Подготовка поверхности – путь к качественной защите металла с применением фосфатирования

► С развитием технологий, возрастают и требования к материалам, в частности, – применимо к металлоизделиям, для которых потребитель предъявляет преимущественно эксплуатационные и экономические требования. Изделия должны обладать высокой технологичностью, надежностью и адекватной стоимостью. В контексте данных критериев, основной проблемой является коррозия, ключевое решение которой – это надлежащая подготовка поверхности, включающая создание на поверхности металла защитного слоя, ограждающего металл от внешней среды, содержащей влагу и кислород. Но что требуется, чтобы получить качественный защитный слой?

► Подготовка поверхности начинается с определения природы загрязнений, находящихся на поверхности изделия. Чаще всего это комбинированное загрязнение, состоящее из масложировых отложений и пыли. Помимо этого, нередко встречается и поверхностная коррозия металла. В общем случае, в ходе подготовки поверхности, сначала удаляют загрязнения, затем создают конверсионный, т.е. промежуточный, переходный слой, а далее наносят внешние защитные покрытия. Последовательность, обобщенно, выглядит следующим образом:

1. Этап удаления загрязнений, который может включать как механическую, т.е. абразивную с обеспыливанием, так и химическую обработку. Химическая обработка включает такие операции, как:

1.1. Обезжиривание.

1.2. Промывка после обезжиривания.

1.3. При необходимости – травление.

1.4. При необходимости (в случае травления) – промывка.

2. Этап создания конверсионного слоя в форме фосфатного или бесфосфатного слоя, включающий подэтапы:

2.1. При необходимости – активация поверхности.

2.2. Нанесение конверсионного слоя.

2.3. Промывка.

3. Этап нанесения защитного покрытия, включающий подэтапы:

3.1. При необходимости – пассивация.

3.2. При необходимости (в случае пассивации) – промывка.

3.3. При необходимости (в случае порошкового окрашивания) – интенсифицированная сушка.

3.4. Окрашивание, либо промасливание.

► Рассмотрим данные этапы чуть подробнее.

1. Этапы подготовки поверхности

1.1. Этап удаления загрязнений

1.1.1. Обезжиривание

► Обезжиривание – очень важная стадия в любой подготовке поверхности. Если не осуществить качественное обезжиривание, то все последующие слои если и нанесутся на изделие, то лишь частично, что аннулирует усилия, прилагаемые на всех последующих стадиях. Важно отметить, что очень сильное обезжиривание ведёт к активации поверхности, что накладывает временны́е ограничения на переход к дальнейшим стадиям работы.

► В качестве обезжиривателей на территории РФ применяются как средства на основе растворителей, так и на основе более активной химии – щелочей (щелочное обезжиривание), кислот (специализированное кислотное обезжиривание) и ПАВ (нейтральное обезжиривание). Выбор составов зависит от многих факторов, в числе которых природа загрязнения и логика последующих стадий работы. Вместе с тем всегда важно проводить обезжиривание качественно и применять методы контроля, позволяющие надлежащим образом выявить наличие или отсутствие масложирового загрязнения на поверхности металла. Разница между качественным и некачественным обезжириванием визуализирована на рисунке 1.

Рисунок 1. Разница в качественном и некачественном обезжиривании

1.1.2. Промывка после обезжиривания

► Промывка позволяет избежать нарушения последующих процессов, таких как травление и нанесение конверсионного слоя, так как остатки обезжиривателя могут критически повлиять на них. Чистота воды играет роль – чем чище, тем меньше загрязнений она привносит в подготовку поверхности. Идеальный вариант – деминерализованная вода.

1.1.3. Травление

► Травление позволяет удалить окалину, ржавый налёт, но малоэффективно при глубокой коррозии. Для травления применимы кислотные, а также нейтральные составы. В целом, качество обработки поверхности металла на данной стадии тоже очень важно, а для некоторых конверсионных покрытий оно является критически значимым, так как не все подобные составы обладают достаточно кислой средой для эффективного подтравливания поверхности. Разница между качественным и некачественным травлением аналогична ситуации с обезжириванием и визуализирована на рисунке 2.

Рисунок 2. Разница в качественном и некачественном травлении

1.1.4. Промывка после травления

► Данная стадия процесса предотвращает контакт несовместимой химии между собой, что исключает влияние примененной химии на последующие стадии процесса. И вновь, чистота воды играет роль – чем чище, тем меньше загрязнений она привносит в подготовку поверхности. Идеальный вариант – деминерализованная вода.

1.2. Этап создания конверсионного слоя

1.2.1. Активация поверхности (при необходимости)

► На данной стадии осуществляется направленная активация поверхности металла с помощью специальных активаторов, в качестве которых чаще всего выступают образователи центров зарождения, т.е. зародышей конверсионного слоя. Такая активация позволяет улучшить свойства наносимого конверсионного слоя и снизить расход реагентов на соответствующую стадию. Также стоит учесть, что активаторы снижают толщину/массу образующегося впоследствии конверсионного слоя, что зачастую очень предпочтительно.

1.2.2. Нанесение конверсионного слоя

► Переходный слой от металла к внешнему защитному покрытию – это конверсионный слой. Он бывает фосфатным и бесфосфатным. Поговорим о нём детальнее, ибо в результате данной стадии мы получим желаемую «сэндвич»-структуру (рисунок 3).

Рисунок 3. Целевая «сэндвич»-структура укрупнённо в разрезе: А – металлическое изделие; Б – конверсионный слой; В – внешнее покрытие

1.2.2.1. Фосфатирование

► Фосфатирование, как известно, – это процесс создания на поверхности черных и цветных металлов промежуточного покрытия, состоящего из солей фосфорных кислот, т.е. фосфатов. Процесс отличается получением качественного результата при низких затратах. Основа метода – нанесение в форме пленки нерастворимых фосфорнокислых соединений, образуемых вследствие реакции между поверхностью металла и растворами фосфорной кислоты и её кислых солей [1]. Данная плёнка имеет ряд свойств:

• пористость;
• высокая адгезия;
• высокая хемосорбция;
• стойкость к давлению и трению (износоустойчивость);
• высокие антифрикционные свойства;
• электроизоляционные свойства.

► Пористость, а также высокие хемосорбция и адгезия этой плёнки, позволяют более эффективно наносить на защищаемое изделие внешние покрытия, такие как масла, лаки и краски, чем обеспечивается долговременная стойкость изделия к коррозии, т.е. на срок более чем 1000 часов выдержки в камере соляного тумана [1, 2, 3]. Таким образом, фосфатное покрытие позволяет использовать меньшее количество слоёв краски, либо использовать более простую краску – с сохранением защитных свойств покрытия.

► Фосфатное покрытие характеризуется следующими параметрами:

• толщина (либо масса), измеряемая в г/м² и определяющая, в значительной мере, свойства покрытия;
• структура фосфатного слоя, которая может быть аморфной, аморфно-кристаллической или кристаллической;
• цвет, который, в зависимости от состава и структуры, может быть чёрным, тёмно-серым, светло-серым и даже сине-фиолетовым с золотистыми отливами.

► При выборе фосфатирующего концентрата первоочерёдно необходимо оттолкнуться от того, в каких условиях будет эксплуатироваться конечное изделие. В случае мягких условий эксплуатации, применимы составы для аморфного фосфатирования, которые весьма просты в нанесении. В случаях же тяжелых условий – составы для кристаллического фосфатирования, которые весьма требовательны к организации процесса нанесения, но дают слой с высокими характеристиками. Это – самый первый шаг на пути к верному подбору фосфатирующего концентрата. Вместе с тем, важна и логика следующих стадий – в зависимости от того, планирует ли предприятие промасливать или окрашивать изделие, может быть подобран состав под промасливание или под окрашивание.

1.2.2.2. Бесфосфатные конверсионные покрытия

► Бесфосфатные конверсионные покрытия, что следует из названия, не содержат фосфатов. В качестве таковых выступают некоторые переходные металлы и их производные. Данные покрытия подойдут под любой вид наносимой впоследствии краски, обладают высокой стойкостью и легко интегрируются в традиционный процесс фосфатирования. Помимо этого, некоторые из них эффективны при пониженных температурах, а также экологичны и снижают затраты производств на переработку сточных вод. Вместе с тем, они предъявляют повышенные требования к обезжириванию и к качеству воды.

