Розділ 3. Хімічні способи підготовки поверхні

Нерідко вважають, що застосування порошкових фарб само по собі вирішить проблему отримання високоякісних покриттів. Дійсно, багато властивостей покриттів виявляються краще, ніж при використанні рідких фарб. Але це за умови, якщо буде проведена якісна підготовка поверхні.

Частинки сухого порошку, нанесені на тверду поверхню, утримуються на ній переважно за рахунок сил електростатичного притягання. Змочування відбувається, коли частинки порошку розплавляються. Присутні на поверхні домішки і забруднення заважають її змочування. В результаті не утворюється належного контакту розплаву з офарблює поверхнею, що негативно позначається на адгезії, а іноді і зовнішньому вигляді покриттів.

Залежно від умов виготовлення, обробки та зберігання металу на його поверхні можуть бути присутніми різні види забруднень. Розрізняють забруднення органічної (мінеральні мастила, мила, залишки полірувальних паст і рідин) і неорганічної природи (оксиди та гідроксиди металу, шлаки, цехова пил і ін).

Різні види забруднюючих речовин вимагають очищення різного ступеня складності:

Ступінь складності очищення	Вид забруднень
Висока	Хлоровані і сульфовані масла
	Жирні кислоти та їх солі
	Компоненти полірувальних паст
	Стара фарба
	Вуглецева сажа
Середня	Гідравлічні масла
	Машинне масло
	Притиральні склади
	Воскові інгібітори
	Оксиди металів
Низька	Розчинні масла
	Водорозчинні речовини
	Емульсії масел
	Синтетичні масла
	Легкі машинні масла

При виборі способу очищення зазвичай враховують природу забруднюючих речовин і ступінь забруднення ними поверхні. Для видалення масляних і жирових забруднень, які найбільш поширені, зазвичай використовують водні лужні сполуки, розчини миючих засобів і органічні розчинники. Жирні кислоти і компоненти полірувальних паст вимагають більш концентрованих лужних розчинів і одночасно застосування механічних впливів. Оксиди зазвичай видаляють за допомогою кислот; процес прискорюється із збільшенням сили і концентрації кислоти і підвищенням температури. Забруднення макрочастицами, до яких відносять цехову пил, вуглецеву сажу, тверді компоненти від полірувальних рідин і паст, зазвичай видаляються одночасно з оксидами при застосуванні кислотних сполук, але можуть бути досягнуті добрі результати і у випадку лужних миючих засобів.

При підготовці поверхні слід враховувати і природу металу, на який наноситься покриття. Сталь пасивується лугами, але розчиняється в кислотах; слід уникати високого ступеня розчинення металу при травленні. Видалення оксидів з поверхні алюмінію проводять в слабких лужних розчинах або використовують розчини фторовмісних сполук, які швидко вступають в реакцію з оксидами і розчиняють їх.

3.1. Знежирення поверхні

Під знежиренням розуміють процес видалення з поверхні органічних забруднень. Видалення може бути засновано на різних принципах.

Змочування поверхні. Обезжиривающий розчин містить ПАР, завдяки якому зменшується поверхневий натяг, полегшується змочування і забруднення відторгаються з поверхні (рис. 3.1).

Емульгування - освіта дисперсії двох взаимонерастворимых рідин (наприклад, олії і води). Факторами, що впливають на емульгування, є тип забруднення, вид ПАР і його концентрація, рН і температура обезжиривающего розчину. Омилення - процес, при якому забруднення жирними кислотами і жирами рослинного та тваринного походження під впливом лугу перетворюються на Водорозчинні мила, які сприяють процесу очищення поверхні.

 Рис. 3.1. Принципи знежирення поверхні

Розчинення - видалення водонерастворимого забруднення (масла) з допомогою органічного розчинника, його емульсії у воді або водного розчину ПАР, що посилює розчинення.

Витіснення. У результаті впливу ПАР забруднення швидше витісняється, ніж эмульгируется. Витіснення посилюється при механічному впливі. Приклад - струминне очищення.

Механічне збивання при великих швидкостях руху розчину або деталі. Прикладами такої технології можуть бути: водо - і пароструйная очищення, ультразвукова, електрична, повітряна та ін.

Дефлокуляция - дроблення забруднень на дрібні частинки і підтримання їх у дисперсному стані у водній середовищі.

