BAKIM TEKNİĞİNDE FOSFATLAMANIN ÖNEMİ

Transkript

1 BAKIM TEKNİĞİNDE FOSFATLAMANIN ÖNEMİ Volkan KOVAN, Cemal MERAN, Mehmet YÜKSEL ÖZET Fosfatlama, çelik, dökme demir veya alüminyum gibi fosfat kaplanacak metal yüzeyin, fosforik asit içeren ortamda kimyasal reaksiyon sonucu çökelen fosfat kristalleri ile kaplanmasıdır. Genel kullanımdaki 3 temel fosfatlama tipi çinko fosfat, demir fosfat ve mangan fosfat kaplamadır. Fosfat kaplamalar, püskürtme, daldırma veya ikisinin karışımı şeklinde uygulanır. Fosfat kaplamalar mükemmel nüfuziyet sağlar ve yağ veya boya için zemin oluşturmak, soğuk şekillendirme, boru ve tel çekmeye katkı, aşınma dayanımını artırma ve korozyona karşı koruma uygulamaları için kullanılabilir. Bu çalışmada yağlama ile birlikte kullanılan fosfat tabakalarının, parçaları korozyondan korumadaki önemi temel alınarak, fosfatlamanın parça kullanım ömrüne etkisi ve yine bakım gereksinimlerini hangi ölçüde azaltabileceği deneysel olarak araştırılmıştır. 1. GİRİŞ Fosfat kaplama demir, çelik, galvanizli çelik veya alüminyumun, fosforik asit veya uygun diğer kimyasalları içeren çözeltiyle işlem görmesidir. Fosfatlama çözeltisinde metal yüzey, fosforik asit içeren ortamla kimyasal reaksiyona girer ve metal yüzeyi çökelen fosfat kristalleri ile kaplanır. Kaplamanın ağırlığı ve kristal yapısı ile kaplamanın ana metal bünyesine nüfuz etme mesafesi: Uygulama öncesi uygulanan temizleme yöntemine, Titanyum ve diğer metallerle bunların bileşiklerini içeren aktif çalkalama uygulamasına, Çözeltiyi uygulama yöntemine, Uygulamanın sıcaklığına, konsantrasyonuna, süresine Fosfatlama çözeltisinin kimyasal kompozisyonunun değişimine bağlıdır. Uygulanacak fosfat kaplama yöntemi genellikle kaplanacak malzemenin boyut ve şekline göre belirlenir. Somun, civata ve vida gibi küçük parçalar fosfat çözeltisine daldırılmış küçük variller içinde kaplanır. Buzdolabı kabinleri gibi büyük fabrikasyon parçalar taşıyıcı sistem üzerinde giderken fosfat çözeltisi püskürtülmesi yöntemiyle, otomobil gövdeleri ise ya püskürtme yada daldırma yöntemiyle kaplanırlar. Çelik levha ve şeritler ise fosfat çözeltisine daldırılarak sürekli geçirme yada püskürtme yöntemiyle fosfatlanırlar. Kalınlık açısından fosfat kaplamalar 3 ile 50 mikron arasında değişir. Kaplama kalınlığından daha çok kaplama ağırlığı, g/m² kaplanan alan ifadesi oluşan kaplamayı tarif için kullanılır. 2. FOSFAT KAPLAMALAR Genel kullanımda olan 3 temel fosfat kaplama tipi: Çinko fosfat kaplama, Demir fosfat kaplama ve Mangan fosfat kaplamadır. Son zamanlarda uygulamaya giren bir dördüncü tip, ortam sıcaklığında uygulanabilen kurşun fosfat kaplama yöntemidir.