1.2.3. Промывка после нанесения конверсионного слоя

► Так как составы для нанесения конверсионных покрытий имеют кислый pH, промывка после этого этапа позволяет устранить коррозионную активность остаточных капель примененной химии. Чистота воды играет роль – чем чище, тем меньше загрязнений она привносит в подготовку поверхности. Идеальный вариант – деминерализованная вода.

1.3. Этап нанесения защитного покрытия

1.3.1. Пассивация (при необходимости) с обязательной
последующей промывкой

► Пассивирующие составы «заполняют» собой поверхность и поры конверсионного покрытия, блокируя проникновение атмосферного воздуха и капель жидкости. Этот этап позволяет логически завершить подготовку поверхности металла, в отдельных случаях даже без последующего промасливания или окрашивания, ввиду чего нанесённое фосфатное покрытие становится полноценным самостоятельным защитным слоем. После пассивации поверхности, требуется удаление рабочего раствора пассиватора с изделия путём промывки.

1.3.2. Окрашивание/промасливание

► «Венец» подготовки поверхности, который выбирается в зависимости от целевых задач предприятия. В качестве промасливающих составов применяются различные воска, смазки, а также смазочно-охлаждающие жидкости со специально подобранным составом. Для окрашивания же применяются как водоразбавляемые, так и органоразбавляемые лакокрасочные материалы, остаточные капли которых, распределенные по поверхности камеры окрашивания, впоследствии собираются и подвергаются коагуляции, а также флокуляции.

2. Примеры линий подготовки поверхности с разным числом стадий

► Безусловно, не все из вышеуказанных стадий могут выполняться на предприятии, что может быть обусловлено различными причинами. В ряде случаев, нет и необходимости осуществлять все стадии. Например, если для изделий не характерна проблема окалины и ржавого налёта, то могут быть исключены стадии травления и промывки после травления. Однако, сокращая стадии в тех случаях, когда они нужны, предприятия могут столкнуться с проблемой неэффективной подготовки поверхности, что будет приводить к получению изделий ненадлежащего качества. Ниже рассмотрим примеры линий подготовки поверхности.

2.1. Линия подготовки поверхности из 11 и 10 стадий

► Схемы линий представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Линии подготовки поверхности: А – 11 стадий; Б – 10 стадий

► В случае таких линий представлен наиболее полноценный набор стадий подготовки поверхности, а ключевые промывки являются двухстадийными – первая промывка идёт с помощью технической воды, а вторая – с помощью деминерализованной воды, что позволяет качественно удалить остатки химических составов и снизить влияние загрязнений, привносимых с технической водой. В качестве обезжиривателей в таких случаях применяют специализированные щелочные или нейтральные составы, которые должным образом удаляют масложировое загрязнение. При условии качественного проведения всех стадий результат подготовки поверхности всегда будет на высоком уровне – нанесение конверсионного, в данном случае фосфатного, покрытия будет происходить полноценно, без возникновения необработанных зон, – «проплешин», и, как следствие, – нанесённая краска будет стойко закреплена на поверхности. Аналогично, если фосфатное покрытие наносилось в качестве самостоятельного защитного покрытия с масляной пропиткой или пассивированием – результат будет качественным.

2.2. Линия подготовки поверхности из 9 и 8 стадий

► Схемы линий представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Линии подготовки поверхности: А – 9 стадий; Б – 8 стадий

► В случае таких линий представлен несколько упрощенный набор стадий подготовки поверхности. В примерах рассмотрено сокращение стадийности за счёт постепенного исключения стадий промывки деминерализованной водой, с сохранением стадий химической обработки. Важно отметить, что с каждой исключенной стадией промывки деминерализованной водой, будет возрастать количество загрязнений (привносимых технической водой) на поверхности изделия. В качестве обезжиривателей в таких случаях применяют специализированные щелочные или нейтральные составы, которые должным образом удаляют масложировое загрязнение. При условии качественного проведения всех стадий результат подготовки поверхности всё ещё будет на высоком уровне – нанесение конверсионного, в данном случае фосфатного, покрытия будет происходить полноценно, без возникновения необработанных зон, – «проплешин», и, как следствие, при нанесении последующих слоёв, результат будет качественным.

