مقایسه فسفاته روی با سایر روش‌های آماده‌سازی سطح

در این نوشتار قصد داریم فسفاته روی را با سایر روش‌های جایگزین یا مکمل مقایسه کنیم.

در کنار فسفاته روی، روش‌های دیگری نیز برای آماده‌سازی و محافظت از سطوح فلزی به کار می‌روند که هر یک مزایا و محدودیت‌های خود را دارند. در این بخش، فسفاته روی در مقابل برخی از مهم‌ترین روش‌های جایگزین یا مکمل مقایسه می‌شود:

پوشش‌های تبدیلی نانوسرامیک (نانوفسفاته)

در سال‌های اخیر پوشش‌های تبدیلی مبتنی بر ترکیبات زیرکونیوم و تیتانیوم به عنوان جایگزین سازگارتر با محیط‌زیست برای فسفاته‌های سنتی مطرح شده‌اند. این پوشش‌ها که گاهاً نانوفسفاته نیز نامیده می‌شوند، عاری از فلزات سنگین مانند نیکل و فسفات بوده و لایه‌ای بسیار نازک (چند ده نانومتر) بر سطح فلز ایجاد می‌کنند. فرآیند اعمال آنها معمولاً در دمای اتاق و تنها در چند دقیقه صورت می‌گیرد و تقریباً بدون لجن هستند.

مزیت بزرگ دیگر، قابلیت اعمال بر روی انواع فلز (فولاد، آلومینیوم و روی) به صورت یکسان است که نیاز خطوط تولید چندفلزی را برآورده می‌کند. برخی تحقیقات نشان داده‌اند که پوشش‌های زیرکونیومی می‌توانند مقاومت خوردگی نزدیک به فسفاته روی ایجاد کنند، هرچند برای رسیدن به چسبندگی کاملاً معادل ممکن است نیاز به پرایمرهای آلی کمکی باشد. نقطه ضعف این روش‌ها در حال حاضر، هزینه بالاتر مواد شیمیایی خاص و نیاز به کنترل بسیار دقیق شیمی محلول است. با این وجود، به دلیل حذف مشکلات زیست‌محیطی فسفات (مانند پساب حاوی فسفر) و کاهش مراحل فرآیند، پوشش‌های نانوسرامیک به سرعت در حال رواج در صنایع خودروسازی و لوازم خانگی هستند به طوری که در برخی خطوط مدرن جایگزین کامل فسفاته سنتی شده‌اند.

پوشش کروماته (کروماتیسیون)

کروماته کردن یک روش قدیمی و موثر برای حفاظت خوردگی به ویژه بر روی آلومینیوم، روی و منیزیم است. در این فرایند، قطعه در محلول‌های حاوی کروم شش ظرفیتی (کرومات‌ها و دی‌کرومات‌ها) غوطه‌ور می‌شود و لایه‌ای نازک از کرومات فلز بر سطح تشکیل می‌شود که معمولاً به رنگ زرد تا سبز است. کروماته آلومینیوم (معروف به آلوداین) سال‌ها استاندارد صنعت هوافضا برای آماده‌سازی آلومینیوم قبل از رنگ بوده است و مقاومت خوردگی بسیار بالایی (گاهی تا چند صد ساعت مه نمکی بدون رنگ) ایجاد می‌کند. مقایسه کروماته با فسفاته روی نشان می‌دهد که کروماته بر آلومینیوم عملکردی معادل یا بهتر از فسفاته بر آهن دارد، اما مشکل اساسی کروماته‌ها سمّی و سرطان‌زا بودن کروم شش ظرفیتی است. قوانین زیست‌محیطی جدید (نظیر استانداردهای اروپایی RoHS و ELV) استفاده از کرومات‌های سنتی را محدود کرده و صنایع را به سمت جایگزین‌های کم‌خطرتر سوق داده است. در پاسخ، کروماته‌های مبتنی بر کروم سه ظرفیتی (Cr^3+) یا ترکیبات غیرکرومی توسعه یافته‌اند، اما هیچ‌کدام به طور کامل نتوانسته‌اند کارایی کروم شش ظرفیتی را بازتولید کنند. به طور کلی، فسفاته روی و کروماته را نمی‌توان رقیب مستقیم دانست چون هر یک بیشتر بر بسترهای متفاوت استفاده می‌شوند (فسفاته برای فولاد و آهن، کروماته برای آلومینیوم و روی). در قطعاتی که دارای پوشش گالوانیزه روی هستند، گاهی ترکیب هر دو فرایند به کار می‌رود؛ ابتدا قطعه گالوانیزه کروماته می‌شود و سپس روی آن رنگ فسفاته‌کاری و اعمال می‌گردد. این ترکیب به‌خصوص در قطعات خودرویی گالوانیزه جهت حصول حداکثر مقاومت خوردگی مشاهده می‌شود.

آندایزینگ (آنودایزینگ)

آندایزینگ فرایندی الکتروشیمیایی برای ایجاد لایه اکسیدی سخت بر سطح فلز (عمدتاً آلومینیوم) است. در آندایزینگ، قطعه به عنوان آند در یک حمام اسیدی (مثل اسید سولفوریک) قرار گرفته و با اعمال جریان برق، لایه‌ای اکسید آلومینیوم متخلخل ولی چسبیده به سطح تشکیل می‌شود. این لایه ضخیم‌تر و بادوام‌تر از لایه‌های تبدیلی شیمیایی مانند فسفاته یا کروماته است و مقاومت خوردگی و سایشی بسیار بالایی به آلومینیوم می‌بخشد. آلومینیوم آندایز شده حتی بدون رنگ نیز در برابر خوردگی جوی مقاوم است و می‌تواند رنگ‌پذیری خوبی (از طریق رنگرزی منافذ اکسید) داشته باشد. در مقایسه با فسفاته، آندایزینگ روی فولاد کاربردی ندارد (چرا که فولاد در شرایط آندایزینگ دچار خوردگی شدید و زنگ می‌شود). اما برای آلومینیوم گزینه‌ای عالی است؛ به طوری که در صنایع هوافضا بسیاری از قطعات آلومینیومی به جای کروماته، آندایز شده و سپس یک پرایمر مخصوص روی آن‌ها اعمال می‌شود که چسبندگی رنگ را تضمین کند. مزیت آندایزینگ عدم استفاده از مواد سنگین و سمی است، اما معایب آن هزینه بالای تجهیزات (منابع تغذیه و تانک‌های مقاوم اسید)، مصرف انرژی بالا و پیچیدگی کنترل فرآیند الکتریکی است. به علاوه لایه اکسیدی آندایز معمولاً عایق الکتریکی است و برای ایجاد هدایت الکتریکی (مثلاً در محل اتصال پیچ‌ها) باید نقاطی از آن برداشته شود. در مجموع، آندایزینگ یک روش عالی آماده‌سازی و محافظت آلومینیوم است ولی برای فولاد قابل استفاده نیست؛ در حالی که فسفاته روی برای فولاد ایده‌آل است اما روی آلومینیوم چندان موثر نیست (آلومینیوم به خوبی فسفاته نمی‌شود مگر با افزایه‌های خاص روی/مس). از این رو هر کدام در جای خود بهترین انتخاب هستند.

پوشش‌ها و روش‌های ضدخوردگی نوین

پژوهش‌ها برای یافتن روش‌های بهینه آماده‌سازی سطح که هم کارآمد و هم کم‌خطر باشند ادامه دارد. یکی از حوزه‌های مطرح، استفاده از پوشش‌های مبتنی بر ترکیبات آلی/سیلانی است. در این روش‌ها لایه‌های نازکی از مولکول‌های سیلان یا پلیمرهای ویژه روی سطح نشانده می‌شود که می‌توانند به فلز باند شده و سطحی آب‌گریز و مقاوم به خوردگی ایجاد کنند.

این پوشش‌ها به عنوان پرایمرهای نسل جدید برای رنگ بررسی می‌شوند و برخی نتایج امیدبخش نشان داده‌اند، اما چالش اتصال محکم آن‌ها به سطوح فلزی مختلف و دوام بلندمدت‌شان هنوز کاملاً حل نشده است. روش دیگر، استفاده از پرایمرهای غنی از بازدارنده‌های خوردگی است؛ برای مثال رنگ‌های پرایمر حاوی پیگمنت فسفات روی یا بازدارنده‌های کرومات سه ظرفیتی می‌توانند تا حدی نقش فسفاته یا کروماته را ایفا کنند و روی سطح تمیز اعمال شده و حفاظت لازم را بدهند. این رویکرد فرایند تبدیل شیمیایی را حذف می‌کند و مستقیماً سراغ پوشش آلی می‌رود. هرچند در عمل، چسبندگی چنین پوشش‌هایی به اندازه حالتی که سطح از قبل فسفاته شده باشد نیست. از دیگر فناوری‌های نوظهور می‌توان پوشش‌دهی به روش رسوب‌دهی بخار یا پاشش حرارتی را نام برد که در آن‌ها یک لایه آلیاژی ضدزنگ (مثل آلومینیوم-روی یا روی-نیکل) به سطح پاشیده می‌شود و حفاظت کاتدی و باریر ایجاد می‌کند. این روش‌ها بیشتر در سازه‌های عظیم یا کاربردهای دریایی استفاده می‌شوند و مراحل رنگ‌آمیزی بعدی را نیز ساده‌تر می‌کنند. به طور کلی، تا به امروز هیچ روشی به تنهایی نتوانسته است تمام مزایای فسفاته روی را با همان سهولت و هزینه فراهم کند؛ اما ترکیب روش‌های جدید با فسفاته (مثل استفاده از یک لایه نانوسرامیک پس از فسفاته آهن) یا جایگزینی تدریجی در برخی خطوط (مثلاً جایگزینی فسفاته در صنایع خودرویی با نانوزیرکونیوم) روندی است که در دهه پیش رو ادامه خواهد داشت. انتخاب بهترین روش برای آماده‌سازی سطح، وابسته به جنس فلز پایه، سطح عملکرد ضدخوردگی مورد انتظار، ملاحظات زیست‌محیطی و هزینه‌های قابل پذیرش در هر صنعت است. صنایع سنتی همچنان به فسفاته روی به عنوان یک راه‌حل آزموده‌شده و مطمئن تکیه دارند، در حالی که صنایع پیشرو ممکن است ترکیبی از راهکارهای جدید را به کار گیرند.

در نوشتار بعدی تست‌های صنعتی برای ارزیابی پوشش فسفاته روی را بررسی کرده‌ایم.

برای آشنایی بیشتر با فسفاته‌های روی FYP می‌توانید وارد شوید.