ویژگی ها و روش های آزمون پوشش های فسفاته

عمل فسفاته کردن قطعات از طریق غوطه وری در وان با محلول ساکن و یا وان با محلول متحرک و یا اسپری کردن صورت می گیرد.
- روش پوشش دادن غلطکی می تواند برای فسفاته کردن تسمه های گالوانیزه فولادی استفاده گردد. جزئیات شرایط کار را می توان در دستورالعمل های عملیات مربوطه پیدا کرد. پس از فسفاته کردن قطعات باید با آب شسته شده و خشک شوند . عملیات اضافی شستشو و عملیات جانبی دیگر بستگی به کاربرد لایه فسفاته دارد.
- در روند های متداول فسفاته کاری از بروز تردی هیدروژنی قطعات فولادی تحت یک استحکام کششی حدود 1200 نیوتون بر میلیمتر مربع نمی توان به طور مطمئنی جلوگیری کرد.
با این وجود می توان به وسیله استفاده از موادی با چکش خواری مناسب ویا انجام عملیات حرارتی بخصوصی قبل و یا بعد از فسفاته کاری احتمال بروز تردی هیدروژنی را از بین برد این عملیات عبارتند از:
- بازپخت تنش زدایی پس از کار سرد به منظور رفع کردن تنش های کششی بحرانی باقیمانده.
- باز گشت پس از سخت کردن به منظور افزایش چقرمگی ماده.
-حرارت دادن تا دمای حدود 150-130 درجه سلسیوس برا ی حداقل دو ساعت پس از فسفاته کاری به منظور حذف هیدروژن جذب شده در طی عملیات فسفاته کاری .
انواع پوشش
بسته به نوع مواد و وضعیت سطحی قطعات همچنین بسته به عملیات مکانیکی و شیمیایی قبل از فسفاته کاری ترکیبات حمام فسفاته و همچنین شرایط کار فسفاته ، لایه هایی با وزن سطح مختلف و یا چگالی های ظاهری متفاوت حاصل می شود. تمامی پوشش های فسفاته شامل تخلخل هستند که در طی عملیات تکمیلی ترمیم می شوند.
کاربرد پوشش فسفاته برای حفاظت از خوردگی
تمامی انواع پوشش های اشاره شده می تواند بدین منظور استفاده گردد. در این رابطه نوع پوشش و مقدار جرم بر واحد سطح آن بستگی به طبیعت فلز زمینه ، کاربرد قطعه و میزان حفاظت مورد نیاز دارد.
پوشش های فسفاتی که برای حفاظت از خوردگی استفاده می شوند ممکن است یک شستشوی نهایی توسط محلول های شامل ترکیبات کرم داشته باشند. بدون عملیات تکمیلی فوق این پوشش ها دارای دوام و عمر کوتاهی خواهند بود. برای به دست آوردن لایه های فسفاته موثر و با دوام بر حسب تکمیلی بر روی سطح فسفاته ضروری است. این عمل می تواند به طور مثال با استفاده از روغن غیر خورنده ، گریس، واکس، رنگ یا پوشش های مشابه انجام گیرد.
اگر در نظر است که سطح فلزات فسفاته شده توسط پوشش هایی نظیر رنگ یا مشابه آن پوشش داده شود این سطوح عملاً باید پس از شستشو و تمیز کردن عاری از مواد محلول در آب باشند در غیر اینصورت سبب تاول زدن فیلم رنگ خواهد شد. بدین منظور پوشش های فسفاته باید با آبی که فاقد نمک و یا مواد حل شونده باشد شستشو گردند. قبل از پوشش بعدی الزامی است که از آلودگی پوشش فسفاته با گرد و خاک یا اثر انگشت اجتناب شود.
کاربرد پوشش های فسفاته جهت سهولت عملیات شکل دادن سرد
به طور ترجیحی از پوشش های فسفات روی جهت سهولت عملیات شکل دادن سرد غیر برشی استفاده می گردد. مقدار جرم بر واحد سطح پوشش بستگی به شرایط کاربردی خاص آن دارد. دراین حالت توصیه می شود پوشش های فسفاته پس از شستشو با یک محلول قلیایی ضعیف خنثی گردد. برای سهولت عملیات شکل دادن سرد باید از یک روان کننده مناسب استفاده گردد.
