فرآیند تصفیه سطحی قطعات ماشینکاری شده

فسفاته کردن فرآیندی از واکنش شیمیایی و الکتروشیمیایی برای تشکیل یک فیلم تبدیل شیمیایی فسفات است که به آن فیلم فسفاته می گویند.هدف از فسفاته کردن عمدتاً محافظت از فلز پایه و جلوگیری از خوردگی فلز تا حد معینی است.برای بهبود چسبندگی و مقاومت در برابر خوردگی فیلم رنگ برای بتونه کاری قبل از رنگ آمیزی استفاده می شود.برای روانکاری ضد اصطکاک در فرآیند سرد کاری فلز استفاده می شود.

1. دلیل:
فرآیند فسفاته سازی شامل واکنش های شیمیایی و الکتروشیمیایی است.مکانیسم واکنش فسفاته سیستم ها و مواد مختلف فسفاته پیچیده است.اگرچه دانشمندان تحقیقات زیادی در این زمینه انجام داده اند، اما هنوز به طور کامل آن را درک نکرده اند.مدت ها پیش، مکانیسم تشکیل فیلم فسفاته به سادگی با یک معادله واکنش شیمیایی توصیف شد:
8Fe+5Me (H2PO4) 2+8H2O+H3PO4Me2Fe (PO4) 2 · 4H2O (غشاء)+Me3 (PO4) · 4H2O (غشاء)+7FeHPO4 (رسوب)+8H2 ↑
من منگنز، روی و غیره است. ماچو و غیره معتقد بودند که فولاد غوطه ور در محلول با دمای بالا حاوی اسید فسفریک و دی هیدروژن فسفات، یک فیلم فسفاته کریستالی متشکل از رسوبات فسفات تشکیل می دهد و رسوب هیدروژن و هیدروژن آهن فسفات تولید می کند.توضیح این مکانیسم نسبتاً خشن است و نمی تواند فرآیند تشکیل فیلم را به طور کامل توضیح دهد.با عمیق‌تر شدن تدریجی تحقیقات فسفاته‌سازی، امروزه محققان توافق دارند که فرآیند تشکیل فیلم فسفاته عمدتاً شامل چهار مرحله زیر است:
① اسید اچ باعث کاهش غلظت H+ روی سطح فلز پایه می شود
Fe – 2e→ Fe2+
2H2-+2e→2[H] (1)
H2
② عامل تسریع کننده (اکسیدان)
[O]+[H] → [R]+H2O
Fe2++[O] → Fe3++[R]
در فرمول، [O] شتاب دهنده (اکسیدان) و [R] محصول کاهش است.از آنجایی که شتاب دهنده اتم هیدروژن تولید شده در مرحله اول واکنش را اکسید می کند، سرعت واکنش (1) تسریع می شود که بیشتر منجر به افت شدید غلظت H+ روی سطح فلز می شود.در همان زمان، Fe2+ در محلول به Fe3+ اکسید می شود.
③ تفکیک چند مرحله ای فسفات
H3PO4 H2PO4 －+H+ HPO42－+2H+PO43－+3H－ （3）
به دلیل افت شدید غلظت H+ روی سطح فلز، تعادل تفکیک فسفات در تمام سطوح به سمت راست و در نهایت PO43 - حرکت می کند.
④ فسفات رسوب می کند و به فیلم فسفاته تبدیل می شود
هنگامی که PO43 جدا شده از سطح فلز به محصول حلالیت ثابت Ksp با یون های فلزی (مانند Zn2+، Mn2+، Ca2+، Fe2+) در محلول (رابط فلزی) برسد، رسوب فسفات تشکیل می شود.
Zn2++Fe2++PO43－+H2O→Zn2Fe(PO4)2·4H2O↓ （4）
3Zn2++2PO43－+4H2O=Zn3(PO4)2·4H2O↓ （5）
رسوب فسفات و مولکول های آب با هم هسته کریستالی فسفاته را تشکیل می دهند که به رشد دانه های فسفاته ادامه می دهد و دانه های بی شماری از نزدیک روی هم قرار می گیرند تا یک فیلم فسفاته را به صورت متافیزیکی تشکیل دهند.
واکنش جانبی رسوب فسفات باعث تشکیل رسوب فسفاته می شود
Fe3++PO43-=FePO4 (6)
مکانیسم فوق نه تنها می تواند فرآیند تشکیل فیلم فسفاته سری روی، سری منگنز و سری کلسیم روی را توضیح دهد، بلکه می تواند طراحی فرمول و فرآیند فسفاته سازی را نیز راهنمایی کند.از مکانیسم فوق می توان دریافت که اکسیدان های مناسب می توانند سرعت واکنش را بهبود بخشند (2).غلظت کمتر H+ می‌تواند تعادل تفکیک واکنش تفکیک فسفات (3) را آسان‌تر به سمت راست برای تفکیک PO43 کند.اگر سطح نقطه فعالی روی سطح فلز متصل شود، واکنش رسوب (4) (5) می تواند هسته های رسوب فسفات را بدون فوق اشباع بیش از حد تشکیل دهد.تولید رسوبات فسفاته به واکنش (1) و واکنش (2) بستگی دارد.غلظت بالای محلول H+in و شتاب دهنده قوی باعث افزایش رسوب می شود.بر این اساس، در فرمول فسفاته سازی واقعی و اجرای فرآیند، سطح عبارت است از: یک شتاب دهنده قوی (اکسیدان) مناسب.نسبت اسید بالا (اسید آزاد نسبتا کم، به عنوان مثال H + غلظت).تنظیم سطح فلز برای داشتن یک نقطه فعال می تواند سرعت واکنش فسفاته را بهبود بخشد و می تواند به سرعت یک فیلم در دمای پایین تر تشکیل دهد.بنابراین مکانیزم فوق به طور کلی در طراحی فرمول فسفاته سریع دمای پایین دنبال می شود و شتاب دهنده قوی، نسبت اسید بالا، فرآیند تنظیم سطح و غیره انتخاب می شود.
در مورد رسوبات فسفاته.از آنجایی که رسوب فسفاته عمدتاً FePO4 است، برای کاهش میزان رسوب باید مقدار Fe3+ کاهش یابد.یعنی دو روش اتخاذ می شود: کاهش غلظت H+ محلول فسفاته (اسیدیته آزاد کم) برای کاهش اکسیداسیون Fe2+ به Fe3+.
مکانیسم فسفاته روی و آلومینیوم اساساً مانند بالا است.سرعت فسفاته شدن مواد روی سریع است و فیلم فسفاته فقط از فسفات روی تشکیل شده است و رسوب کمی وجود دارد.به طور کلی، ترکیبات فلوئور بیشتری به فسفاته آلومینیوم اضافه می شود تا AlF3 و AlF63 - را تشکیل دهند.مکانیسم پلیمریزاسیون مرحله ای فسفاته آلومینیوم اساساً مانند بالا است.