Якість знежирення зазвичай контролюють чистоту поверхні. Існують кількісні і якісні (експрес) методи оцінки чистоти знежиреної поверхні. Вкажемо на деякі з них:

• Тест білого рушника. Поверхню протирають білим рушником і перевіряють ступінь його забруднення. Наявність відбитка на рушник свідчить про неякісне очищення поверхні.
• Тест на краплю води. Гарне розтікання краплі води на поверхні говорить про якісне знежирюванні, збирання в кульку - про погане.
• Тест на краплю спирту - проводять аналогічно тесту з водою. Відмінність полягає в тому, що замість води беруть розведений розчин ізопропанолу.
• Тест з використанням липкої стрічки. На суху знежирену поверхню наклеюють смужку скотча. Потім її видаляють і переглядають на аркуші білого паперу. Наявність забруднень - результат поганий очищення поверхні.
• Визначення за допомогою УФ випромінювання. Поверхня забруднюють флюоресцентним маслом, потім знежирюють за прийнятою технологією і переглядають під УФ світлом.
• Метод ФАТ (фотоакустическая технологія). Дозволяє кількісно оцінити ступінь чистоти за фотоелектронної емісії або відбиття. Чим вище віддзеркалення, тим чистіше поверхня

3.2. Фосфатування поверхні

Фосфатні покриття використовують для поліпшення адгезії покриттів і уповільнення поширення подпленочной корозії. Їх наносять на добре очищені поверхні сталі, іноді кольорових металів. В залежності від структури утворюються фосфатів розрізняють аморфний фосфатування і кристалічна.

Железофосфатные покриття

При обробці сталі кислими солями ортофосфорної кислоти і одновалентних металів на поверхні утворюється шар аморфного фосфатного заліза, маса якого коливається від 0,03 до 0,07 мг/см . Нанесення таких шарів вважають найбільш зручним і вигідним способом підготовки поверхні під покриття з порошкових фарб.

Освіта фосфатної плівки пов'язано з протіканням хімічних реакцій. Спочатку при контакті металу з кислим фосфатним розчином відбувається його розчинення з виділенням водню:

При наявності в розчині кисню або інших окислювачів залізо змінює свою валентність, переходить з двовалентного в тривалентне:

Далі відбувається утворення фосфатного покриття з участю іонів трьох - і двовалентного заліза:

,

,

.

Окислювачі – нітрити, нітрати, хлорати, перхлораты, пероксиди, а також спеціальні органічні речовини - прискорюють утворення покриття. Залежно від використовуваних речовин застосовують розчини з рН від 3,0 до 5,0 і від 4,5 до 6,0. Фосфатні покриття, ізолюючи активні центри поверхні, уповільнюють процес корозії металів. Такі покриття ідеально підходять для чорних металів, але в модифікованому вигляді можуть бути нанесені і на інші метали - алюміній, цинк, їх сплави і гальванізовані метали.

Рис. 3.2. Схема шорстколистих агрегату для струменевого підготовки поверхні.

Залежно від виду виробів та вимог до покриття фосфатування проводять різними методами. При невеликих обсягах виробництва або при фарбуванні одиничних виробів обробку поверхні фосфатирующим розчином проводять вручну за допомогою шланга, приєднаного до насоса. При потокових методів виробництва використовують ванни або струменеві агрегати, в яких розчини підігрівають і перемішують. Застосовують трьох - і пятипозиционные агрегати (рис. 3.2 і 3.3). Кількість позицій може бути і більше.

Трехпозиционные агрегати мають три секції:

1. одночасного знежирення і фосфатування,
2. промивання холодною водою,
3. промивання гарячою водою.

Рис. 3.3. Схема п'ятипозиційного агрегату для струменевого підготовки поверхні

Параметри роботи агрегату для підготовки поверхні стали:

Тривалість обробки, з

у секції 1	90
у секції 2	45
у секції 3	30
Температура, °С (секції 1 і 3)	20-60
Параметри ванни 1 секції
концентрація, %	2-3
рН розчину	3,5-5,0
Маса фосфатного покриття, мг/см2	0,02-0,04

П'ятипозиційний агрегат струминного очищення має такі секції:

1. лужного знежирення,
2. промивання,
3. фосфатування (нанесення аморфного фосфату заліза),
4. промивання,
5. промивання (або хроматной обробки).

Для сталі і деяких кольорових металів пропонуються наступні параметри роботи агрегату:

Тривалість обробки, з
у секції 1	90
у секції 2	45
у секції 3	60
у секції 4	30
у секції 5	30
Температура, °С (секції 1 і 3)	20-60
Концентрація хімічних речовин, % об.
у секції 1, 3	2-3
у секції 5	0,1-2,0
Середа
у секції 1	Лужна
у секції 2	Кисла
у секції 3	Кисла або нейтральна
Маса фосфатного покриття, мг/см2	0,04-0,08

Цинк-фосфатні покриття

Фосфатування солями цинку призводить до утворення покриттів кристалічної структури. Вони мають сірий колір і добре зчіплюються з металом. Таке фосфатування є більш дорогим у порівнянні з нанесенням аморфного фосфату заліза, але воно дозволяє отримувати більш якісні покриття і вважається кращим варіантом підготовки поверхні при фарбуванні порошковими лакофарбовими матеріалами. Його застосовують в автомобільній промисловості, приладобудуванні та інших галузях, де великі витрати виправдовуються високою якістю.