کاربرد پوشش های فسفاته برای کاهش اصطکاک
پوشش های فسفاته همراه با روان کننده مناسب می توانند به منظور کاهش اصطکاک و همینطور محدود کردن دامنه ضرایب اصطکاک مورد استفاده قرار گیرند. نوع پوشش فسفاته ، ضخامت پوشش ساختمان آن و روان کننده مورد استفاده بر روی شرایط اصطکاک تاثیر دارند. انتخاب میزان جرم بر واحد سطح تابعی از دقت ابعادی قطعات مورد عمل می باشد.
کاربرد پوشش های فسفاته برای عایق سازی الکتریکی
در این موارد ترجیحاً از پوشش فسفات روی استفاده می شود. مقدار جرم بر واحد سطح مورد نیاز تابعی از مقاومت الکتریکی سطحی لازم می باشد. در الکترودی با فشار تماس 100 نیوتن بر سانتیمتر مربع این مقدار می تواند بین 104 اهم بر سانتیمتر باشد.
آزمون پوشش های فسفاته
آزمون ظاهر پوشش
در این آزمون ساختار ، رنگ و یکنواختی ظاهر پوشش مورد بررسی قرار می گیرد. هنگامیکه پوشش توسط چشم غیر مسلح و یا توسط عدسی یا بزرگنمایی 6x مشاهده شود در اکثر پوشش های فسفات روی و منگنز یک ساختمان کریستالی دیده می شود.
در صورتیکه ساختمان کریستالی بسیار ریز باشد این روش قابل استفاده نیست. در پوشش های فسفات آهن ساختمان کریستالی مشاهده نمی شود و این پوشش ها فقط با توجه به تغییرات رنگ سطح آن قابل تشخیص است.
رنگ پوشش های فسفات روی و روی کلسیم خاکستری روشن تا تیره و همچنین فسفات منگنز خاکستری تیره می باشد.
فسفات های روی ، روی کلسیم و منگنز باید به طور یکنواخت بر روی سطح فلز قرار گرفته و نباید نقایصی مانند نقاط سفید رنگ ، اثرات خوردگی و اثر انگشت مشاهده شوند .
عدم یکنواختی در ظاهر پوشش فسفاته که ممکن است به وسیله تفاوت ساختاری فلز زمینه در اثر تماس با نگهدارنده ها یا تماس با قطعات دیگر در حین عمل فسفاته کاری رخ دهد نمی تواند به عنوان اشکال مطرح گردد.
آزمون کیفی ترکیبات پوشش های فسفاته
علاوه بر روش های ارائه شده در این استاندارد، سایر روش های تجزیه ای که حداقل همین حساسیت را داشته باشند مجاز می باشند. برای تشخیص پوشش فسفاته اثبات وجود فسفات در پوشش کافی است برای شناخت و تشخیص پوشش های فسفات منگنز ، روی و یا روی کلسیم روش های معینی وجود دارد.
چنانچه در یکی از این آزمون ها به طور مثال آزمون وجود منگنز حضور این عنصر اثبات شود باید در نظر گرفت که پوشش فسفات منگنز وجود دارد. در مورد روی نیز همین گونه عمل خواهد شد اما در مورد پوشش های روی کلسیم علاوه بر آزمون حضور روی آزمون دیگری به منظور وجود عنصر کلسیم باید انجام گیرد. در مواردیکه فلز زمینه آهنی است اگر هیچکدام از عناصر روی و منگنز در طی آزمون های اشاره شده مشاهده نگردید، پوشش مسلماً فسفات آهن خواهد بود .
معرف ها
در آزمون های کیفی باید از معرف های آزمایشگاهی زیر استفاده شود :
- محلول هیدروکسید سدیم 5% که توسط حل کردن سود در آب مقطر به دست آید.