2. طبقه بندی فسفاته
روش های طبقه بندی زیادی برای فسفاته کردن وجود دارد، اما به طور کلی بر اساس سیستم تشکیل فیلم فسفاته، ضخامت فیلم فسفاته، دمای فسفاته و نوع شتاب دهنده طبقه بندی می شوند.
2.1 طبقه بندی بر اساس سیستم فیلم فسفاته
با توجه به سیستم تشکیل فیلم فسفاته، عمدتا به شش دسته تقسیم می شود: سیستم روی، سیستم کلسیم روی، سیستم منگنز روی، سیستم منگنز، سیستم آهن و سیستم آهن آمورف.
اجزای اصلی محلول حمام فسفاته روی عبارتند از: Zn2+، H2PO3 -، NO3 -، H3PO4، شتاب دهنده و غیره. · 4H2O.دانه های فسفاته دندریتیک، سوزنی و متخلخل هستند.به طور گسترده ای برای بتونه کاری قبل از رنگ آمیزی، ضد خوردگی و روانکاری ضد اصطکاک کار سرد استفاده می شود.
اجزای اصلی محلول حمام فسفاته روی کلسیم عبارتند از: Zn2+، Ca2+، NO3 -، H2PO4 -، H3PO4 و سایر مواد افزودنی.ترکیب اصلی فیلم فسفاته (قطعات فولادی): Zn2Ca (PO4) 2 · 4H2O، Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O، Zn3 (PO4) 2 · 4H2O.دانه‌های فسفاته گرانول‌های فشرده (گاهی با دانه‌های سوزنی بزرگ) با منافذ کم هستند.برای بتونه کاری و ضد خوردگی قبل از رنگ آمیزی استفاده می شود.
ترکیب اصلی محلول حمام فسفاته روی منگنز: Zn2+، Mn2+، NO3 -، H2PO4 -، H3PO4 و سایر مواد افزودنی.ترکیب اصلی فیلم فسفاته: Zn2Fe (PO4) 2 · 4H2O، Zn3 (PO4) 2 · 4H2O، (Mn، Fe) 5H2 (PO4) 4 · 4H2O.دانه های فسفاته به شکل کریستال مخلوط دندریتی سوزنی دانه ای با منافذ کم هستند.به طور گسترده ای برای بتونه کاری قبل از رنگ آمیزی، روانکاری ضد خوردگی و ضد اصطکاک در حین کار سرد استفاده می شود.

