)
mSk

بحث و نتایج
درجهبندی تمیزی سطح پرداخت شده بر اساس استانداردISO S501-1 شکلهای 1 و 2 مقایسه نمونههای بکار رفته در این مطالعه را به ترتیب پیش و پس از عملیات پرداخت مکانیکی سطح، با نمونههای ارایه شده در استاندارد نشان میدهد. با مقایسه نمونه اولیه پیش از انجام عملیات پرداخت سطحی روی آن و نمونههای پرداخت سطحی شده به روشهای مکانیکی ساچمهپاشی و ماسهپاشی با استاندارد، درجه تمیزی 2

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

A Sa 2 تعیین شد.

مطالعه ساختار پوشش فسفاته
شکل 3 تغییر در ساختار لایه فسفاته تشکیل شده روی سطوح فولاد سادهکربنی St 37 آمادهسازی شده با روشهای مکانیکی متفاوت را نشان میدهد. همان گونه که از تصاویر SEM مشاهده میشود، پوشش اعمال ی روی سطح ساچمهپاشی شده در مقایسه با سطح سنبادهزنی شده، دارای بلورهای فسفاته Zn (هوپیت1) با ابعاد درشتتر بوده و پوششدهی سطح به خوبی انجام نگرفته است، اما در مورد نمونهها ی ماسهپاشی شده در مقایسه با نمونههای سنبادهزنی شده، بلورهایی ظریفتر و ریزدانهتر با تراکم بالا تشکیل شدهاند که به طور یکنواخت روی سطح پراکنده شده و تعداد بلورها در واحد سطح افزایش یافته است. میانگین اندازه طول ی بلورها ی فسفاته Zn برای پوشش وارده روی نمونهها با بافت سطحی گوناگون در جدول 4 گزارش شده است. اندازهگیری ابعاد بلورها به وسیله نرم افزار Clemex و با میانگینگیر ی اندازه طولی دستکم ده عدد بلور در سه بزرگنما یی گوناگون از تصاویر SEM، بدست آمده است.
دلیل اختلاف در ساختار پوششهای بدست آمده روی نمونههای پرداخت سطحی شده به روشهای گوناگون، تفاوت ایجاد شده در حالت سطح است زیرا با توجه به نوع پیش عملیات انجام شده روی سطح، حالت سطح، فعالیت شیمیایی و الکتروشیمیایی آن تغییر میکند. در نتیجه، از آنجاییکه واکنشهای تشکیل پوشش فسفاته روی سطح انجام میشوند و مناطق اولیه جوانهزنی بلورها همان سطحفلزی است، بنابراین روشهای گوناگون آمادهسازی سطحروی ویژگیها و ساختار پوشش بدست آمده تاثیر میگذارند [19 و 15]. شکل 4، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مربوط به سطح فعالسازی مکانیکی شده را پیش از فسفاتهکاری نشان میدهد. همان گونه که مشاهده میشود، روش های گوناگون پرداخت سطح، سبب تغییر حالت سطح فلزپایه شده و در نتیجه، بر ساختار لایه فسفاته بدست آمده تاثیر میگذارد. شکل 4 (الف) نشان میدهد که روی سطح آمادهسازی شده به وسیله عملیات ساچمهپاشی، فرورفتگیهای بزرگ و عمیقی نسبت به سطح فعالسازی شده به وسیله سنبادهزنی پدید آمده است. عملیات ماسهپاشی نیز (شکل 4( ب)) سبب تشکیل فرورفتگیها و برجستگیهای ریز در کنار هم، روی سطح میشود. بنابراین، سطح خشن ایجاد شده به وسیله عملیات ماسهپاشی، موجب بوجود آمدن شمار زیادی مکانهای پرانرژی و فعال روی سطح میشود. گزارش شده که تمام عملیات مکانیکی و یا شیمیایی که تعداد مراکز فعال را تحت تاثیر قرار میدهند، سبب افزایش مراکز جوانهزنی شده و در ایجاد پوشش نازک با بلورهای ریز موثرند [14 و 11].