2 2.1 Çinko Fosfat Kaplamalar Kaba kristallerden oluşan ağır film tabakaları ile süper ince mikro kristallere kadar, ağırlık ve kristal karakteristiklerine göre geniş bir yelpaze oluşturur. Çinko kaplamalar renk bakımından açıktan koyu griye kadar farklılıklar gösterir. Kaplama altındaki çeliğin içerdiği karbon miktarı arttıkça, fosfat çözeltisine ağır metal iyonları dahil oldukça yani çözeltinin ferrodemir özelliği arttıkça veya fosfatlamadan önce alttaki metal, asit çözeltisinde temizlendiyse, kaplamalar koyu renk alır. Sakin hızlandırıcılar kullanılan çözeltilere göre aktif oksitleyiciler içeren çinko fosfat çözeltileri ile daha açık renkli kaplamalar elde edilir. Çinko fosfat kaplamaları, püskürtme, daldırma veya her ikisinin karışımı şeklinde uygulanır. Bu kaplamalar aşağıda belirlenen fosfatlama uygulamalarından herhangi biri için kullanılabilir: Yağ veya boya için zemin oluşturmak, Soğuk şekillendirme, boru çekme ve tel çekmeye katkı, Aşınma dayanımını artırma ve Paslanmaya karşı koruma. Çelik yüzeylerde püskürtme kaplamaları ağırlık olarak 1 g/m2 ile 11 g/m2 arasında, daldırma kaplamaları ise 1,6 g/m2 ile 43 g/m2 arasında değişir. 2.2 Demir Fosfat Kaplamalar Ticari olarak ilk kullanılan kaplama yöntemidir. Önceleri demir fosfat/fosforik asit içeren demir fosfat çözeltileri kaynama sıcaklığına yakın kullanılırdı ve sonucunda kaba kristalli koyu gri kaplamalar elde edilirdi. Demir fosfat kaplamaları terimi, sürekli olarak ince kristaller üreten ve 4 ile 5 ph derecesinde işlem gören alkali-metal fosfat çözeltilerinden elde edilen kaplamaları ifade eder. Bu çözeltiler esas olarak demir oksitleri içeren düzensiz bir kaplama meydana getirirler ve parlak maviden kırmızımsı-mavi renge kadar karışık bir renk yelpazesine sahiptirler. Her ne kadar demir fosfat kaplamaları, çeliğe kumaş, ahşap ve diğer malzemelerin yapıştırılması için uyumlu bir yüzey elde etmek için uygulansa da bu kaplamaların ana uygulama sahası boya film tabakaları için zemin oluşturmaktır. Demir fosfat kaplamaları üreten prosesler aynı zamanda galvanizli ve alüminyum yüzeylere tatbikinde de kullanılabilir. Demir fosfat kaplamaları mükemmel nüfuziyet sağlar ve boyadan sonra bükülmede ve darbede iyi dayanım gösterir. Korozyon dayanımı gerek film tabakası arasından ve gerekse çizilme durumunda çinko fosfat kaplamasına göre daha azdır. Buna rağmen, iyi bir demir fosfat kaplaması, zayıf bir çinko fosfat kaplamasından çoğunlukla daha iyi bir performans gösterir. Demir fosfat kaplamalarının püskürtme uygulamaları daha sık kullanılmaktadır, ancak daldırma uygulamaları da pratiktir. Kabul edilen kaplama ağırlıkları 0,2 g/m2 ile 0,85 g/m2 dir. Bu oranın aşılmasında çok az yarar elde edilir. 0,2 g/m2 den daha az ağırlıklı kaplamalar düzenli olmayabilir yada devamlılık göstermez. Kaliteli demir fosfat kaplamaları gerek püskürtme ve gerek daldırma yöntemlerinde 25 C ile 65 C arasında çökelir. 2.3 Mangan Fosfat Kaplamaları Yataklar, dişliler, içten yanmalı motor parçaları gibi çelik parçalara, bu parçaların ilk çalıştırılmada birbirine alıştırılması ile, çizilme ve yırtılmayı önlemek için uygulanır. Bu kaplamalar genellikle koyu

3 gridir. Buna rağmen, hemen tüm mangan fosfat kaplamalar, yağlamaya zemin için uygulandıklarından ve yağ renklendirmeyi kuvvetlendirdiği için, genellikle görünüş olarak siyahtırlar. Bazı hallerde kalsiyum ile zenginleştirilmiş çinko fosfat kaplamaları, parçaların ilk alıştırılması ve çizilme, yırtılmayı önlemek için mangan fosfat kaplamaya tercih edilebilir. Mangan fosfat kaplamaları yalnız daldırma yöntemiyle uygulanır ve 5 ile 30 dakika süre gerektirir. Kaplama ağırlıkları genellikle normal olarak 5,5 g/m2 ile 32,0 g/m2 arasında değişir fakat eğer istenirse daha ağır olabilir. Genellikle tercih edilen mangan fosfat kaplaması, gevşek ve kaba taneliye karşın, sıkı ve ince taneli olandır. Mamafih, arzu edilen kristal büyüklükleri servis gereklerine göre değişir. Birçok durumda, bazı temizleyici tipleri ve/veya mangan fosfata dayalı şartlandırıcı ilaveleri ile, metal yüzeyin bazı ön işlemleri sonucu, kristal yapı inceltilebilir. Mangan fosfat kaplamaları genellikle 85 C ile 95 C arasındaki banyolarda oluşur. 3. MATERYAL ve METOD Bu çalışmada deney numunesi olarak EN standardına uygun dairesel kesitli çekme deney numuneleri kullanılmıştır. Hazırlanan numunelerden 4 tanesi fosfatlanmadan, 10 tanesi ise çinko fosfat kaplanıp koruyucu yağa daldırıldıktan sonra 14 gün süreyle tuzlu su püskürtme deneyine tabi tutulmuşlardır. Çizelge 1 de fosfat kaplanmış numunelere uygulanan çinko fosfat banyosunun bileşenleri verilmiştir. Çizelge 1: Çinko fosfat kaplamadaki işlem şartları Standart Değer Uygulanan Değer Ön İşlemler Sıcak Yağ Alma (%) ,7 H2SO4 (%) Elektrolitik Yağ Alma ,8 (%) Fosfat Banyosu Sıcaklık ( C) Bekleme Süresi (min) Çizelge 1 de belirtilen işlem koşullarında çinko fosfat kaplanmış koruyucu yağlı numuneler ile herhangi bir kaplama yapılmamış numunelere TS EN ya göre tuzlu su püskürtme deneyi uygulanmıştır. Çıplak numuneler ile kaplanmış numuneler ± 0,001 mg duyarlık ile tartılıp, ilk ağırlıkları kaydedilerek tuzlu su deneyi başlatılmıştır. Numuneler paslanmayan çengeller ile sıra halinde asılmışlardır, Şekil 1. Numuneler arasındaki uzaklık ise 25 mm olarak ayarlanmıştır.

4 Fosfatlanmamış Numuneler Fosfatlanmış Numuneler İklim Dolabı Askı Yalıtkan askı ipi Şekil 1: Deney düzeneğinin şematik görünümü Toplam deney süresi olarak 14 gün seçilmiş, bu 14 gün içinde 10 tane fosfatlanmış numune 4 tane ise çıplak numune deneye tabi tutulmuştur. Deneyde, numuneler her gün ikişer defa asılı oldukları yerden dışarı çıkarılıp üzerlerine Çizelge 2 ye uygun olarak hazırlanmış tuz çözeltisi püskürtülmüştür. Bu işlem, sise yakın ince bir püskürtme yapabilen plastik bir maddeden yapılmış ve el ile çalışan enjektörle yapılmıştır. Enjektör önüne bir plaka konularak püskürtülen tuzlu suyun bu plakaya çarptıktan sonra kabın içersine sis halinde dağılması sağlanmıştır. Çizelge 2: Tuzlu su püskürtme deneyi için tuz çözeltisi Tuz Konsantrasyon (g/1) Sodyum klorür, NaCl 23,0 Sodyum sülfat, Na2SO4.10H2O 8,9 Magnezyum Klorür, 9,8 MgCl2.6H2O Kalsiyum Klorür CaCl2 1,2 Püskürtme, mm uzaklıktan birkaç kez ve değişik yerlere yapılmıştır. Püskürtme sırasında tuz taneciklerinin numune yüzeylerinde üst üste birikmemesine özen gösterilmiştir. Teker teker püskürtme yapılan numuneler tekrar yerlerine asılarak ve bütün numuneler iklim dolabına kapatılarak deneye devam edilmiştir. Deney oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Deney süresinin bitiminden sonra numuneler iklim dolabından dışarı çıkarılarak 1 litre HCl asit içinde 20 g Sb2O3 ve 50 g SnCl4 içeren clark çözeltisinde yıkanarak pasları giderilmiştir. Deney numuneleri clark çözeltisinde pasları tamamen çıkana değin hareket ettirilmişlerdir. Daha sonra deney numuneleri soğuk suda yıkanarak ve oda sıcaklığında kurutulmuşlardır. Kurutma işlemi tamamlandıktan sonra ± 0,001 mg duyarlıkta ayrı ayrı tartılan deney numunelerinin önceki ve sonraki ağırlıkları kaydedilerek, buradan ağırlık kaybı hesaplanmıştır. Bu ağırlık kaybı Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3: Deney öncesi ve sonrası numunelerin ağırlıkları ve ağırlık kayıpları

5 Fosfatlanmamış numuneler Numune No Deney Süresi (Gün) İlk Ağırlık (mg) Son Ağırlık (mg) Ağırlık kaybı (mg) Fosfatlanmış , ,00 719, , ,00 743, , ,00 965, , , ,00 Numune No Deney Süresi (Gün) İlk Ağırlık (mg) Son Ağırlık (mg) Ağırlık kaybı (mg) , ,00 282, , ,00 226, , ,00 244, , ,00 294, , ,00 373, , ,00 317, , ,00 355, , ,00 360, , ,00 345, , ,00 314,00 Şekil 2 de ise fosfatlanmamış ve fosfatlandıktan sonra koruyucu yağ uygulanmış numunelerin zamana göre malzeme kaybı değerlerini mg olarak veren grafik görülmektedir Ağırlık Kaybı (mg) Fosfatsız Fosfatlı Süre (Gün) Şekil 2: Fosfatlı ve fosfatsız numunelerin ağırlık kaybı değerleri 4. FOSFATLAMANIN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI

6 Fosfat kaplamalar boya katmanlarına bir zemin olarak kullanıldığında, boyanın yapışma derecesini yükseltir ve dayanımını artırır. Sonuçta oluşabilecek herhangi bir korozyonun yayılmasını geciktirir. Çünkü bu kaplamalar ana metalin tüm yüzeyinde bulunan anot ve katot merkezlerini birbirinden ayıran bir film tabakası görevi görür. Böylece bir nevi yalıtım yapılarak metal malzemenin korozyona uğraması önlenmiş veya en azından geciktirilmiş olur. Bir metal yüzeyinin suda çözünmeyen fosfat tabakası ile kaplaması, metale neme karşı fiziksel bir engel sağlar. Bunun sonucu olarak çinko fosfat kaplamaların ve bazen mangan fosfat kaplamaların yağlama kabiliyetinin yüksek olmasından dolayı bu kaplamalardan korozyon dayanımını artırmada yararlanılır. Fosfatlama işlemi korozyon önleyici inhibitörler içeren kuruyan yada kurumayan yağa daldırmayla sonuçlandırılır. Buna karşın fosfat kaplama, sacların, elektrikli direnç nokta ve MAG kaynak yöntemleri kullanılarak birleştirilmeleri sonucunda yorulma mukavemetlerini azaltıcı yönde etki yapmaktadır. Bu nedenle, kaynak öncesi bu tür saclarda, fosfat kaplamanın soyularak kaynaklı işlemin yapılması ve daha sonra tekrar fosfatlama işlemine tabi tutulması gerekmektedir. 5. SONUÇ Şekil 2 in incelenmesiyle de anlaşılacağı üzere çinko fosfat kaplama malzemenin korozyon dayanımını önemli ölçüde artırmaktadır. Özellikle 10. günden sonra çıplak numunenin korozyon kaybı değeri çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Fosfatlanmış numunelerin korozyon dayanımının artmasının nedeni fosfat tabakasının koruyucu etkisinin yanı sıra, malzemenin yağ emme kapasitesini artırmasıdır. Çinko fosfat kaplama, normal bir çeliğin emebileceği koruyucu yağın 13 kat fazlasını emebilmektedir.. Bu ise önemli bir korozyon dayanımı sağlar. Günümüzün hızlı gelişen teknoloji dünyasında fosfat kaplama türlerinin uygulama alanı giderek daha da yaygınlaşmakta ve fosfat kaplama türlerinden beklenen fonksiyonlar daha da önem kazanmaktadır. Fosfat kaplamanın elde edilmesi için gerekli bu işlemler dizisinin her bir aşamasında kaplanacak malzeme, uygulanacak çözelti ve yardımcı ekipmanlara verilecek önem, kaplamanın kalitesine dolayısıyla kaplama sonrası uygulamalardan da maksimum verim elde edilmesini sağlayacaktır. Malzemenin hasar nedenlerinden biri olan korozyona dayanıklılığı ne kadar fazla ise, bakım gereksiniminin de o kadar az olacağı açıktır. Her türlü makine elemanında gerek boya astarı, gerek koruyucu yağ öncesi, gerekse kendi korozyon dayanımından faydalanmak için uygulanacak fosfat kaplama, malzemenin korozyon dayanımın artıracağı ve malzeme hasarlarından oluşabilecek bakım gereksinimlerini düşürebileceği bu çalışmada yapılan deneysel olarak ispatlanmaya çalışılmıştır. TEŞEKKÜR Bu çalışmada deney numunelerinin fosfatlanmasındaki yardımlarından ötürü AZİM CİVATA A.Ş. (ASTAŞ, Denizli) ye teşekkür ederiz. KAYNAKÇA AYDEMİR, B.; KALUÇ, E,: Fosfat Kaplı Sacların Direnç Nokta ve MAG Kaynaklı Bağlantılarının Yorulma Davranışlarının İncelenmesi, 7. Denizli Malzeme Sempozyumu, Nisan 1997, Denizli, s GERELİOĞLU, İ. H. Fosfat Kaplama Yöntemlerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Şubat 1998, Denizli WENG, D., JOKIEL, P., UEBLEIS, A., BOEHNI, H., Corrosion and protection characteristics of zinc and manganese phosphate coatings, Surface and Coating Technology (88), 1996,

7 HIVART, P., BRICOUT, J. P., Influence of cleaning pretreatments on tribological properties of zinc phosphated steels, Industrial Lubrication and Tribology Volume 55 Number , SINHA, P.K., FESER, R., Phosphate coating on steel surfaces by an electrochemical method, Surface and Coatings Technology 161 (2002), FEDRIZZI, L., DEFLORIAN F., ROSSI, S., FAMBRI, L., BONORA P.L., Study of the corrosion behaviour of phosphatized and painted industrial water heaters, Progress in Organic Coatings 42 (2001), MENKE, J. T., Zinc Phosphate Coatings on NonFerrous Substrates - Part I, II, ve III,