- اسید نیتریک 40% ، برای تهیه یک قسمت حجمی از اسید نیتریک با چگالی 4/1 گرم بر سانتیمتر مکعب با یک قسمت حجمی آب مقطر مخلوط می گردد.
- معرف مولیبدات آمونیوم، برای تهیه 3/88 گرم هپتا مولبیدات آمونیوم، 4H2O، (NH4)6 MO7 O24 و 30 میلی لیتر محلول آبی آمونیاک شامل 25% آمونیاک و 240 گرم نیترات آمونیوم را در آب مقطر حل کرده و حجم را به یک لیتر می رسانیم.
- اسید کلریدریک ، محلول 25% در آب مقطر.
- هگزاسیانوفرات پتاسیم II از طریق حل کردن این ماده در آب مقطر و تهیه محلول 5% .
- اسیدنیتریک 17% با مخلوط کردن یک قسمت حجمی از اسید با چگالی 4/1 گرم بر سانتیمتر مکعب با 4 قسمت حجمی آب مقطر.
- محلول پراکسید هیدروژن 3% .
- بپسموتات سدیم NaBiO3 .
- نیترات آمونیوم.
- اسید سولفوریک 45% ، طرز تهیه با مخلوط کردن یک قسمت حجمی از اسید سولفوریک با چگالی 84/1 گرم بر سانتیمتر مکعب با دو قسمت حجمی آب مقطر.
- محلول پرمنگنات پتاسیم، با حل کردن این ماده در آب مقطر و به دست آوردن محلول 5% .
آزمون وجود فسفات در پوشش
نمونه ای به سطح مقطعه 100 سانتیمتر مربع را آماده نموده و در معرض 100 میلی لیتر محلول هیدروکسید سدیم 5% در دمای 90-80 درجه سلسیوس قرار می دهیم تا هنگامیکه پوشش فسفات حل شده و یا اثر قابل توجهی در سطح پوشش به وجود آید.
در صورت لزوم پوشش باید توسط کاردک لاستیکی کنده شود. در ادامه محلول به دست آمده را از صافی عبور داده و 25 میلی لیتر آن را برای آزمون انتخاب می کنیم به محلول حاضر آنقدر اسید نیتریک می افزاییم تا محلول اسیدی گردد ، سپس به آن 10 میلی لیتر معرف مولیبدات آمونیوم و حدود 5 گرم نیترات آمونیوم اضافه می کنیم .
محلول را حداقل 15 دقیقه به همین حال قرار می دهیم . تشکیل رسوب زرد نشان دهنده وجود فسفات می باشد.
آزمون وجود منگنز در پوشش
برای آزمون وجود منگنز از باقیمانده محلولی که از صافی عبورداده شده استفاده می گردد به این ترتیب که به محلول باقیمانده ، محلول گرم اسید نیتریک 17% به اضافه چند قطره پراکسید هیدروژن 3% می افزاییم.
به منظور تجزیه پراکسید هیدروژن اضافی محلول آماده شده باید برای چند دقیقه در نقطه جوش نگهداری شده و سپس تا دمای محیط سرد گردد در ادامه محلول نیم گرم بیسموتات سدیم اضافه می کنیم. منگنز موجود در اثر افزایش این ماده به پرمنگنات اکسید می شود و ظهور رنگ بنفش متمایل به قرمز نشانگر وجود منگنز می باشد. نیمه دیگر محلول برای آزمون وجود کلسیم استفاده می گردد.
آزمون وجود روی در پوشش
25 میلی لیتر از محلولی را که از صافی عبورداده شده به وسیله اسید کلریدریک 25 % به طور ضعیف اسیدی می کنیم سپس 5 میلی لیتر محلول هگزاسیانو فرات پتاسیم II ، 5% را به آن می افزاییم تشکیل رسوب سفید نشانگر وجود روی است. ممکن است به علت وجود مقدار کمی آهن رنگ سبز کم رنگی نیز مشاهده گردد.
