)
mSk

بحث و نتايج
درجهبندي تميزي سطح پرداخت شده بر اساس استانداردISO S501-1 شكلهاي 1 و 2 مقايسه نمونههاي بكار رفته در اين مطالعه را به ترتيب پيش و پس از عمليات پرداخت مكانيكي سطح، با نمونههاي ارايه شده در استاندارد نشان ميدهد. با مقايسه نمونه اوليه پيش از انجام عمليات پرداخت سطحي روي آن و نمونههاي پرداخت سطحي شده به روشهاي مكانيكي ساچمهپاشي و ماسهپاشي با استاندارد، درجه تميزي 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 تعيين شد.

مطالعه ساختار پوشش فسفاته
شكل 3 تغيير در ساختار لايه فسفاته تشكيل شده روي سطوح فولاد سادهكربني St 37 آمادهسازي شده با روشهاي مكانيكي متفاوت را نشان ميدهد. همان گونه كه از تصاوير SEM مشاهده ميشود، پوشش اعمال ي روي سطح ساچمهپاشي شده در مقايسه با سطح سنبادهزني شده، داراي بلورهاي فسفاته Zn (هوپيت1) با ابعاد درشتتر بوده و پوششدهي سطح به خوبي انجام نگرفته است، اما در مورد نمونهها ي ماسهپاشي شده در مقايسه با نمونههاي سنبادهزني شده، بلورهايي ظريفتر و ريزدانهتر با تراكم بالا تشكيل شدهاند كه به طور يكنواخت روي سطح پراكنده شده و تعداد بلورها در واحد سطح افزايش يافته است. ميانگين اندازه طول ي بلورها ي فسفاته Zn براي پوشش وارده روي نمونهها با بافت سطحي گوناگون در جدول 4 گزارش شده است. اندازهگيري ابعاد بلورها به وسيله نرم افزار Clemex و با ميانگينگير ي اندازه طولي دستكم ده عدد بلور در سه بزرگنما يي گوناگون از تصاوير SEM، بدست آمده است.
دليل اختلاف در ساختار پوششهاي بدست آمده روي نمونههاي پرداخت سطحي شده به روشهاي گوناگون، تفاوت ايجاد شده در حالت سطح است زيرا با توجه به نوع پيش عمليات انجام شده روي سطح، حالت سطح، فعاليت شيميايي و الكتروشيميايي آن تغيير ميكند. در نتيجه، از آنجاييكه واكنشهاي تشكيل پوشش فسفاته روي سطح انجام ميشوند و مناطق اوليه جوانهزني بلورها همان سطحفلزي است، بنابراين روشهاي گوناگون آمادهسازي سطحروي ويژگيها و ساختار پوشش بدست آمده تاثير ميگذارند [19 و 15]. شكل 4، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي مربوط به سطح فعالسازي مكانيكي شده را پيش از فسفاتهكاري نشان ميدهد. همان گونه كه مشاهده ميشود، روش هاي گوناگون پرداخت سطح، سبب تغيير حالت سطح فلزپايه شده و در نتيجه، بر ساختار لايه فسفاته بدست آمده تاثير ميگذارد. شكل 4 (الف) نشان ميدهد كه روي سطح آمادهسازي شده به وسيله عمليات ساچمهپاشي، فرورفتگيهاي بزرگ و عميقي نسبت به سطح فعالسازي شده به وسيله سنبادهزني پديد آمده است. عمليات ماسهپاشي نيز (شكل 4( ب)) سبب تشكيل فرورفتگيها و برجستگيهاي ريز در كنار هم، روي سطح ميشود. بنابراين، سطح خشن ايجاد شده به وسيله عمليات ماسهپاشي، موجب بوجود آمدن شمار زيادي مكانهاي پرانرژي و فعال روي سطح ميشود. گزارش شده كه تمام عمليات مكانيكي و يا شيميايي كه تعداد مراكز فعال را تحت تاثير قرار ميدهند، سبب افزايش مراكز جوانهزني شده و در ايجاد پوشش نازك با بلورهاي ريز موثرند [14 و 11].
در نتيجه، با افزايش مكانهاي فعال و پرانرژي بر واحد سطح ماسهپاشي شده، تعداد بلورهاي فسفاته افزايش و ابعاد آنها كاهش يافت، اما عمليات سنبادهزني به دليل ايجاد سطحي با فعاليت پايين، سبب تشكيل پوششي درشتدانه و نامتراكم شد.
همچنين، دليل كاهش كيفيت پوشش اعمالي روي سطح ساچمهپاشي شده و تشكيل پوششي نامناسب، به تفاوت در تعداد هستههاي تشكيل شده روي سطح فلز در مرحله تشكيل بلورهاي سازنده پوشش فسفاته برميگردد زيرا با توجه به حالت سطح فلزپايه پس از عمليات ساچمهپاشي، مشاهده ميشود كه نقاط برجستگي و فرورفتگي موجود در واحد سطح در مقايسه با سطح ماسه-پاشي شده كاهش يافته و در نتيجه، مكانهاي فعال و پرانرژي كمتري براي جوانهزني بلورهاي فسفاته وجود دارد. همچنين، براي بررسي بيشتر علت تنزل كيفيت پوشش اعمالي روي سطح ساچمهپاشي شده نسبت به سطح سنبادهزني شده، به بررسي زبري تحميل شده رويسطح به وسيله هر يك از روشهاي مكانيكي آمادهسازي پرداخته ميشود.
زبري با توجه به نيم رخ زبري تشكيل شده روي سطح و اندازهگيري ارتفاع بين عميقترين دره تا مرتفعترين قله (Rz) و همچنين پهناي فرورفتگيها (Ra)، با دو مرحله تكرار اندازهگيري شد كه مقادير بدست آمده براي سطوح گوناگون در جدول 5 گزارش شده است. با مقايسه نتايج، مشاهده ميشود كه زبري ايجاد شده در اثر پرداخت مكانيكي سطح به روش ساچمهپاشي بيشترين مقدار را در مقايسه با زبري ساير سطوح دارد كه با توجه به افزايش بيش از حد مقادير Ra(پهناي فرورفتگيها) در تاييد با مشاهدههاي انجام گرفته به وسيله تصاوير SEM (در ارتباط با كاهش مكانهاي فعال براي جوانهزني در واحد سطح به دليل افزايش فواصل بين پهناي فرورفتگيها) است. همچنين، قالي (Ghali) و همكارانش گزارش كردند كه زبري سطح هميشه براي فرايند فسفاتهكاري مناسب نيست و چنانچه مقدار زبري خيلي بالا باشد، سبب جوانه- زني نايكنواخت بلورهاي فسفاته و كاهش مقدار اسيدشويي ميشود [20]. از سوي ديگر، از آنجاييكه اسيدشويي نخستين مرحله براي تشكيل پوشش فسفاته روي سطح است، بنابراين با كاهش مقدار اسيدشويي و در پي آن، كاهش تعداد جوانههاي اوليه، كيفيت پوشش بدست آمده كاهش مييابد. در واقع، علت تشكيل پوشش درشت دانه با قدرت پوششدهي پايين روي سطح ساچمهپاشي شده نيز افزايش بيش از حد زبري بود، اما عمليات ماسهپاشي با تحميل يك پروفيل زبري مناسب روي سطح، سبب افزايش مراكز جوانهزني روي آن ميشود.

