پوشش‌های فسفاته

پوشش دهی فسفاته عملیاتی روی چدن، فولاد، فولاد گالوانیزه شده یا آلومینیوم، در محلول رقیق اسید فسفریک و دیگر ترکیبات است که در آن سطح فلز در محیط اسید فسفریکی به‌طور شیمیایی فعال‌شده و به لایه‌ای محکم و تقریباً محافظ از کریستال های غیرقابل‌حل فسفات، تبدیل می‌شود. وزن و ساختار کریستالی پوشش و اندازه نفوذ آن در داخل فلز پایه از طریق مراحل زیر کنترل می‌گردد:

  1.  روش تمیزکاری قبل از عملیات
  2.  استفاده از آبکشی فعال کننده حاوی تیتانیم و فلزات یا ترکیبات دیگر
  3. روش استفاده و کاربرد محلول
  4. درجه حرارت، غلظت و مدت‌زمان عملیات و
  5. اصلاح ترکیب شیمیایی محلول فسفاته

روش فسفاته کردن معمولاً با توجه به شکل و اندازه قطعات تعیین می‌گردد. قطعات ریزی مثل پیچ و مهره، میخ و قطعات پرسی در بشکه‌ای دوار و غوطه‌ور در محلول فسفاته، پوشش داده می‌شوند. قطعات بزرگ نظیر بدنه یخچال، روی نوار نقاله از طریق اسپری کردن محلول، فسفاته می‌گردند. قطعات بدنه اتومبیل به‌صورت اسپری یا غوطه‌وری فسفات می‌شوند. ورق تمسه های فولادی را می‌توان به‌طور اسپری یا از طریق عبور دادن مداوم آن‌ها از میان محلول فسفاته نمود.

ضخامت پوشش فسفاته امت پوشش فسفاته 3-50mm است مقدار پوشش رسوب‌کرده معمولاً برحسب وزن پوشش (g/m2 ) بیان می‌شود  و ضخامت استفاده نمی‌کنند.

انواع پوشش‌های فسفاته

سه نوع پوشش فسفاته عمومیت دارد، فسفات روی، آهن و منگنز، فسفات سرب نیز اخیراً معرفی‌شده که در دمای محیط انجام می‌گیرد.

فسفات روی:

وزن و مشخصات کریستالی پوشش فسفات روی وسیع است. این پوشش‌ها از لایه‌های سنگین با کریستال های خشن تا لایه‌های خیلی نازک ریز- کریستال تغییر می‌کنند. رنگ این پوشش‌ها خاکستری روشن یا خاکستری تیره است. اگر مقدار کربن فولاد پایه افزایش یابد، اگر مقدار آهن پوشش زیاد باشد اگر در محلول یون‌های فلزات سنگین وجود داشته باشد یا اگر فلز پایه قبل از فسفاته شدن اسید شویی گردد، رنگ پوشش تیره‌تر خواهد شد. محلول‌های فسفاته حاوی اکسیدکننده‌های فعال هستند که نسبت به محلول‌های حاوی تسریع‌کننده معمولی، پوشش روشن‌تری تولید می‌کنند. پوشش فسفات روی ممکن است به‌صورت اسپری، غوطه‌وری یا ترکیبی از این دو رسوب داده شود. پوشش فسفات روی برای مواردی چون مبنای رنگ یا روغن، کمک به شکل‌دهی سرد، کشش سیم و تیوب، افزایش مقاومت سایشی یا به عنوان ضدزنگ به کار می‌رود. وزن پوشش‌های اسپری روی سطح فولادی 1.08-10.8  g/m2  و در حالت غوطه‌وری  1.61-43.0 g/m2 است

پوشش‌های فسفات منگنز

پوشش‌های فسفات منگنز روی قطعات آهنی (برای مثال یاتاقان‌ها، چرخ‌دنده‌ها و قطعات موتورهای احتراق داخلی ) برای جلوگیری از کندگی سطحی و گریپاژ روی قطعات به کار می‌رود. این پوشش‌ها معمولاً خاکستری تیره هستند ولی چون تقریباً همه پوشش‌های فسفات منگنز به عنوان مبنای روغنی به کار می‌روند و روغن نیز رنگی شدن آن را شدت می‌بخشد، این پوشش‌ها معمولاً ظاهری سیاه دارند. در بسیاری موارد برای ایجاد خواص ضد کندگی سطحی و گریپاژ می‌توان به‌جای فسفات منگنز از فسفات روی اصلاح‌شده توسط کلسیم استفاده کرد.

پوشش فسفات منگنز فقط از طریق غوطه‌وری رسوب داده می‌شود، زمان غوطه‌وری معمولاً 5 تا 30 دقیقه و وزن پوشش عموماً 5.4-32.3 g/m2  است ولی در صورت لزوم می‌تواند بزرگ‌تر نیز باشد. پوشش دانه‌ریز و محکم فسفات منگنز نسبت به پوشش دانه درست و سست، ترجیح داده می‌شود ولی اندازه مطلوب کریستالها برحسب نیازمندی‌های کاری تغییر می‌کند. در موارد بسیاری می‌توان از طریق پیش عملیات خاص (تمیزکننده و عوامل حالت‌دهنده بر پایه فسفات منگنز ) اندازه کریستالی را اصلاح نمود. پوشش‌های فسفات منگنز – آهن معمولاً در حمام‌های دما بالا 90-950C رسوب می‌کنند.

فسفات آهن

پوشش فسفات آهن به‌صورت بسیار نرم و ریز بر روی سطح فلز ایجاد می‌گردد و رنگ آن نیز تا آبی قوس و قزحی است. این فسفات به عنوان پایه‌ای جهت رنگ کاربرد دارد. از این فسفات به دو روش اسپری و غوطه‌وری می‌توان استفاده کرد. روش اسپری کاربرد بیشتری دارد. حد قابل‌قبول پوشش جهت فسفات آهن بین 0.2 تا 0.8 گرم بر مترمربع است. مزیت مهمی که فسفات آهن در مقایسه با سایر فسفات‌ها دارد این است که می‌توان از محلول فسفات و چربی گیر به‌طور هم‌زمان استفاده کرد. این مورد در سیستمهایی که ازلحاظ مخازن و مراحل شستشو مشکل‌دارند، استفاده می‌شود.

ترکیب پوشش‌های فسفاته

تمام پوشش‌های فسفاته تحت واکنش‌های شیمیایی مشابهی ایجاد می‌گردند. اسید حمام، حاوی ترکیبات پوششی با سطح فلز واکنش انجام داده و در اثر خوردگی سطح، فیلم نازکی از محلول در سطح مشترک خنثی می‌گردد. در محلول خنثی‌شده حلالیت فسفات فلزی کاهش‌یافته و به‌صورت کریستال رسوب می‌کند. کریستال های فوق در اثر پتانسیل الکترواستاتیکی داخل فلز، جذب سطح شده و روی نقاط کاتدی رسوب می‌کنند.

در اثر واکنش فسفات اسیدی با سطح فولاد دو نوع فسفات آهن تشکیل می‌شود. فسفات اولیه (Fe Po4 ) که وارد پوشش می‌گردد و فسفات ثانویه  [Fe3(Po4)2] که به‌صورت محلول است. اگر فسفات آهن ثانویه به فسفات فریک اکسید شود از محلول رسوب خواهد کرد. به همین دلیل عوامل اکسیدان به حمام اضافه می‌کنند تا فسفات آهن ثانویه را از محلول جدا کند. چون فسفات آهن مانع از تشکیل پوشش می‌گردد.

هرچند همه حمام‌های فسفاته طبیعت اسیدی دارند و تا حدی فلز تحت عملیات را موردحمله قرار می‌دهند ولی درنتیجه فسفاته شدن بندرت تردی هیدروژنی رخ می‌دهد این امر به دلیل آن است که همه حمام‌های فسفاته حاوی قطبش زدا یا اکسیدکننده هستند که با هیدروژن تشکیل‌شده وارد واکنش می‌شوند در فرآیندهای فسفات روی که برای محافظت خوردگی یا عملیات فسفات منگنز از روغن‌های ضدزنگ استفاده می‌کنند، ممکن است به علت پایین بودن مقدار قطبش زدا و اکسیدان، تردی هیدروژنی رخ بدهد. برای جلوگیری از تردی هیدروژنی ممکن است گرمایش ملایم یا پیر کردن طبیعی لازم باشد. در جه اسیدی حمام‌های فسفاته با توجه به ترکیب حمام و روش عملیات تغییر می‌کند. PH حمام‌های غوطه‌وری فسفات روی 1.4-2.4 است، درحالی‌که محلول‌های اسپری فسفاته روی با توجه به درجه حرارت حمام می‌توانند در PH بالاتری مثل 3.4 به کار  روند. فسفات آهن معمولاً در PH حدود 3.8-5 کار می‌کنند. درجه اسیدی محلول‌های فسفات سرب نسبت به بقیه حمام‌های فسفاته بیشتر است. حمام‌های فسفات منگنز در دامنه PH مشابه محلول‌های غوطه‌وری فسفات روی کار می‌کنند.

حمام‌های فسفات روی، آهن و منگنز معمولاً حاوی تسریع‌کننده هستند. موارد فوق ممکن است یک اکسیدان معمولی نظیر نیترات یا اکسیدان قوی مثل نیتریت، کلرات، پراکسید یا اسیدهای سولفوریک آلی باشد. نقش این عوامل بالا بردن سرعت پوشش دهی، اکسید کردن آهن و کاهش اندازه کریستال‌هاست. این مواد هیدروژن سطح فلز مورد عملیات را اکسید کرده و به‌این‌ترتیب محلول فسفاته می‌تواند به‌طور پیوسته با سطح فلز تماس پیدا کند، درنتیجه واکنشی کامل و نیز پوششی یکنواخت تأمین می‌گردد. تسریع‌کننده‌ها، آهن حل شده در حمام را اکسید کرده و به‌این‌ترتیب عمر مفید محلول را توسعه می‌دهند. در بسیاری از فرایندهای فسفات آهن، روی اکسیژن هوا به عنوان تسریع‌کننده تکیه می‌کنند. در حمام‌های فسفاته روی برای آلومینیم معمولاً برای اینکه پوشش سریع تشکیل شود و اثرات منفی آلومینیم مهار گردد به محلول فلورید آزاد یا کمپلکس اضافه  می‌کنند.

کاربردها:

بر اساس حجم ترکیبات شیمیایی مصرفی یا فولاد عملیات شده، بیشترین کاربرد پوشش فسفات به عنوان زیر سازه‌ای برای رنگ است. پوشش‌های فسفاته برای تأمین موارد زیر نیز به کار می‌روند.

  1. مبنایی برای روغن یا سایر مواد ضدزنگ
  2. روان کاری و مقاومت در برابر سایش، کندگی یا سایش تماسی قطعات متحرک در حضور روغن یا بدون روغن
  3. تأمین سطحی که شکل‌پذیری سرد آن خوب باشد
  4. ایجاد مقاومت موقتی یا کوتاه‌مدت در مقابل خوردگی معمولی و
  5. پایه‌ای برای ایجاد چسبندگی ورق‌های پلاستیکی – فلزی یا لاستیکی به فلز