آزمون وجود کلسیم در پوشش
در حدود 5 میلی لیتر دیگر از محلول قلیایی که از صافی عبورداده شده را باید با آن قسمت از محلول اسید نیتریک که برای انجام این آزمون در نظر گرفته شده بود مخلوط نماییم. با افزودن قطره قطره اسید نیتریک 17% به مقدار مناسب باید یک محلول شفاف آماده گردد نهایتاً با اضافه کردن محلول آمونیاک10% pH را به حدود 3-2 می رسانیم پس از حرارت دادن محلول تا 80 درجه سلسیوس ، یک گرم اگزالات آمونیوم جامد را در آن حل می کنیم که در این صورت pH حدود 6-5 تغییر خواهد کرد.
اگر پایین تر از مقدار فوق باشد تشکیل یک رسوب کریستالی ریز و سفیدرنگ از محلول داغ در دمای 80 درجه سلسیوس نشانگر وجود کلسیم است، در این صورت پس از گذشت 10 دقیقه محلول باید از صافی عبورداده شده و رسوب حاصله با آب مقطر داغ که شامل مقدار کمی اگزالات آمونیوم می باشد شستشو میگردد.
جهت تخلیص باید رسوب گیر مجدد انجام گیرد. بدین منظور باید رسوب داخل صافی توسط اسید کلریدریک 10% داغ حل گردد. در ادامه محلول به دست آمده را تا 80 درجه سلسیوس حرارت داده و با افزودن محلول آمونیاک 10% pH را به حدود 6-5 می رسانیم.
در نتیجه کلسیم مجدداً بصورت کریستال های ریز اگزالات کلسیم را سبب خواهد شد. پس از گذشت 10 دقیقه محلول باید از صافی عبورداده شده و رسوب حاصله کاملاً با آب مقطر داغ شستشو گردد.
آخرین آب حاصل از شستشو را توسط اسید سولفوریک 45% اسیدی کرده و به آن محلول پرمنگنات پتاسیم 5% می افزاییم در این حالت نباید هیچگونه واکنشی رخ دهد . در غیر اینصورت عمل شستشو را آنقدر تکرار می کنیم تا هیچگونه واکنشی صورت نگیرد.
جهت تشخیص رسوب سفید رنگ به عنوان اگزالات کلسیم آنرا به وسیله پاشیدن آب مقطر داغ از روی صافی به ظرف دیگری منتقل می کنیم سپس 50 میلی لیتر آب مقطر به آن اضافه می کنیم .
با افزایش 5 میلی لیتر اسید سولفوریک 45% رسوب را حل می کنیم. محلول حاصل را تا 80 درجه سلسیوس حرارت داده و با افزایش قطره قطره محلول پرمنگنات پتاسیم 5% آن را مورد آزمایش قرار می دهیم . بی رنگ شدن محلول پرمنگنات مشخص کننده این است که رسوب ، اگزالات کلسیم بوده و اینکه کلسیم در پوشش وجود دارد.
اندازه گیری جرم بر واحد سطح
اندازه گیری جرم بر واحد سطح پوشش های فسفاته باید به روش انحلال انجام گیرد. جهت انحلال پوشش فسفاته بایستی از یک سطح مشخص فسفاته شده استفاده گردد. مقدار پوشش را می توان با استفاده از دو روش اشاره شده در ارتباط با سطح نمونه اندازه گیری کرد .
معرف ها
برای اندازه گیری جرم بر واحد سطح، معرف های آزمایشگاهی زیر باید مورد استفاده قرار گیرند:
- محلول هیدروکسید سدیم 25% ، از طریق حل کردن سود در آب مقطر.
- اسید نیتریک 40% ، از طریق مخلوط کردن یک قسمت حجمی اسید با چگالی 4/1 گرم بر سانتیمتر مکعب با یک قسمت حجمی آب مقطر.
- اسید نیتریک 5/4 درصد، از طریق مخلوط کردن یک قسمت حجمی اسید با چگالی 40/1 گرم بر سانتیمتر مکعب با 19 قسمت حجمی آب مقطر.
- محلول آمونیاک 10% ، بوسیله حل کردن آمونیاک در آب مقطر.