مطالعه وزن و ضخامت پوشش فسفاته
بمنظور تعيين زمان بهينه فسفاتهكاري و وزن نهايي پوشش، نمودارهاي وزن پوشش- زمانهاي گوناگون فسفاتهكاري پس از فعالسازي سطح فولاد به وسيله عمليات ساچمهپاشي، سنبادهزني و ماسهپاش ي در شكل 5 رسم شدهاند. چنانچه در تصوير مشاهده ميشود، اين نمودارها از سه بخش تشكيل شدهاند كه به مكانيزم پوشش اشاره دارد.
در حقيقت مكانيزم تشكيل پوشش فسفاته را ميتوانبه چند مرحله طبقهبندي و خلاصه كرد كه تصويرشماتيكي آن در شكل 6 نشان داده شده است.

(الف) مرحله انحلال فلز پايه
نمكهاي فسفاته خصوصا نمكهاي فلزي دو ظرفيتي، در محلولهاي اسيدي قابل حل و در محلولهاي بازي يا خنثي غير قابل حل هستند. حمامهاي فسفاتهكاري به اندازه كافي اسيدي هستند تا يونها را به صورت محلول نگه دارند. هنگامي كه فلز در داخل محلول قرار ميگيرد، اسيد به سطح فلز حمله ميكند. در اين حالت دو تغيير در محلول مجاور سطح فلز، بر اساس واكنشهاي 1 و 2 رخ ميدهد كه عبارتند از:

انحلال فلز و افزايش غلظت يونهاي فلزي در ميكروآندهاي موضعي
خنثي شدن اسيد (احياي يونهاي هيدروژن به گاز هيدروژن در مكانهاي ميكروكاتدي) و افزايش pH (1) Fe2+ +2e-

Fe
2H+ +2e-

H2 (2)