در نتیجه، با افزایش مکانهای فعال و پرانرژی بر واحد سطح ماسهپاشی شده، تعداد بلورهای فسفاته افزایش و ابعاد آنها کاهش یافت، اما عملیات سنبادهزنی به دلیل ایجاد سطحی با فعالیت پایین، سبب تشکیل پوششی درشتدانه و نامتراکم شد.
همچنین، دلیل کاهش کیفیت پوشش اعمالی روی سطح ساچمهپاشی شده و تشکیل پوششی نامناسب، به تفاوت در تعداد هستههای تشکیل شده روی سطح فلز در مرحله تشکیل بلورهای سازنده پوشش فسفاته برمیگردد زیرا با توجه به حالت سطح فلزپایه پس از عملیات ساچمهپاشی، مشاهده میشود که نقاط برجستگی و فرورفتگی موجود در واحد سطح در مقایسه با سطح ماسه-پاشی شده کاهش یافته و در نتیجه، مکانهای فعال و پرانرژی کمتری برای جوانهزنی بلورهای فسفاته وجود دارد. همچنین، برای بررسی بیشتر علت تنزل کیفیت پوشش اعمالی روی سطح ساچمهپاشی شده نسبت به سطح سنبادهزنی شده، به بررسی زبری تحمیل شده رویسطح به وسیله هر یک از روشهای مکانیکی آمادهسازی پرداخته میشود.
زبری با توجه به نیم رخ زبری تشکیل شده روی سطح و اندازهگیری ارتفاع بین عمیقترین دره تا مرتفعترین قله (Rz) و همچنین پهنای فرورفتگیها (Ra)، با دو مرحله تکرار اندازهگیری شد که مقادیر بدست آمده برای سطوح گوناگون در جدول 5 گزارش شده است. با مقایسه نتایج، مشاهده میشود که زبری ایجاد شده در اثر پرداخت مکانیکی سطح به روش ساچمهپاشی بیشترین مقدار را در مقایسه با زبری سایر سطوح دارد که با توجه به افزایش بیش از حد مقادیر Ra(پهنای فرورفتگیها) در تایید با مشاهدههای انجام گرفته به وسیله تصاویر SEM (در ارتباط با کاهش مکانهای فعال برای جوانهزنی در واحد سطح به دلیل افزایش فواصل بین پهنای فرورفتگیها) است. همچنین، قالی (Ghali) و همکارانش گزارش کردند که زبری سطح همیشه برای فرایند فسفاتهکاری مناسب نیست و چنانچه مقدار زبری خیلی بالا باشد، سبب جوانه- زنی نایکنواخت بلورهای فسفاته و کاهش مقدار اسیدشویی میشود [20]. از سوی دیگر، از آنجاییکه اسیدشویی نخستین مرحله برای تشکیل پوشش فسفاته روی سطح است، بنابراین با کاهش مقدار اسیدشویی و در پی آن، کاهش تعداد جوانههای اولیه، کیفیت پوشش بدست آمده کاهش مییابد. در واقع، علت تشکیل پوشش درشت دانه با قدرت پوششدهی پایین روی سطح ساچمهپاشی شده نیز افزایش بیش از حد زبری بود، اما عملیات ماسهپاشی با تحمیل یک پروفیل زبری مناسب روی سطح، سبب افزایش مراکز جوانهزنی روی آن میشود.

