مقاله تاثیر افزودن کاتیونهای منگنز و کلسیم در مقاومت به خوردگی ، ساختار و مورفولوژی پوششهای حاصل از حمامهای فسفات کاری روی کم

بخشی از مقاله

چکیده

در این تحقیق تاثیر افزودن کاتیونهاي منگنز و کلسیم به حمام فسفاتکاري روي کم و مورفولوژي سطحی پوشش و خواص خوردگی آنها مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور حمام فسفاتکاري روي کم تک کاتیونی و حمام فسفات کاري روي کم دو کاتیونی - Zn-Mn - و حمام فسفاتکاري روي کم سه کاتیونی - Zn-Mn-Ca - آماده شد و اثر افزودن یون منگنز و یون کلسیم بر روي خواص پوشش حاصل مورد بررسی قرار گرفت. به منظور بررسی مورفولوژي، ساختار فازي و ترکیب شیمیایی پوششهاي حاصل به ترتیب از میکروسکوپ الکترونی روبشی و دستگاه پراش اشعه ایکس و EDX و براي اندازهگیري مقاومت به خوردگی پوشش ها از دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات استفاده شد.

مشخص شد که پوششهاي فسفاته روي کم تک کاتیونی ساختار سوزنی و صفحه اي شکل دارند، ولی نوع ساختار پوشش در حمامهاي فسفاتکاري دو و سه کاتیونی از نوع ستونی است. افزودن کاتیون هاي منگنز و کلسیم به حمام فسفاتکاري روي کم تک کاتیونی موجب بهبود خواص خوردگی و خواص چسبندگی رنگ به زیر لایه میشود. در پوششهاي فسفاته روي کم تک کاتیونی فازهاي تشکیل دهنده پوشش فسفوفیلیت و هوپیت هستند و افزودن کاتیونهاي منگنز و کلسیم به حمام فسفاتکاري روي کم موجب تشکیل فازهاي فسفومنگالیت و شولتزیت در این پوششهاي میشود.

مقدمه

فسفات کاري عملیاتی است که براي اعمال پوشش تبدیلی فسفاته به عنوان عملیات سطحی نهایی و یا پیش عملیات به روي سطوح فلزاتی مانند آهن، فولاد گالوانیزه، آلومینیوم، پوششهاي الکترولیزي روي، کادمیم، فولاد ضد زنگ و آلیاژهاي منیزیم به کار میرود.[1] فرایند اصلی تشکیل پوشش فسفاته، رسوب یک فلز دو ظرفیتی و یونهاي فسفاته - PO43 - بر روي سطح فلز است که در مرحله اول انحلال فلز پایه در محلول فسفات کاري سبب کاهش اسیدیته محلول در نزدیک سطح قطعه میشود و غلظت یون فلزي در محلول بالا میرود.

افزایش pH در مرز مشترك فلز/ الکترولیت باعث رسوب نمکهاي فسفاته می شود. پوشش در نتیجه واکنش شیمیایی تشکیل میشود که باعث میشود سطح فلز پایه خود را به صورت بخشی از فیلم مقاوم در برابر خوردگی تبدیل نماید.

در سالهاي اخیر تلاشهاي زیادي جهت بهینه کردن پوششهاي فسفاته انجام شده است. از جمله آنها میتوان به پایین آوردن مصرف انرژي، استفاده از یونهاي فلزات سنگین بیشتر از یک کاتیون درحمام فسفاته کاري و استفاده از تکنولوژيهاي جدید فسفات کاري اشاره کرد.

در تکنولوژي جدید کم روي 1 در حمام هاي فسفاته مقدار روي - Zn - باید بین 0/4 تا 2 گرم بر لیتر باشد. ترکیبات با روي بالا - فسفاته سنگین - براي تهیه پایههاي فلزي قبل از رنگ خوردن مناسب نیستند. سطح فلزي که با ترکیبات با روي بالا تبدیل شده باشد، روانسازها را به طور نامطلوبی نگه میدارد و کریستالهاي بزرگ آن باعث میشود که سطح مطلوبی جهت به کارگیري رنگ به دست نیاید.

هدف از انجام این تحقیق فراهم آورودن شرایط بهینه جهت ایجاد پوششهاي کم روي دو و سه کاتیونی بر روي زیرلایه فولاد ساده کربنی ومقایسه ساختار، مورفولوژي و خواص خوردگی پوششهاي حاصل است. لذا در ابتدا محلول دو کاتیونی روي- منگنز از لحاظ ترکیب شیمیایی و سایر پارامترهاي عملیاتی بهینه شد، سپس یون کلسیم به حمام بهینه دو کاتیونی اضافه شد و خواص پوششها مورد مطالعه قرار گرفت.