ترکیب اصلی محلول حمام فسفاته منگنز: Mn2+، NO3 -، H2PO4، H3PO4 و سایر مواد افزودنی.ترکیب اصلی فیلم فسفاته تشکیل شده بر روی قطعات فولادی: (Mn, Fe) 5H2 (PO4) 4 · 4H2O.فیلم فسفاته ضخیم با منافذ کمی است و دانه های فسفاته متراکم هستند.به طور گسترده ای در روانکاری ضد خوردگی و ضد اصطکاک کار سرد استفاده می شود.
ترکیب اصلی محلول حمام فسفاته آهن: Fe2+، H2PO4، H3PO4 و سایر مواد افزودنی.ترکیب اصلی فیلم فسفاته (قطعه کار فولاد): Fe5H2 (PO4) 4 · 4H2O.فیلم فسفاته ضخیم است، دمای فسفاته بالا، زمان درمان طولانی است، فیلم دارای منافذ زیادی است و دانه های فسفاته دانه ای هستند.برای روانکاری ضد خوردگی و ضد اصطکاک کار سرد استفاده می شود.
اجزای اصلی محلول حمام فسفاته آهن آمورف: Na+(NH4+)، H2PO4، H3PO4، MoO4 - (ClO3 -، NO3 -) و سایر مواد افزودنی.ترکیب اصلی فیلم فسفاته (قطعات فولادی): Fe3 (PO4) 2 · 8H2O، Fe2O3.فیلم فسفاته نازک است و ساختار میکرو فیلم توزیع مسطح فاز آمورف است که فقط برای پرایم کردن قبل از رنگ‌آمیزی استفاده می‌شود.

2.2 طبقه بندی بر اساس ضخامت فیلم فسفاته
با توجه به ضخامت فیلم فسفاته (وزن فیلم فسفاته) می توان آن را به چهار نوع زیر سبک، سبک، زیر سنگین و سنگین تقسیم کرد.وزن فیلم سبک وزن ثانویه فقط 0.1 تا 1.0 گرم بر متر مربع است.به طور کلی، این فیلم فسفاته سیستم آهن آمورف است که فقط برای بتونه کاری قبل از رنگ آمیزی، به ویژه برای قطعات کار تغییر شکل داده شده بزرگ استفاده می شود.این فیلم سبک وزن 1.1 تا 4.5 گرم بر متر مربع است و به طور گسترده ای برای پر کردن قبل از رنگ آمیزی استفاده می شود، اما کمتر در صنایع ضد خوردگی و فرآوری سرد استفاده می شود.ضخامت فیلم فسفاته زیر سنگین 4.6 ~ 7.5 گرم بر متر مربع است.به دلیل وزن زیاد فیلم، فیلم ضخیم است (معمولاً بیش از 3 میکرومتر) کمتر به عنوان آستر قبل از رنگ آمیزی استفاده می شود (فقط به عنوان آستر قبل از رنگ آمیزی برای قطعات فولادی اساساً تغییر شکل داده نشده استفاده می شود) و می تواند برای جلوگیری از خوردگی استفاده شود. و پردازش سرد برای کاهش اصطکاک و روانکاری.این فیلم سنگین بیش از 7.5 گرم بر متر مربع وزن دارد و قبل از رنگ آمیزی به عنوان آستر استفاده نمی شود.به طور گسترده ای برای ضد خوردگی و کار سرد استفاده می شود.

2.3 طبقه بندی بر اساس دمای تصفیه فسفاته
با توجه به دمای تصفیه، می توان آن را به دمای معمولی، دمای پایین، دمای متوسط ​​و دمای بالا تقسیم کرد.فسفاته کردن دمای معمولی بدون فسفاته حرارتی است.دمای تصفیه عمومی فسفاته کردن دمای پایین 30-45 ℃ است.فسفاته کردن دمای متوسط ​​به طور کلی 60 ~ 70 ℃ است.فسفاته شدن در دمای بالا به طور کلی بیشتر از 80 ℃ است.روش تقسیم دما به خودی خود سختگیرانه نیست.گاهی اوقات بسته به میل هر فرد روش های دمای زیر متوسط ​​و دمای زیر بالا وجود دارد، اما روش تقسیم بندی فوق به طور کلی رعایت می شود.