Хімічний склад ванни для отримання цинкфосфатного покриття більш складний, ніж для железофосфатного. Він включає три основних компоненти: розчинна фосфат металу (цинку, нікелю, марганцю), вільну фосфорну кислоту, окислювач.

Механізм утворення покриття відрізняється від механізму при аморфному фосфатування. Відмінність полягає в тому, що покриття утворюється в основному з металу, що міститься в розчині, а не того, який покривають. Впливаючи на анодні ділянки поверхні металу, розчин втрачає свою кислотність (рН збільшується). Це призводить до кристалізації фосфату цинку на катодних ділянках з утворенням фосфатного покриття.

Вважають, що покриття, що утворюється із фосфату цинку на сталевий поверхні, складається з кристалічного тетрагидрата фосфату цинку Zn₃(PO₄)₂ x 4Н₂О (відомого як гопеит) і змішаного цинк-железофосфата Zn₂Fe(PO₄)2 x 4Н₂О (відомого як фосфофиллит). При наявності в розчині іонів інших металів - нікелю, кобальту, марганцю, кальцію -вони входять до складу покриття замість цинку. Осадження фосфатів відбувається до тих пір, поки не буде покрита вся поверхня металу.

Окислювач, який присутній в розчині, пов'язує виділяється водень, уповільнює реакцію, і одночасно викликає окислення двовалентного заліза, переводячи його в нерозчинний фосфат тривалентного заліза. В якості окислювача зазвичай виступають нітрати, перхлораты, пероксиди, різні органічні окислювачі.

Основні реакції, що протікають при фосфатування:

розчинення металу

,

утворення осаду

,

або

окислення

,

,

Іноді для досягнення спеціальних ефектів в розчин вводять різні добавки. Наприклад, присутність нікелю, кобальту, міді може забезпечити більш рівномірне покриття або прискорити процес його нанесення. Наявність фтору покращує покриваемості гальванізованих поверхонь, а також поверхонь алюмінію або високолегованої сталі. Присутність кальцію впливає на розмір і форму обложених кристалів фосфатів.

Фосфатування зазвичай проводять у 5 - або 6-позиційних агрегатах, що включають секції:

1. лужного знежирення (і активації),
2. промивання,
3. фосфатування
4. промивання,
5. заключною промивки.

Для поліпшення рівномірності покриттів перед операцією фосфатування проводять активацію поверхні. Служить Активатором титановий концентрат. Він може бути введений до складу лужного обезжиривающего розчину або до складу промивних вод після операції знежирення.

Вимоги до обладнання для нанесення покриття із фосфату цинку більш жорсткі, ніж при отриманні железофосфатного покриття. Зважаючи постійного утворення опадів у ванні повинні бути передбачені засоби для їх видалення - фільтри, відстійники, пластинчасті сепаратори. Сопла системи розпилення фосфатирующего розчину повинні бути сконструйовані таким чином, щоб забезпечити рівномірне зрошення всієї поверхні виробів. Теплообмінники повинні допускати очищення теплопередаючих поверхонь; температура рідини в них не повинна бути занадто високою. З цієї причини пару під високим тиском не рекомендується як джерело тепла.

Після фосфатування вироби до нанесення порошкової фарби ретельно висушують від води. Щоб уникнути пошкодження покриття при цьому температура в сушильній камері не повинна перевищувати 175 °С.

3.3. Хроматування поверхні

Хроматной обробці (хроматированию) найбільш часто піддають алюміній і його сплави. Природна плівка оксиду алюмінієм нерівномірна і не забезпечує його надійний захист. Обробка поверхні сполуками, що містять Сг , різко підвищує захисні властивості металу і робить полімерні покриття більш довговічними.

Найбільше поширення в промисловості одержали конверсійні покриття на основі фосфату хрому і хроматное. Обидва види покриттів мають аморфну будову. Для одержання першого виду покриттів застосовують розчини, що містять головним чином три компоненти: фосфат, з'єднання шестивалентного хрому і фтористий препарат. У другому випадку - два компонента: шестивалентний хром і з'єднання фтору. Активний фтор сприяє видаленню забруднень і розчинення оксидів на поверхні металу.

Незважаючи на зовнішню подібність вихідних розчинів, одержувані з них аморфні покриття сильно розрізняються за властивостями та призначенням.

Процес отримання покриттів на основі фосфату хрому здійснюють у 5-позиційних агрегатах. Він включає наступні операції:

• травлення при температурах від 40 до 70 °С;
• промивка;
• нанесення покриття; розчин має температуру 30-50 °З;
• промивання водою;
• промивка підкисленою водою.

Залежно від складу розчину колір покриття може бути різним, від світло-зеленого до темно-зеленого. Покриття із фосфату хрому знайшли широке застосування як підшар під лакофарбові покриття в літакобудуванні, електроніці і кабельної промисловості.

Хроматные покриття отримують у 7-позиційних агрегатах. При цьому проводять такі операції:

1. знежирення при температурі розчину від 40 до 70 °С;
2. промивка;
3. освітлення (обробка кислим розчином для видалення оксиду алюмінію з поверхні);
4. промивка;
5. хроматування; розчин хромату нагрівається до температури 30-40 °С;
6. промивка;
7. промивка в підкисленій воді.

Хроматные покриття мають колір від золотавого до жовтого. На відміну від покриттів із фосфату хрому вони електропровідні і знаходять широке застосування у виробництві електропроводів і в електронній промисловості. Покриття, як хроматные, так і з фосфату хрому, є найкращою основою при фарбуванні порошковими фарбами виробів з алюмінію.

У зв'язку з можливою пористістю конверсійних покриттів історично на завершальній стадії їх отримання передбачають промивку пасивуючими розчинами, що містять сполуки шести або тривалентного хрому, їх комбінації з іншими компонентами, які надають пасивуючий ефект. Оскільки використання важких металів з міркувань екології повинно бути строго обмежено, з'явилися різні варіанти виключення їх з технологічного процесу.

Зокрема, запропоновано проводити хроматування без промивки утворюється покриття володіють складами або використовувати промивні води, що не містять шестивалентного хрому. Роль пасиватором в цьому випадку можуть виконувати різні органічні сполуки (полімери, кислоти, ПАР), солі фтору, фосфати, нетоксичні сполуки металів (молібдену, титану, цирконію і т. д.) або інші речовини, що збільшують протикорозійну стійкість покриття без виділення екологічно шкідливих речовин. Застосовують 4 - і 6-позиційні агрегати для проведення операцій, зазначених на рис. 3.4

Рис. 3.4. Послідовність операцій отримання конверсійних хроматных покриттів:

а - без застосування остаточної промивання виробів; б - при використанні бесхроматных пассиваторов

3.4. Вимога до води, її підготовка та використання

Хімічні способи підготовки поверхні, пов'язані з проведенням операцій знежирення, фосфатування, хроматування, потребують використання великої кількості води. Від застосовуваної води залежить якість підготовки поверхні. Чистота води і ступінь її забруднення повинні постійно контролюватися. Дуже важливими факторами є жорсткість води, наявність у ній розчинних і зважених речовин. Вода, що має жорсткість вище середнього рівня (наприклад, понад 250 млн СаСОз), не повинна використовуватися при остаточному промиванні деталей. Аналогічним чином непридатна вода з вмістом хлоридів і сульфатів більше 100 млн . У таких випадках необхідно використовувати демінералізовану воду, очищену або методом іонного обміну, або зворотним осмосом. Для невеликих очисних установок більш прийнятний метод іонного обміну.

Рекомендації по застосуванню води на різних стадіях підготовки поверхні можна сформулювати наступним чином:

Лужне знежирення	Сира вода, не утворює накипу; суміш водопровідної та демінералізованої води
Проміжна промивка	Сира (найдешевша) вода, не утворює накипу
Фосфатування	Дистильована, сира вода (хорошої якості) або її суміш з демінералізованої
Остаточна промивка	Демінералізована вода

З метою економії демінералізованої води промивку нею проводять за допомогою рециркуляційного розпилення. Таку воду можна зливати відразу в дренажний канал, однак більш доцільно її використовувати після демінералізації.

Економне використання води є резервом зниження витрат на підготовку поверхні. Необхідно прагнути до багаторазового повторного використання води при збереженні її якості.

На рис. 3.5 показані схеми оборотного водопостачання, які використовуються при промиванні (горизонтальна і вертикальна проекції).

Рис. 3.5. Схема води для промивки:

а - горизонтальная проекция: 1 - подача свежей воды; 2 - подача деминерализованной воды (ДВ); 3 - на очистку; 4 - на деминерализацию; 5 - предварительная очистка; 6- очистка; 7-промывка; 8 – нанесение конверсионного покрытия; 9- окончательная промывка; 10- повторно используемая ДВ; 11 - свежая ДВ; 12 - нагретая ДВ; 13- материал ванны ДВ - нержавеющая сталь

6 - вертикальная проекция: 1 - контуры с насадками; 2 - свежая вода для окончательной промывки; 3 - водослив; 4 - слив либо подача на химическую очистку; 5 - промывка I; 6 -промывка II; 7- насос