مواد و روش تحقیق

به منظور آماده سازي نمونه جهت اعمال پوششهاي فسفاته از نمونههاي فولاد St37 استوانهاي شکل به قطر یک سانتیمتر 10 - میلی متر - و ارتفاع یک سانتیمتر استفاده شد. ترکیب شیمیایی این نوع فولاد در جدول 1 آورده شده است. همچنین شماتیکی از نمونه مورد استفاده در آزمایشها در شکل1 نشان داده شده است.

براي آماده سازي سطحی نمونه ها جهت اعمال پوشش، ابتدا سطح نمونهها با استفاده از کاغذ سنباده - شماره 180 تا - 1000 سنباده زنی شدند. براي حذف روغنها و چربیهاي سطحی از محلول %10 NaOH در دماي 60 تا 70 درجه سانتی گراد به مدت 20 دقیقه استفاده شد. عمل اسیدشویی براي حذف اکسیدها و محصولات خوردگی موجود در سطح در محلول %30HCl در دماي محیط به مدت 1 دقیقه انجام یافت. لازم به ذکر است که براي جلوگیري از انتقال آلودگیها و مواد از مرحلهاي به مرحله بعد، از یک مرحله آب کشی در آب مقطر به مدت 2 دقیقه استفاده شد.

به منظور ایجاد پوشش فسفاته روي کم حمام فسفات کاري حاوي 1 گرم بر لیتر روي مطابق با جدول 2 آماده شد. به منظور بررسی اثر کاتیون منگنز بر روي پوشش فسفاته روي کم، حمام دو کاتیونی روي- منگنز با ترکیب جدول 3 مورد استفاده قرار گرفت. در بررسی تأثیر افزودن کاتیون کلسیم علاوه بر منگنز در پوشش فسفاته کم روي ، حمام سه کاتیونی روي- منگنز- کلسیم به شرح جدول 4 مورد استفاده قرار گرفت. لازم به ذکر است که اعمال پوششهاي فسفاته به روش غوطه وري بود.

به منظور مطالعه ساختار پوشش فسفاته حاصل از حمامهاي فسفاتاسیون کم روي تک، دو و سه کاتیونی از دستگاه دیفراکتومتر BRUKERaxe مدل D8Advance استفاده شد. آزمایشهاي XRD با تابش اشعه KαCu - با طول موج - 1/5404o A در دماي محیط و طول گام 0/033 و زاویه 2 از 7 تا 60 درجه انجام شد. جهت بررسی مورفولوژي سطح نمونه ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی CAMSCAN 2300 و با بزرگنمایی1000 و3000 برابر استفاده شد.

براي بررسی خواص خوردگی پوششهاي فسفاته از محلول %3/5 NaCl استفاده شد. آزمایشهاي خوردگی با استفاده از یک سلول سه الکترودي شامل ورق پلاتین به عنوان الکترود کمکی، الکترود KCl اشباع - 4/7N - به عنوان الکترود مرجع و نمونه با مساحت سطحی 0/785cm2 به عنوان الکترود کاري انجام شد. آزمایشات خوردگی پلاریزاسیون پتانسیودینامیک به وسیله دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات BEHPAJOOH مدل BHP2063+ ساخت ایران انجام شد. بعد از محاسبه پارامترهاي الکتروشیمیایی با استفاده از منحنیهاي پلاریزاسیون به دست آمده، جریان خوردگی طبق رابطه اشترن- گري - رابطه - 1 محاسبه شد.

به منظور بررسی خواص چسبندگی رنگ به زیر لایه کم روي و مقایسه میزان چسبندگی در پوششهاي یک ، دو و سه کاتیونی ، بر روي نمونه ها رنگ خودرو - ZARRIN 11-1250724 - به روش اسپري اعمال شد. بعد از اعمال رنگ خراشهاي موازي و عمودي با اندازههاي یکسان توسط کاتر بر روي نمونه ایجاد شد. با استفاده از چسب کراس کات و طبق استاندارد ASTM D3359، که بعد از ایجاد خراش روي نمونه ها چسبانده شد، میزان کندگی رنگ از سطح نمونه ها به عنوان معیار کیفی براي تعیین میزان چسبندگی در نظر گرفته شد.

نتایج و بحث

ابتدا به منظور تعیین فازهاي تشکیل شده در این پوشش ، نمونه ها توسط آنالیز XRD مورد ارزیابی قرار گرفتند.