2.4 طبقه بندی بر اساس نوع شتاب دهنده
از آنجایی که تنها چند نوع تسریع کننده فسفاته وجود دارد، درک محلول حمام با توجه به نوع تسریع کننده ها مفید است.دمای تصفیه فسفاته را می توان به طور کلی با توجه به نوع شتاب دهنده تعیین کرد، به عنوان مثال، شتاب دهنده NO3 عمدتاً فسفاته با دمای متوسط ​​​​است.شتاب دهنده ها عمدتا به نوع نیترات، نوع نیتریت، نوع کلرات، نوع نیترید آلی، نوع مولیبدات و انواع اصلی دیگر تقسیم می شوند.هر نوع شتاب دهنده را می توان همراه با شتاب دهنده های دیگر استفاده کرد و سری های شاخه ای زیادی وجود دارد.نوع نیترات شامل: NO3 - نوع، NO3 -/NO2 - (نوع خودزا).انواع کلرات عبارتند از: ClO3 -، ClO3 - / NO3 -، ClO3 - / NO2 -.نیتریت شامل: نیتروگوانیدین R - NO2 -/ClO3 - است.نوع مولیبدیت شامل MoO4 -، MoO4 -/ClO3 -، MoO4 -/NO3 - است.
روش های زیادی برای طبقه بندی فسفاته وجود دارد، به عنوان مثال، می توان آن را به قطعات فولادی، قطعات آلومینیومی، قطعات روی و قطعات مخلوط بر اساس مواد تقسیم کرد.

2- پیش تصفیه قبل از فسفاته کردن
به طور کلی، تصفیه فسفاته مستلزم آن است که سطح قطعه کار باید سطح فلزی تمیز باشد (به جز دو در یک، سه در یک و چهار در یک).قبل از فسفاته کردن، قطعات کار باید پیش تصفیه شوند تا چربی، زنگ زدگی، پوسته اکسید و تنظیم سطح حذف شود.به طور خاص، فسفاته کردن برای پرایم قبل از رنگ آمیزی نیاز به تنظیم سطح دارد تا سطح فلز "فعالیت" خاصی داشته باشد، به طوری که یک فیلم فسفاته یکنواخت، ریز و متراکم به دست آید و الزامات بهبود چسبندگی و مقاومت در برابر خوردگی رنگ را برآورده کند. فیلمبنابراین، پیش تصفیه فسفاته مبنایی برای به دست آوردن فیلم فسفاته با کیفیت بالا است.
1. چربی زدایی
هدف از حذف چربی از بین بردن چربی و آلودگی های چرب روی سطح قطعه کار است.از جمله روش مکانیکی و روش شیمیایی.روش مکانیکی عمدتاً شامل مسواک زدن دستی، سند بلاست و شات بلاست، شعله سوزی و غیره است. روش شیمیایی عمدتاً شامل تمیز کردن با حلال، تمیز کردن با عامل تمیز کننده اسیدی، تمیز کردن محلول قلیایی قوی و تمیز کردن با عامل تمیز کننده کم قلیایی است.در زیر فرآیند چربی زدایی شیمیایی توضیح داده شده است.
1.1 تمیز کردن با حلال
روش حلال عموماً برای حذف گریس با روش بخار هالوهیدروکربن غیر قابل اشتعال یا روش امولسیون سازی استفاده می شود.رایج ترین روش استفاده از تری کلرواتان، تری کلرواتیلن و بخار پرکلرواتیلن برای از بین بردن چربی است.چربی زدایی با بخار سریع، کارآمد، تمیز و کامل است و اثر حذف بسیار خوبی بر روی انواع روغن و گریس دارد.افزودن مقدار مشخصی امولسیون به هیدروکربن های کلردار هم در خیساندن و هم در سمپاشی اثر خوبی دارد.به دلیل سمی بودن هالوژن های کلردار و دمای تبخیر بالا و همچنین ظاهر شدن مواد پاک کننده جدید با قلیایی کم پایه آب، روش های چربی زدایی با بخار حلال و لوسیون به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند.