پوشش

یکی دیگر از راه های محافظت از فلز در برابر خوردگی، استفاده از پوشش های مقاوم در برابر خوردگی است. پوشش به لایه هایی از مواد کم ضخامت اطلاق می شود که برای تحقق اهدافی از قبیل بهبود مقاومت سطحی، بهبود مقاومت خوردگی، زیبایی ظاهری و عایق نمودن حرارتی روی سطح فلز روکش می شوند. معمولا هدف از پوشش دادن فلز ایجاد یک مانع بر سر راه محیط خورنده است، تا دسترسی به سطح فلز برای یون های مهاجم، مشکل شده و واکنش های خوردگی روی ندهد. انواع پوشش های مورد مصرف به چهار گروه پوشش های تبدیلی ، پوشش های فلزی، پوشش های آلی و پوشش های معدنی تقسیم می شوند.

پوشش های تبدیلی ضد خوردگی

بسیاری از فلزات تمایل به اکسید شدن دارند و لایه ی نسبتا پایداری از اکسید، روی آن ها تشکیل می شود. در شرایط معینی این لایه اکسید محافظت کننده است و از خوردگی سطح فلز جلوگیری می کند. در عمل با استفاده از روش شیمیایی یا الکتروشیمیایی، لایه ی اکسیدی موجود بر روی فلزات را ایجاد می کنند و یا باعث تقویت این لایه می شوند. به این نوع عملیات سطحی ایجاد پوشش های تبدیلی می گویند.

پوشش های تبدیلی به پوشش هایی اطلاق می شود که از طریق واکنش لایه های اتمی فلزات با آنیون هایی که از واسطه مناسبی انتخاب شده اند، روی سطح فلزات ایجاد می شوند. به طور عمده کاربرد پوشش های تبدیلی برای حفاظت فلزات در برابر خوردگی است. پوشش های تبدیلی دارای ظاهری زیبا و جذاب هستند و به دلیل خصوصیات جذب سطحی خوب، می توان آن ها را با کمک انواع رنگ های آلی و معدنی رنگ کرد. پوشش های تبدیلی را تقریبا می توان بر روی تمام فلزاتی که کاربردهای صنعتی دارند ایجاد کرد، مثل: آلومینیوم، روی، کادمیم، آهن، مس و آلیاژهای آن، منیزیم، نقره و…

هم چنین با پدیده الکترولیز، آهن را به اکسید آهن سیاه رنگ (البته به صورت کنترل شده) تبدیل می کنند که مقاوم در برابر خوردگی است و به آن سیاه کاری آهن یا فولاد می گویند و در ساخت قطعات یدکی ماشین کاربرد دارد.

به طور کلی از مهم ترین پوشش های تبدیلی ضد خوردگی می توان به سه دسته اصلی زیر اشاره نمود:

الف) پوشش فسفاته

پوشش های فسفاته از جمله پوشش های حفاظتی هستند که برای اولین بار در سال 1908 به بازار عرضه شدند. فسفاته کاری از روش های موثر در جلوگیری از خوردگی بوده و برای محافظت موقت به کار می رود، هم چنین به منظور افزایش چسبندگی رنگ به عنوان آستری قبل از رنگ کاری بر روی قطعات اعمال می شود.

لایه فسفاته فلز پایه تا اندازه ای در مقابل خوردگی مقاومت ایجاد نموده و شکل دهی سرد را کمک می کند و مقاومت کششی را اصلاح می نماید، اما بیشتر به عنوان پایه ای برای فراهم نمودن رنگ ها در محصولاتی نظیر بدنه ی اتومبیل ها و بدنه ی یخچال ها مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش فسفاته چسبندگی رنگ را بهبود بخشیده و گسترش هر نوع خوردگی در زیر لایه رنگ را به تاخیر می اندازد.

پوشش دهی، عملیاتی است که برای اعمال پوشش های تبدیلی فسفاته بر روی سطوح فلزهایی مانند آهن، فولاد، فولاد گالوانیزه شده، آلومینیوم، پوشش های الکترولیزی روی، کادمیم، فولاد زنگ نزن و آلیاژهای منیزیم به کار می رود.

به طور کلی فرآیند فسفاته کردن به دو روش غوطه وری و اسپری انجام می شود. روش فسفاته کردن معمولا با توجه به شکل و اندازه قطعات تعیین می گردد. قطعات ریز مثل پیچ و مهره، میخ و…

در مخزنی دوار و همچنین به روش غوطه وری در محلول فسفاته پوشش داده می شوند. قطعات بزرگ نظیر بدنه یخچال بر روی یک نوار نقاله و از طریق اسپری کردن محلول، فسفاته می شوند.

پوشش های فسفاته به روش غوطه وری قطعات فولادی در محلول رقیق و گرم اسید فسفریک و تشکیل لایه فسفات آهن، ایجاد می شود. پوشش فسفاته ای که بر روی فولاد و مواد مشابه ایجاد می شود دارای ساختار بلوری است و اندازه بلورهای آن در حد چند میکرون می باشد. معمولا در پوشش های فسفاته بلورهای درشت تر سبب ضخیم تر شدن پوشش می شوند و ضخامت پوشش به عواملی مانند محلول فسفاته، دما، مدت عملیات، نوع فولاد و روش آماده سازی سطح بستگی دارد.

ضخامت این قبیل پوشش ها در محدوده یک تا بیست میکرومتر می باشد. با توجه به ساختار پوشش های فسفاته هنگامی که این قبیل پوشش ها، روغن، گریس و صابون را جذب می کنند، مقاومت به خوردگی و کاربردهای ویژه آن ها افزایش می یابد. به عنوان مثال در تغییر شکل سرد فولادها بر روی آن ها پوشش فسفاته ایجاد می کنند. این پوشش همراه با جذب روغن و صابون نقش روان کننده دارد.

به منظور به دست آوردن پوشش فسفاته مناسب و یکنواخت باید سطح فلز را از هرگونه آلودگی نظیر گریس، چربی و محصولات خوردگی تمیز کرد. برای این منظور از روش های متداول آماده سازی سطح ( تمیز کاری مکانیکی، چربی زدایی و اسید شویی) می توان استفاده کرد. فرآیند اصلی تشکیل پوشش فسفاته، رسوب یک فلز دو ظرفیتی و یون های فسفاته روی سطح فلز است. انحلال فلز پایه در محلول فسفاته کاری، سبب افزایش pH در فصل مشترک فلز-الکترولیت شده و این عمل باعث رسوب نمک های فسفاته روی سطح فلز می شود.

مکانیزم فسفاته کردن فولاد نشان می دهد که تغییرات قدرت اسیدی حمام بر سرعت پوشش دهی و سینتیک واکنش بسیار موثر است. مواد افزودنی در حمام فسفاته مانند بعضی از آمین ها و یا ترکیبات آلی گوگرد دار نیز بر درجه اسیدی حمام فسفاته موثر بوده و این عمل سبب تغییر در سرعت پوشش دهی و مقدار پوشش تشکیل شده می شود.

اجزاء اصلی حمام های فسفاته را با توجه به نوع و جنس پوشش فسفاته به سه دسته زیر تقسیم می کنند:

1. اسید فسفریک
2. نمک فلزی اسید فسفریک
3. شتاب دهنده (تسریع کننده)

با وجود آن که اکثر حمام های فسفاته کاری اسیدی هستند ولی به علت وجود مواد غیر قطبی کننده و اکسیدان تردی هیدروژنی حاصل نمی شود و هیدروژن روی فلز اثر نمی کند.

کار شتاب دهنده این است که هیدروژن حاصل را اکسید و از سطح دور می کند و محلول می تواند با سطح تماس پیدا کند و پوشش یکنواختی ایجاد کند. هم چنین شتاب دهنده ها روی یون آهن حل شده در حمام، اثر اکسید کننده دارند و عمر حمام را افزایش می دهند.

فرآیند فسفاته کردن از حساسیت زیادی برخوردار است و عوامل مختلفی از قبیل شرایط آماده سازی سطح فلز، ترکیب شیمیایی حمام، pH، دما، زمان فسفاته کاری، اندازه دانه ها و بسیاری دیگر از پارامترهای شیمیایی و متالوژیکی، بر روی خواص پوشش حاصله اثر می گذارند.

انواع پوشش های فسفاته

پوشش های فسفاته تجاری شامل فسفاته های آهن، روی، منگنز، کلسیم و یا مخلوطی از این ها می باشد که البته با افزودن عناصری چون نیکل به حمام های فسفاته سبب بهبود خواص آن ها می شود. پوشش های فسفاته اکثرا دارای ساختار کریستالی هستند و اندازه این کریستال ها تا چند میکرون می رسد و معمولا کریستال های بزرگ تر دارای ضخامت پوشش بیش تری هستند.

• پوشش فسفاته آهن: این پوشش ها به صورت کریستال های ریز و رنگ آبی یا قهوه ای مایل به آبی هستند که نقش اصلی آن ها پایدار نمودن لایه های رنگ است.
• پوشش فسفاته روی: رنگ این پوشش ها از خاکستری روشن تا تیره متغیر است که نقش آن ها پایداری رنگ یا روغن، افزایش مقاومت به سایش سطح قطعه می باشد. کاربرد پوشش های فسفاته روی در بدنه شمع، مهره چرخ اتومبیل و پین پیستون دیده می شود.
• پوشش فسفاته منگنز: این نوع پوشش ها باعث ایجاد مقاومت در برابر ساییدگی و خوردگی می گردند. رنگ آن، سیاه یا سیاه مایل به قهوه ای است و به طور عمده کاربرد آن ها در محل هایی است که اصطکاک وجود داشته باشد مانند موتورهای درون سوز.

ب) پوشش های کروماته

به عملیات شیمیایی و الکتروشیمیایی فلزات، در محلول هایی که در آن ها اسید کرومیک، کرومات یا دی کرومات بخش اصلی محلول است، کروماته کردن گفته می شود. نتیجه ی چنین عملیاتی ایجاد پوشش محافظ شامل ترکیبات کروم سه ظرفیتی و شش ظرفیتی بر روی سطح فلز است. ضخامت پوشش های کروماته حدود یک میکرومتر است. برای پوشش های تزئینی ضخامت کروم 0.25 میکرون و برای ایجاد مقاومت در برابر سایش ضخامت پوشش تا 400 میکرون نیز می رسد.