2.3. Линия подготовки поверхности из 7, 6 и 5 стадий

► Схемы линий представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Линии подготовки поверхности:
А – 7 стадий; Б – 6 стадий; В – 5 стадий

► В случае таких линий представлен упрощенный набор стадий подготовки поверхности. Стадии промывки деминерализованной водой отсутствуют и уже начинают исключаться некоторые стадии с применением химии. На рисунке 6 в качестве линий А и В рассмотрены варианты с исключением стадии применения активатора – в такой ситуации возникает повышенный расход фосфатирующих концентратов, а масса/толщина конверсионного слоя возрастает, что не равноценно росту его защитных свойств. В линиях Б и В исключена связка стадий травления и промывки после травления. В случае отсутствия окалины и ржавого налёта это оправдано, однако при их наличии исключение травления может помешать качественному нанесению конверсионного слоя, ввиду чего часть поверхности металла останется непокрытой – это особенно критично для аморфного фосфатирования и бесфосфатных покрытий.

► На линиях, представленных на рисунке 6, в качестве обезжиривателей обычно всё ещё применяют специализированные щелочные или нейтральные составы, которые должным образом удаляют масложировое загрязнение. При условии качественного проведения всех стадий результат подготовки поверхности всё ещё будет надлежащим.

2.4. Линия подготовки поверхности из 4, 3 и 2 стадий

► Схемы линий представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Линии подготовки поверхности:
А – 4 стадии; Б – 3 стадии; В – 2 стадии

► В случае таких линий представлен сильно упрощенный набор стадий подготовки поверхности. Стадии промывки деминерализованной водой отсутствуют, исключены многие стадии с применением химии, в том числе нанесение конверсионного фосфатного слоя. В случае линий А и Б наносимое лакокрасочное покрытие, с высокой вероятностью, окажется недолговечным, частичная компенсация чего будет требовать применения дорогих окрашивающих составов. Более того, для обезжиривания в таких линиях часто применяются нефтяные растворители, нефрасы, обладающие высокой токсичностью для организма человека и не обеспечивающие высокое качество обезжиривания – в рамках принципиальных технологических схем по ГОСТ 9.402-2004 растворители применяются без связки с нанесением конверсионных покрытий [4].

► В линиях с таким количеством стадий гарантировать хороший результат подготовки поверхности затруднительно, хотя такие линии встречаются, в случаях, когда нет необходимости, либо возможности организовывать подготовку поверхности с бо́льшим количеством стадий. Такие линии оправданы в случае отсутствия строгих требований по качеству поверхности металла, которую требуется лишь подвергнуть промасливанию.

► Суммируя вышесказанное, важно отметить, что подбор химии для линии подготовки поверхности – это задача, требующая тщательного подхода, включающего определение как начального, так и целевого состояния обрабатываемой детали, выявление необходимых и доступных стадий процесса, а также поиск наилучшего варианта с точки зрения баланса между качественным результатом и адекватной себестоимостью.

► Наша компания обладает опытом в подборе химических средств для подготовки поверхности, с учетом условий и режимов работы линии. За помощью в подборе и тестировании средств для подготовки поверхности Вы можете обратиться к нам: prom-a@ximiko.ru и tehno@ekoxim.ru – мы подберём продукцию под Ваш процесс.

► Данная статья – интеллектуальная собственность компании ООО «Экохим-Урал». Любое копирование информации – только с разрешения владельца сайта. Размещение активной индексируемой ссылки на https://ximiko.ru/ является обязательным.

Список использованной литературы

1. Хаин, И. И. Теория и практика фосфатирования металлов / И. И. Хаин. – Ленинград : Химия, 1973. – 312 с.

2. ГОСТ 30630.2.5–2013. Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие соляного тумана : межгосударственный стандарт : дата введения 2015-01-01 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – Изд. официальное. – Москва : Стандартинформ, 2018. – 19 с.

3. ЗАО «Экохиммаш». – URL : https://ecochim.ru/ (дата обращения 08.08.2024).

4. ГОСТ 9.402-2004. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей к окрашиванию : единая система защиты от коррозии и старения : дата введения 2006-01-01 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – Изд. официальное. – Москва : Стандартинформ, 2006. – 43 с.