- معرف مولیبیدات آمونیوم جهت تعیین مقدار کمی فسفات 80 گرم هپتامولبیدات آمونیوم، را در 40 میلی لیتر آب مقطر حل می کنیم. در ظرف دیگری 415 میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ را با 400 میلی لیتر آب مقطر رقیق کرده و با 140 میلی لیتر محلول آمونیاک غلیظ مخلوط می کنیم. پس از سرد شدن هردو محلول تا دمای محیط، محلول هپتامولیبدات آمونیوم را به محلول اسید افزوده و حجم محلول نهایی را به وسیله آب مقطر به دو لیتر می رسانیم.
- نیترات آمونیوم NH4NO3
- محلول نیترات پتاسیم ، از طریق حل کردن KNO3 در آب مقطر و به دست آوردن محلول 1% .
- محلول نرمال هیدروکسید سدیم
- محلول نرمال اسید سولفوریک
- محلول فنل فتالئین از طریق حل کردن فنل فتالئین در اتانول و به دست آوردن محلول 1/0 % .
تعیین ضخامت پوشش
در عمل اکثراً دانستن ضخامت پوشش برای شناخت مشخصات پوشش فسفاته الزامی است. به لحاظ اینکه اندازه گیری ضخامت پوشش فسفاته با عدم اطمینان همراه است باید ضخامت ارائه شده مورد نیاز و روش اندازه گیری آن مورد توافق خاصی قرار گیرد .
بسته به نوع فلز زمینه، عموماً روش های الکتریکی و مغناطیسی در تعیین ضخامت پوشش فسفاته مورد استفاده قرارمی گیرند. به طور کلی استفاده از ابزار دقیق مکانیکی برای انواع فلز زمینه مناسب می باشد.
هنگامیکه هدف اندازه گیری ضخامت پوشش فسفاته می باشد به علت وجود فشار در نقطه تماس نوک حساس دستگاه ضخامت سنج ، طراحی آن و ساختار پوشش های فسفاته وجود خطا در محاسبه اجتناب ناپذیر است. از این رو مقدار به دست آمده برای ضخامت کمتر از مقدار واقعی است .
به طور مثال زمانیکه ضخامت پوشش با استفاده از روش مغناطیسی اندازه گیری می شود با توجه به فشار اعمال شده توسط نوک حساس دستگاه ضخامت سنج، طراحی آن و ساختار پوشش های فسفاته مورد آزمون ممکن است نتیجه اندازه گیری بیش از 50% کمتر از مقدار مورد نظر باشد .
این خطای سیستماتیک را نمی توان با معدل گرفتن از اندازه گیری های جداگانه به طور آماری رفع کرد . بدین ترتیب استفاده از روش های شناخته شده برای اندازه گیری ضخامت پوشش های فسفاته که در آن ها از نوک حساس استفاده می شود نا مناسب بوده و نتایج به دست آمده دقیق نخواهند بود.
آزمون کاربردی
آزمون اثر محافظ خوردگی
اثر ضدخوردگی پوشش های فسفاته در اکثر حالات باید به وسیله آزمون مقایسه ای ارزیابی گردد. برای انجام آزمون نمونه فسفاته شده به همراه نمونه غیر فسفاته به طور مقایسه ای آزمایش می گردد.
توجه به این نکته لازم است که در انجام آزمون انتخاب قطعه مورد آزمایش اعم از خود قطعه، بخشی از قطعه با اندازه مشخص و یا ورق های فسفاته شده که هم جنس با قطعات اصلی می باشند باید مورد توافق قرار گیرد.
اگر هدف از آزمون ، مقایسه اثر خوردگی روش های مختلف فسفاته کاری باشد به منظور اطمینان از نتایج به دست آمده باید ترکیب نمونه ها مشابه بوده و همچنین عملیات پرداخت سطحی قبل از فسفاته کاری برای آن ها یکسان باشد. با استفاده از استاندارد ملی ایران در این زمینه میتوان ورق های فولادی ، فولاد گالوانیزه و آلومینیوم را با تهیه نمونه هایی به ابعاد 200×100 میلیمتر مورد آزمون مقایسه ای قرار داد .