تفكيك اسيد فسفوريك
در اين حالت، افزايش مقدار pH در فصل مشترك فلز- محلول، حالت تعادل را در داخل محلول فسفاته به هم ميزند. براي حفظ دوباره تعادل، تفكيك اسيد فسفريك در مناطقي با pH بالا، بر اساس واكنش 3 انجام ميشود. بنابراين، غلظت يونهاي فسفاته افزايش مييابد كه رسوب بلورهاي فسفاته ثالث را تسهيل ميكند [23- 21] و بر اساس نظريه ماچو (Machu)، رسوب اين بلورها روي مكانهاي ميكروكاتدي انجام ميشود [1].
H3PO4

H++H2PO4-

2H++HPO4-2

3H+ +PO4-3 (3)

مرحله انحلال فلز
در مراحل بعدي فسفاتهكاري، يونهاي فسفات با يونهاي آهن توليد شده ناشي از انحلال سطح و يونهاي روي موجود در حمام، از راه نفوذ يا مهاجرت الكتريكي تماس يافته و رسوبات انحلال ناپذير فسفاته آهن و فسفاته آهن- روي (فسفوفيليت ) بر اساس واكنشهاي 4 و 5،روي سطح فلز تشكيل ميشوند. در ادامه نيز با تخليهيونهاي آهن در مجاور سطح فلز، بلورهاي فسفاته Zn (هوپيت) با فاصله گرفتن از سطح بر اساس واكنش 6، روي آن رسوب ميكنند [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 نتيجه، با توجه به مكانيزم پوششدهي، ميتوان چنين نتيجه گرفت كه بخش نخست نمودارهاي وزن پوشش- زمان غوطهوري، مربوط به زمانهاي آغازين پوششدهي است. در اين مرحله، به دليل سرعت بالاي اسيدشويي نمونه و در نتيجه، احياي تعداد بيشتري از پروتونها (+H)، افزايش pH به محدودهاي كه در آن بلورهاي فسفاته به حالت نامحلول وجود خواهند داشت، سريعتر رخ ميدهد. بنابراين، سرعت جوانهزني بلورهاي فسفاته روي سطح زيرلايه و رشد متعاقب آنها افزايش مييابد كه سبب افزايش شيب منحن ي وزن پوشش- زمان ميشود. بخش دوم اين نمودارها نيز به زمان ي مربوط است كه مقدار تغييرات شيب منحن ي كمتر شده و حت ي پس از گذشت مدت زماني، اين تغييرات نامحسوس بوده و وزن پوشش به حالت اشباع ميرسد. در اين حالت نيز به علت اينكه بخش اعظمي از سطح فلزپايه به وسيله يك لايه عايق پوشش داده شده، مقدار اسيد شويي فلزپايه كاهش يافته و يونهاي فلزي كمتري ايجاد ميشود. در نتيجه، تعداد الكترونها براي احياي يونهاي +H كاهش مييابد كه سبب كاهش مقدار جوانهزني و رشد پوشش ميشود. پس از گذشت يك مدت زمان مشخص نيز تغييرات در وزن پوشش نامحسوس است. همچنين، در زمانهاي طولانيتر، مقدار pH در محلول مجاور پوشش دوباره كاهش مييابد كه سبب حمله به پوشش، تركدار شدن و سايش آن و در نتيجه، كاهش وزن لايه فسفاته اعمالي ميشود [28- 24].

بنابراين، در زمانهاي كوتاهتر از زمان بهينه برايفسفاتهكاري، لايه فسفاته به طور كامل شكل نميگيرد وخيلي نازك و سست بوده، براي حفاظت زيرلايه ناكافي است. در زمانهاي طولانيتر از زمان بهينه براي فسفاتهكاري نيز با افزايش بيش از حد ضخامت پوشش و يا حمله الكتروليت به پوشش، لايه اعمالي تركدار شده و الكتروليت خورنده ميتواند در سرتاسر اين تركها نفوذ كرده، با زيرلايه واكنش دهد [29 و 28 ،6]. در نتيجه، بهترين زمان براي پوششدهي نمونه، زماني است كه از آن به بعد تغييرات در وزن پوشش نامحسوس است. اين زمان بهينه براي پوششدهي نمونههاي آمادهسازي شده به روشهاي گوناگون سنبادهزني، ساچمهپاشي و ماسهپاشي، در جدول 6 گزارش شدهاند.
همچنين، ضخامت پوششهاي بدست آمده براي هر حالت به وسيله ضخامتسنج مغناطيسي از دستكم ده نقطه گوناگون سطح پوششدار اندازهگيري شد و با در دست داشتن وزن و ضخامت پوشش، چگالي آن محاسبه شد. نتايج اين اندازهگيريها نيز در جدول 2 ذكر شده است.
نتايج نشان ميدهند كه پوشش اعمالي روي سطح فعالسازي شده به وسيله عمليات ماسهپاشي، داراي چگالي فازي بالاتري بوده و در زمانهاي فسفاتهكاري كوتاهتري تشكيل شده است زيرا رشد بلورهاي فسفاته به وسيله تركيب محلول و شرايط سطحي كنترل ميشود [30]. مكانهاي فعال موجود روي سطح مانند حفرهها، لبهها و پستي و بلنديها، نظير آنچه در طي عمليات ماسهپاشي بدست آمد، با افزايش مقدار اسيدشويي نمونه در زمانهاي اوليه غوطهوري، سبب تشكيل مقدار بيشتري از جوانههاي فسفاته ميشوند [27 و 9] و در نتيجه، ضخامت پوشش و مدت زمان لازم جهت تكميل عمليات پوششدهي كاهش مييابد.
از سوي ديگر، با توجه به نتايج ميتوان گفت كه پرداخت سطح به وسيله عمليات ساچمهپاشي در مقايسه با عمليات سنبادهزني، سبب افت كيفيت پوشش بدست آمده شد و لايه فسفاتهاي با تراكم فازي پايينتر در زمانهاي فسفاتهكاري طولانيتر، روي سطح ساچمهپاشي شده شكل گرفت زيرا افزايش در مقدار pH فصل مشترك يك شرط لازم براي رسوب پوشش فسفاته روي زيرلايهاست. بنابراين، براي دست يافتن به شمار وسيعي از جوانهها، بايد تا جاييكه امكان دارد افزايش مقدار pH مجاور سطح در طول ثانيههاي اوليه شكلگيري پوشش فسفاته سريع باشد [8]. هرچه بتوان مقدار اسيدشويي فلز پايه را افزايش داد، الكترونهاي ناشي از آن، احياي يونهاي (+H) را تسريع بخشيده و سبب افزايش سريعتر مقدار pH در فصل مشترك و در نتيجه، افزايش جوانهزني در زمانهاي اوليه فسفاتهكاري ميشوند [13 و 12] و تعداد اين جوانههاي اوليه، ساختار، ضخامت و ساير ويژگيهاي پوشش اعمالي را تحت تاثير قرار ميدهند، اما در مورد سطوح ساچمهپاشي شده ميتوان چنين استنباط كرد كه انحلال فلز پايه به دليل زبري بالاي سطح به خوبي انجام نميگيرد. بنابراين، تعداد جوانههاي تشكيل شده در مراحل اوليه فسفاتهكاري كم است و با ادامه فرايند فسفاتهكاري، بلورهاي درشتي روي سطح تشكيل ميشود كه سبب افزايش ضخامت، وزن پوشش و مدت زمان لازم جهت كامل شدن عمليات فسفاتهكاري ميشوند.
از سوي ديگر، تشكيل پوشش با ضخامت و وزن بالا، سبب ميشود كه محلول فسفاتهكاري به سرعت از عناصر پوشش فقير شود و بنابراين، بايد بازيابي شوند. نتيجهگيري
مطالعات انجام شده نشان داد كه عمليات ساچمهپاشيبا افزايش بيش از حد زبري سطح و تشكيل تعداد مكانهاي فعال كمتري در واحد سطح، منجر به كاهش مقدار اسيدشويي فلز پايه در طول مراحل فسفاتهكاري شد. در نتيجه، لايه فسفاتهاي با كيفيت و چگالي فازي پايين و ساختاري درشت دانه روي سطح ساچمهپاشي شده ايجاد شد كه در مقايسه با سطوح فعالسازي شده به وسيله عمليات سنبادهزني و ماسهپاشي، زمانهاي طولانيتري را براي تكميل عمليات پوششدهي نياز داشت.
از سوي ديگر، پرداخت سطح به وسيله عمليات ماسهپاشي، به دليل تحميل پروفيل زبري مناسب روي آن و افزايش مكانهاي مناسب براي جوانهزني در واحد سطح، نظير فرورفتگيها و برجستگيهاي تشكيل شده در طول عمليات پيش فعالسازي مكانيكي، سبب تشكيل پوششي ريزدانه با چگالي فازي بالاتري شد. در اين حالت، زمان بهينه فسفاتهكاري و وزن پوشش نيز كاهش يافت.
بنابراين، نتايج نشان دادند كه پيش فعالسازي سطح به وسيله عمليات ماسهپاشي در مقايسه با عمليات سنبادهزني و ساچمهپاشي، جهت دستيابي به پوششي با كيفيت مطلوبتر، مفيد 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.


دیدگاهتان را بنویسید