکسیدکننده‌ای نظیر نیتریت سدیم یا کلرات‌ها هستند، با اکسید کردن یون‌های فرو (Fe^2+) به فریک (Fe^3+) و کاهش آزادسازی گاز هیدروژن روی سطح، سرعت تشکیل پوشش را افزایش داده و بلورها را ریزتر و فشرده‌تر می‌کنند . نتیجه این اقدامات، تشکیل لایه‌ای فسفاته با ساختار کریستالی بهینه است که قابلیت چسبندگی و مقاومت خوردگی بالاتری دارد.

تاثیر پوشش فسفاته بر چسبندگی رنگ و مقاومت خوردگی: پوشش فسفاته روی یک لایه واسط ایده‌آل برای رنگ ایجاد می‌کند که از چند جهت سودمند است. نخست آنکه این پوشش به علت ماهیت کریستالی و متخلخل خود، سطح فلز را زبر و فعال می‌نماید و رنگ به خوبی در خلل و فرج میکروسکوپی آن نفوذ کرده و به صورت مکانیکی در آن قفل می‌شود.

علاوه بر این، چون ترکیبات فسفاته به صورت شیمیایی با فلز پایه پیوند یافته‌اند، رنگ یا پوشش بعدی نیز به طور غیرمستقیم اتصال شیمیایی محکمی با سطح فلز پیدا می‌کند. بدین ترتیب چسبندگی رنگ (Adhesion)  به طور چشمگیری بهبود می‌یابد. از سوی دیگر، پوشش فسفاته روی خود به عنوان یک لایه محافظ در برابر خوردگی عمل می‌کند. این لایه فسفاته ماهیت نسبتاً غیرفعال و نارسانا دارد و از تماس مستقیم فلز با عوامل خورنده جلوگیری می‌کند . همچنین پوشش فسفاته چون جاذب رطوبت و روغن است، می‌تواند پرایمرهای روغنی، واکس‌ها یا روکش‌های آب‌گریز را درون ساختار خود نگه دارد و در نتیجه مقاومت خوردگی زیرلایه را افزایش دهد . مجموع این عوامل باعث می‌شود قطعاتی که فسفاته شده و سپس رنگ‌آمیزی می‌شوند نسبت به قطعات رنگ‌شده بدون فسفاته، در محیط‌های خورنده دوام بسیار بیشتری داشته باشند. به طور خلاصه، فسفاته کردن سطح موجب ایجاد سطحی تمیز، زبر، فعال و مقاوم در برابر خوردگی می‌شود که چسبندگی پوشش‌های بعدی را به حداکثر رسانده و از زیرزدن زنگ در زیر لایه رنگ جلوگیری می‌کند  .

در نوشتار بعدی به مقایسه فسفاته روی دی ‌کاتیونیک و تری‌کاتیونیک می‌پردازیم.

برای آشنایی بیشتر با فسفاته‌های روی FYP می‌توانید وارد شوید.