مطالعه وزن و ضخامت پوشش فسفاته
بمنظور تعیین زمان بهینه فسفاتهکاری و وزن نهایی پوشش، نمودارهای وزن پوشش- زمانهای گوناگون فسفاتهکاری پس از فعالسازی سطح فولاد به وسیله عملیات ساچمهپاشی، سنبادهزنی و ماسهپاش ی در شکل 5 رسم شدهاند. چنانچه در تصویر مشاهده میشود، این نمودارها از سه بخش تشکیل شدهاند که به مکانیزم پوشش اشاره دارد.
در حقیقت مکانیزم تشکیل پوشش فسفاته را میتوانبه چند مرحله طبقهبندی و خلاصه کرد که تصویرشماتیکی آن در شکل 6 نشان داده شده است.

(الف) مرحله انحلال فلز پایه
نمکهای فسفاته خصوصا نمکهای فلزی دو ظرفیتی، در محلولهای اسیدی قابل حل و در محلولهای بازی یا خنثی غیر قابل حل هستند. حمامهای فسفاتهکاری به اندازه کافی اسیدی هستند تا یونها را به صورت محلول نگه دارند. هنگامی که فلز در داخل محلول قرار میگیرد، اسید به سطح فلز حمله میکند. در این حالت دو تغییر در محلول مجاور سطح فلز، بر اساس واکنشهای 1 و 2 رخ میدهد که عبارتند از:

انحلال فلز و افزایش غلظت یونهای فلزی در میکروآندهای موضعی
خنثی شدن اسید (احیای یونهای هیدروژن به گاز هیدروژن در مکانهای میکروکاتدی) و افزایش pH (1) Fe2+ +2e-

Fe
2H+ +2e-

H2 (2)

تفکیک اسید فسفوریک
در این حالت، افزایش مقدار pH در فصل مشترک فلز- محلول، حالت تعادل را در داخل محلول فسفاته به هم میزند. برای حفظ دوباره تعادل، تفکیک اسید فسفریک در مناطقی با pH بالا، بر اساس واکنش 3 انجام میشود. بنابراین، غلظت یونهای فسفاته افزایش مییابد که رسوب بلورهای فسفاته ثالث را تسهیل میکند [23- 21] و بر اساس نظریه ماچو (Machu)، رسوب این بلورها روی مکانهای میکروکاتدی انجام میشود [1].
H3PO4

H++H2PO4-

2H++HPO4-2

3H+ +PO4-3 (3)

مرحله انحلال فلز
در مراحل بعدی فسفاتهکاری، یونهای فسفات با یونهای آهن تولید شده ناشی از انحلال سطح و یونهای روی موجود در حمام، از راه نفوذ یا مهاجرت الکتریکی تماس یافته و رسوبات انحلال ناپذیر فسفاته آهن و فسفاته آهن- روی (فسفوفیلیت ) بر اساس واکنشهای 4 و 5،روی سطح فلز تشکیل میشوند. در ادامه نیز با تخلیهیونهای آهن در مجاور سطح فلز، بلورهای فسفاته Zn (هوپیت) با فاصله گرفتن از سطح بر اساس واکنش 6، روی آن رسوب میکنند [20].

3Fe(H2PO4)2

Fe3(PO4)2+4H3PO4 (4) Fe2++2Zn2++2H2PO4- (5)
+4H2O

FeZn2(PO4)2.4H2O(s)+
4H+
3Zn2+ +2PO43- +4H2O

(6)
Zn3(PO4)2.4H2O
در نتیجه، با توجه به مکانیزم پوششدهی، میتوان چنین نتیجه گرفت که بخش نخست نمودارهای وزن پوشش- زمان غوطهوری، مربوط به زمانهای آغازین پوششدهی است. در این مرحله، به دلیل سرعت بالای اسیدشویی نمونه و در نتیجه، احیای تعداد بیشتری از پروتونها (+H)، افزایش pH به محدودهای که در آن بلورهای فسفاته به حالت نامحلول وجود خواهند داشت، سریعتر رخ میدهد. بنابراین، سرعت جوانهزنی بلورهای فسفاته روی سطح زیرلایه و رشد متعاقب آنها افزایش مییابد که سبب افزایش شیب منحن ی وزن پوشش- زمان میشود. بخش دوم این نمودارها نیز به زمان ی مربوط است که مقدار تغییرات شیب منحن ی کمتر شده و حت ی پس از گذشت مدت زمانی، این تغییرات نامحسوس بوده و وزن پوشش به حالت اشباع میرسد. در این حالت نیز به علت اینکه بخش اعظمی از سطح فلزپایه به وسیله یک لایه عایق پوشش داده شده، مقدار اسید شویی فلزپایه کاهش یافته و یونهای فلزی کمتری ایجاد میشود. در نتیجه، تعداد الکترونها برای احیای یونهای +H کاهش مییابد که سبب کاهش مقدار جوانهزنی و رشد پوشش میشود. پس از گذشت یک مدت زمان مشخص نیز تغییرات در وزن پوشش نامحسوس است. همچنین، در زمانهای طولانیتر، مقدار pH در محلول مجاور پوشش دوباره کاهش مییابد که سبب حمله به پوشش، ترکدار شدن و سایش آن و در نتیجه، کاهش وزن لایه فسفاته اعمالی میشود [28- 24].