پوشش های بسیار نازک کروم متخلخل اند، با افزایش ضخامت، تخلخل کاهش می یابد ولی پس از ضخامت معینی ترکیباتی در پوشش ایجاد می شود و مقاومت در برابر خوردگی یکباده کاهش می یابد.

پوشش های کروم برای حفاظت قطعه در برابر اسیدهای قوی مناسب نیستند. اسیدهای قوی مانند اسیدکلریدریک به شدت به فلز حمله می کند و پوشش را از بین می برد. در پوشش های کروماته، مقاومت در برابر خوردگی، به ترکیب شیمیایی و عمق لایه ی نفوذ بستگی دارد. وقتی که محلول جامد کروم-آهن ایجاد شود، مقاومت بیش تری در برابر خوردگی به دست می آید.

پوشش کروماته را می توان به دو روش زیر ایجاد نمود:

1. روش شیمیایی که شامل غوطه ور کردن قطعه در محلول های کروماته است.
2. روش الکتروشیمیایی که شامل غوطه ور کردن قطعه در محلول و اعمال جریان الکتریکی از یک منبع خارجی است.

پوشش های کروماته دارای خواص زیر هستند:

• افزایش مقاومت به خوردگی فلز یا پوشش های محافظ فلزی.
• پوشش های کروماته فلز پایه را از نفوذ مواد خورنده ای که ممکن است از حفره های پوشش های آلی عبور کنند، محافظت خواهد کرد.
• کاهش خسارات سطحی مانند خراش های سطحی.
• افزایش میزان چسبندگی رنگ و سایر پوشش های آلی.

مکانیزم تشکیل پوشش های کروماته:

پوشش های کروماته از اسید کرومیک یا محلول های کروماته که دارای مواد افزودنی دیگری نیز می باشند، تهیه می شوند. مراحل تشکیل پوشش کروماته شامل اکسیداسیون سطح فلز در محلول کروماته است که هم زمان با انتقال یون های فلز پایه و افزایش تدریجی هیدروژن به محلول است. هیدروژن آزاد شده باعث می شود که بخشی از کروم های شش ظرفیتی به کروم سه ظرفیتی احیا شوند. تجزیه لایه ای از فلز پایه باعث افزایش pH در سطح فلز می شود. این افزایش pH تا حدی است که کروم های سه ظرفیتی به صورت یک لایه هیدروکسید کروم بر روی سطح فلز رسوب می کنند.

افزایش سولفات آلومینیوم یا سولفات گالیم به محلول آبکاری کروم، براقی آن را افزایش می دهد و هم چنین مقاومت به خوردگی آن را زیاد می کند.

رنگ و ضخامت پوشش کروماته به عوامل متعددی بستگی دارد. مهم ترین این عوامل عبارتند از: ترکیب شیمیایی، pH، حمام پوشش و زمان پوشش دهی.

نکته: pH محلول کروماته مهم ترین عامل تعیین کننده در تشکیل پوشش کروماته است.

ترکیبات اصلی پوشش های کروماته شامل ترکیبات سه ظرفیتی و شش ظرفیتی کروم و کرومات فلز پایه هستند.

اغلب ترکیب شیمیایی پوشش های کروماته به صورت زیر هستند:

Cr2O3.Cr3O3.xH2O

Cr(OH)3.Cr(OH).CrO4

رنگ پوشش های کروماته از پوشش های شفاف بی رنگ و روشن، زرد طلایی، سبز کم رنگ، سبز، زیتونی و سبز تیره تا قهوه ای و حتی سیاه تغییر می کند. پوشش های کروماته زرد و سبز رنگ شامل مقادیر زیادی کروم شش ظرفیتی هستند و پوشش های زیتونی رنگ اغلب شامل ترکیبات کروم سه ظرفیتی هستند.

حفاظت از خوردگی فلزات به وسیله پوشش های کروماته به علت چسبندگی این پوشش ها بوده که موجب عدم ارتباط سطح فلز با محیط های خورنده می گردد، هم چنین ترکیب های کروم شش ظرفیتی که تا حدودی قابل حل اند، خواص خوبی در جهت جلوگیری از خوردگی بخش های لخت فلز دارند. زمان محافظت موثر پوشش های کروماته، به سرعت شست و شو و خارج شدن کروم های شش ظرفیتی از پوشش بستگی دارد.

میزان حفاظت لایه ی پوشش به عوامل زیادی بستگی دارد. از جمله ضخامت، پوشش، آماده سازی سطح فلز پایه و مهم تر از همه ریز بودن دانه های ساختار رسوب است، که باعث می شود فلز در مقابل مواد اکسید کننده و احیا کننده در دماهای بالا مقاومت مطلوبی نشان دهد و از آن جا که کروم به طور کاتدی عمل می کند باید بدون ترک باشد.