آزمون اثر محافظ خوردگی پوشش های فسفاته بدون عملیات تکمیلی
این آزمون باید به روش مه نمکی مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره 2400 انجام گیرد. جهت انجام این آزمون قطعات یا ورق های فسفاته شده در درون محفظه دستگاه مربوطه قرار گرفته و پس از اتمام زمان مورد توافق جهت بررسی خارج می گردد.
کابرد مواد مصرفی در عملیات تکمیلی
در اکثر حالات قطعات فسفاته شده باید به وسیله غوطه وری در یک روغن، گریس یا واکس محافظ خوردگی پوشش داده شود. این پوشش با توجه به نوع و کاربرد آن با رعایت استانداردها یا بر اساس توافق خاصی انجام می پذیرد. برای انجام این عملیات مقررات و شرایط ارائه شده از طرف تهیه کننده باید رعایت گردد.
فیلم مایع، نیمه جامدو یا واکس تشکیل شده بر روی سطح فسفاته در عملیات تکمیلی باید عاری از تاول باشد. قبل از شروع این آزمون ها قطعاتی که بر روی آن ها عملیات تکمیلی انجام گرفته باید به مدت حداقل 24 ساعت در دمای محیط در درون یک اتاق خشک بدون گرد و خاک و جریان هوا به طور معلق قرار گیرند، به طوریکه روغن اضافی چکیده و هرگونه حلال دیگر بتواند تبخیر گردد.
جهت آزمون مقایسه ای اثر ضد خوردگی سطوح مختلف فسفاته پوشیده شده با روغن محافظ خوردگی مورد مصرف در عملیات تکمیلی باید از روغن استاندارد مرجع استفاده کرد. جهت انجام عملیات تکمیلی با رجوع به استاندارد مرجع ، ورق های فسفاته شده آزمون باید در دمای 120-100 درجه سلسیوس خشک گردیده و تادمای محیط سرد شوند.
سپس توسط قلاب های فولادی عایق شده یا پلاستیکی به طور عمودی به مدت یک دقیقه داخل روغن با دمای 25 درجه سلسیوس غوطه ور شوند.
در طی این مدت نمونه ها باید به طور آهسته در روغن به جلو و عقب حرکت داده شوند و به آرامی ظرف نیم دقیقه از روغن خارج شوند. پس از انجام این مراحل باید یک لایه پیوسته روغن که فاقد حباب های هوا می باشد بر روی سطح فسفاته شده فلز تشکیل گردد.
نهایتاً تا قبل از انجام آزمون ها نمونه ها باید به طور معلق به مدت 24 ساعت در دمای 28-18 درجه سلسیوس در یک اتاق خشک فاقد گردو خاک و جریان هوا قرار گیرند .
روش آزمون و ارزیابی
اثر محافظتی سطوح فسفاته پوشیده شده با مواد عملیات تکمیلی از قبیل روغن، گریس و یا واکس محافظ خوردگی باید مطابق با ویژگی های آزمون مه نمکی مورد آزمایش قرار گیرد این آزمون مشخص کننده زمانی است که اولین علائم خوردگی در قطعات یا ورق های فسفاته شده شامل مواد تکمیلی ظاهر خواهد شد .
بدین منظور نمونه باید در فواصل از پیش تعیین شده از محفظه آزمون خارج شده و جهت بررسی آثار خوردگی مورد مشاهده عینی قرار گیرد. در صورت توافق خاصی می توان قبل از مشاهدات عینی اثرات خوردگی، ماده عملیات تکمیلی را از روی سطح نمونه مورد آزمون پاک کرد.
بسته به ترکیب ماده مورد مصرف در عملیات تکمیلی و همینطور مقدار جرم بر واحد سطح آن ، زمان ظهور اولین علائم خوردگی برای پوشش فسفاته یکسان به طور وسیعی متغیر است .
در نتیجه حداقل زمان ظهور اولین علائم خوردگی بستگی به نوع روغن ، گریس یا واکس محافظ خوردگی و همچنین مقدار جرم بر واحد سطح آن دارد .
مجله پوشش های سطحی-شماره 15