بنابراین، در زمانهای کوتاهتر از زمان بهینه برایفسفاتهکاری، لایه فسفاته به طور کامل شکل نمیگیرد وخیلی نازک و سست بوده، برای حفاظت زیرلایه ناکافی است. در زمانهای طولانیتر از زمان بهینه برای فسفاتهکاری نیز با افزایش بیش از حد ضخامت پوشش و یا حمله الکترولیت به پوشش، لایه اعمالی ترکدار شده و الکترولیت خورنده میتواند در سرتاسر این ترکها نفوذ کرده، با زیرلایه واکنش دهد [29 و 28 ،6]. در نتیجه، بهترین زمان برای پوششدهی نمونه، زمانی است که از آن به بعد تغییرات در وزن پوشش نامحسوس است. این زمان بهینه برای پوششدهی نمونههای آمادهسازی شده به روشهای گوناگون سنبادهزنی، ساچمهپاشی و ماسهپاشی، در جدول 6 گزارش شدهاند.
همچنین، ضخامت پوششهای بدست آمده برای هر حالت به وسیله ضخامتسنج مغناطیسی از دستکم ده نقطه گوناگون سطح پوششدار اندازهگیری شد و با در دست داشتن وزن و ضخامت پوشش، چگالی آن محاسبه شد. نتایج این اندازهگیریها نیز در جدول 2 ذکر شده است.
نتایج نشان میدهند که پوشش اعمالی روی سطح فعالسازی شده به وسیله عملیات ماسهپاشی، دارای چگالی فازی بالاتری بوده و در زمانهای فسفاتهکاری کوتاهتری تشکیل شده است زیرا رشد بلورهای فسفاته به وسیله ترکیب محلول و شرایط سطحی کنترل میشود [30]. مکانهای فعال موجود روی سطح مانند حفرهها، لبهها و پستی و بلندیها، نظیر آنچه در طی عملیات ماسهپاشی بدست آمد، با افزایش مقدار اسیدشویی نمونه در زمانهای اولیه غوطهوری، سبب تشکیل مقدار بیشتری از جوانههای فسفاته میشوند [27 و 9] و در نتیجه، ضخامت پوشش و مدت زمان لازم جهت تکمیل عملیات پوششدهی کاهش مییابد.
از سوی دیگر، با توجه به نتایج میتوان گفت که پرداخت سطح به وسیله عملیات ساچمهپاشی در مقایسه با عملیات سنبادهزنی، سبب افت کیفیت پوشش بدست آمده شد و لایه فسفاتهای با تراکم فازی پایینتر در زمانهای فسفاتهکاری طولانیتر، روی سطح ساچمهپاشی شده شکل گرفت زیرا افزایش در مقدار pH فصل مشترک یک شرط لازم برای رسوب پوشش فسفاته روی زیرلایهاست. بنابراین، برای دست یافتن به شمار وسیعی از جوانهها، باید تا جاییکه امکان دارد افزایش مقدار pH مجاور سطح در طول ثانیههای اولیه شکلگیری پوشش فسفاته سریع باشد [8]. هرچه بتوان مقدار اسیدشویی فلز پایه را افزایش داد، الکترونهای ناشی از آن، احیای یونهای (+H) را تسریع بخشیده و سبب افزایش سریعتر مقدار pH در فصل مشترک و در نتیجه، افزایش جوانهزنی در زمانهای اولیه فسفاتهکاری میشوند [13 و 12] و تعداد این جوانههای اولیه، ساختار، ضخامت و سایر ویژگیهای پوشش اعمالی را تحت تاثیر قرار میدهند، اما در مورد سطوح ساچمهپاشی شده میتوان چنین استنباط کرد که انحلال فلز پایه به دلیل زبری بالای سطح به خوبی انجام نمیگیرد. بنابراین، تعداد جوانههای تشکیل شده در مراحل اولیه فسفاتهکاری کم است و با ادامه فرایند فسفاتهکاری، بلورهای درشتی روی سطح تشکیل میشود که سبب افزایش ضخامت، وزن پوشش و مدت زمان لازم جهت کامل شدن عملیات فسفاتهکاری میشوند.
از سوی دیگر، تشکیل پوشش با ضخامت و وزن بالا، سبب میشود که محلول فسفاتهکاری به سرعت از عناصر پوشش فقیر شود و بنابراین، باید بازیابی شوند. نتیجهگیری
مطالعات انجام شده نشان داد که عملیات ساچمهپاشیبا افزایش بیش از حد زبری سطح و تشکیل تعداد مکانهای فعال کمتری در واحد سطح، منجر به کاهش مقدار اسیدشویی فلز پایه در طول مراحل فسفاتهکاری شد. در نتیجه، لایه فسفاتهای با کیفیت و چگالی فازی پایین و ساختاری درشت دانه روی سطح ساچمهپاشی شده ایجاد شد که در مقایسه با سطوح فعالسازی شده به وسیله عملیات سنبادهزنی و ماسهپاشی، زمانهای طولانیتری را برای تکمیل عملیات پوششدهی نیاز داشت.
از سوی دیگر، پرداخت سطح به وسیله عملیات ماسهپاشی، به دلیل تحمیل پروفیل زبری مناسب روی آن و افزایش مکانهای مناسب برای جوانهزنی در واحد سطح، نظیر فرورفتگیها و برجستگیهای تشکیل شده در طول عملیات پیش فعالسازی مکانیکی، سبب تشکیل پوششی ریزدانه با چگالی فازی بالاتری شد. در این حالت، زمان بهینه فسفاتهکاری و وزن پوشش نیز کاهش یافت.
بنابراین، نتایج نشان دادند که پیش فعالسازی سطح به وسیله عملیات ماسهپاشی در مقایسه با عملیات سنبادهزنی و ساچمهپاشی، جهت دستیابی به پوششی با کیفیت مطلوبتر، مفید است.

G. Song, “Electroless deposition of a prefilm of electrophoresis coating and its corrosion resistance on an Mg alloy”, Electrochimica Acta, 55, 2258–2268, 2010 .
M. Manna, “Characterisation of phosphate coatings obtained using nitric acid free phosphate solution on three steel substrates: An option to simulate TMT rebars surfaces”, Surface & Coatings Technology, 203, 1913– 1918, 2009 .
P. E. Tegehall, and N. G. Vanerberg, “Nucleation and formation of zinc phosphate conversion coating on cold-rolled steel”, Corrosion Science, 32, 635-652, 1991.
C. T. Yap, T. L. Tan, L. M. Gan,
“Evaluation of zinc phosphate coating on cold rolled steel surface by X-Ray fluorescence technique”, Apllied Surface Science, 27, 247254, 1986.

Refrences
1- T. S. N.Sankara Narayanan, “Surface pretreatment by phosphate conversion coating- a review”, National Metallurgy Laboratory, India, 9, 130-17, 2005. 2- W. Rausch, “The phosphating of Metals”, ASM International, 434-365, 1990.
N. L. yuan, “Cathodic phosphate coating containing nano zinc particles on magnesium alloy”, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 18, 365-368, 2008.
M. C. M.Farias, C.A. L.Santos, Z. panossian, A.Sinatora, “Fricion behavior of lubricated Zinc Phosphate coatings”, Wear, 266, 873-877, 2009.
Metals handbook, 9th Ed, vol. 5, pp: 379404.
22- L. Y. Niu, Z. H. Jiang, G. Y. Li, C. D. Gu, J. S. Lian, “A study and application of zinc phosphate coating on AZ91D magnesium alloy”, Surface & Coatings Technology, 200, 3021– 3026, 2006.
13- M. Sheng, Ch. Wanga, Q. Zhong, Y. Wei, Y. Wang, “Ultrasonic irradiation and its application for improving the corrosion resistance of phosphate coatings on aluminum alloys”, Ultrasonics Sonochemistry, 17, 21–25, 2010.
E. P. Banczek, P. R. P.Rodrigues, I. Costa, “Investigation on the effect of benzotriazole on the phosphating of carbon steel”, Surface & Coatings Technology, 201, 3701–3708, 2006.
Ch. M. Wang, H. Ch. Liau, W. T. Tsai, “Effects of temperature and applied potential on the micro structure and electrochemical behavior of manganes phosphate coating”, Surface & Coatings Technology, 201, 29943001, 2006.
Sh. L. Zhang, “The growth of zinc phosphate coatings on 6061-Al alloy”, Surface & Coatings Technology, 202, 1674-1680, 2008.

  • 1

پاسخ دهید