ارزیابی فنی و اقتصادی پوشش اکسیدی روی ورق های فولادی به روش آبی کردن حرارتی و روش شیمیایی word
روی سطح فلزات لایههای اکسیدی گوناگونی تشکیل میشود که با عملیات شیمیایییا حرارتی در محیطهای مناسب میتوان آنها را پایدار نمود بطوری که محافظتکننده فلز پایه باشند. یکی از روشهای ایجاد لایه اکسیدی محافظ در برابر خوردگی اتمسفری فولاد(زنگ زدگی)، فرایند آبیکردن است. هدف از پژوهش حاضر، مطالعه پوشش های اکسیدی فولاد به دو روش شیمیایی و حرارتی و ارزیابی این روشها بر اساس معیارهای فنی و اقتصادی بود. بدین منظور سیکلهای عملیات حرارتی و فرایندهای شیمیایی ایجاد پوشش اکسیدی روی دو نوع ورق فولادی کمکربن و پرکربن اجرا شد. کیفیت سطح پوشش و مشخصات ساختاری ان توسط SEM بررسی شد. مشخصات سطح لایههای اکسیدی با استفاده از سیستم AFM و خواص مکانیکی آن با نانو سختی سنجی مطالعه شد. به منظور بررسی رفتار خوردگی پوششها، آزمون امپدانس الکتروشیمیایی و پاشش نمک انجام شد.در روش اکسیداسیون شیمیایی از محلول غلیظ شده سود به همراه نیترات سدیم استفاده شد و فرایند پوششدهی در دمای 145-140 درجه سانتیگراد در سه زمان 10،30 و 60 دقیقه انجام گرفت. بررسی مورفولوژی پوششهای شیمیایی نشان داد که زمان 30 دقیقه منجر به ایجاد مورفولوژی یکنواخت میشود. به منظور بررسی رفتار خوردگی پوششها آزمون امپدانس الکتروشیمیایی مشخص کرد که زمان پوششدهی نقش تعیینکنندهای بر رفتار خوردگی آن دارد. پوشش اکسیدی به روش حرارتی روی دو دسته فولاد با سطح آماده سازی شده انجام شد. جهت ارزیابی تاثیر دمای عملیات حرارتی بر عملکرد پوشش اکسیدی شش دمای 300، 350، 400، 450، 500 و 600 درجه سانتیگراد انتخاب شد. سپس نمونهها در دو محیط سرد کننده روغن و هوا سرد شدند. بررسی مورفولوژی پوششهای حرارتی نشان داد که دمای 450 درجه سانتیگراد و سرد شدن در هوا يا روغن منجر به ایجاد مورفولوژی همگن و یکنواخت میشود. نتایج آزمونهای خوردگی نشان داد که مدت زمان خوردگی نمونههایی آبی شده به فرایند اکسیداسیون و پارامترهای عملیاتی بستگی دارد که با توجه به محدوده کاربرد و نوع ورق فولادی باید بهینهسازی شوند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز EDS حضور فازهای اکسیدی را تایید نمود. بطور کلی مشاهده شد که رنگ نهایی لایه اکسیدی به دلیل پدیده تداخل نور در محدوده خاصی قابل کنترل است ولی مقاومت خوردگی مستقل از رنگ ظاهری آن است و به عوامل فرایند حرارتی بستگی دارد.
در بررسیهای اقتصادی دورنمای کلی از مشخصات، اهداف، برنامهها و ماموریتهای این طرح بیان شد و در بخش تحلیل بازار و رقبا، جایگاه این طرح بررسی شد. در ارزیابی و تحلیلهای مالی صورتحساب درآمد و نرخ بازگشت سرمایه با در نظر گرفتن وام و محاسبه ارزش فعلی خالص و نقطه سر به سر تولید و قیمت سر به سر و تامین وجه آورده شده است تا دو روش پوششدهی شیمیایی و حرارتی را بتوان از جنبههای فنی و اقتصادی مقایسه نمود. با توجه به ارزیابی اقتصادی انجام شده روش حرارتی با وام 12 درصد اقتصادی است.
لایههای اکسیدی
لایههای اکسیدی گروهی از پوششهای تبدیلی هستند که روی آلیاژهای آهنی و غیرآهنی اعمال میشوند تا آنها را در برابر خوردگی محافظت نمایند. انتخاب جنس پوشش به ظاهری که از قطعه انتظار میرود، میزان سهولت اعمال پوشش و شرایط کاربرد قطعه بستگی دارد. ورقهای فولادی با داشتن خصوصیات بارزی مانند استحکام، شکل پذیری، فراوانی، قیمت مناسب و قابلیت تولید و تنوع محصولات، جایگاهی بی رقیب را در مصارف خانگی و صنعتی کسب کردهاند. از سوی دیگر موضوع خوردگی از کارایی قطعات فولادی میکاهد و یا عمر مفید آنها را کاهش میدهد. به این دلیل ورقهای فولادی با توجه به نوع کاربرد و انتظاراتی که از عملکرد آنها وجود دارد، باید با لایه مناسبی پوشش داده شوند. در اکثر موارد، لایههای اکسیدی پایداری روی سطح فلزات تشکیل میشود که با عملیات شیمیایی یا حرارتی در محیطهای معینی، میتوان آنها را چنان تثبیت نمود که محافظت کننده فلز پایه باشند.
یکی از روشهای ایجاد لایه اکسیدی محافظ در برابر زنگ زدگی، فرایند آبیکردن است؛ آبیکردن، ورق و تسمههای فولادی، همچنین قطعات فولادی کوچک را در برابر زنگ زدگی مقاوم میسازد .در اوایل، آبیکردن با استفاده از زغال چوب در دمایی حدود 750-730 درجه فارنهایت انجام میشد. بدین صورت که، ابتدا قطعه با استفاده از عملیات سنگ زنی و سنباده به صافی سطح مطلوب رسیده و سپس با استفاده از مشعل، حرارت دهی میشد. آنگاه قطعه درون زغال چوب فرو برده شده و خارج میگردید تا باعث تغییر رنگ قطعه و ایجاد پوشش گردد. در دوران جنگ جهانی دوم ساخت فولاد با عناصر آلیاژی بیشتر توسعه یافت، که این فولادها در مقابل آبیکردن با زغال مقاوم بودند و دیگر روشهای مرسوم آبی کردن با زغال برای آنها قابل استفاده نبود. در این هنگام روش دولایت توسط موزر ابداع شد. در روش دولایت از کورههایی با دمای 700-550 درجه فارنهایت و مواد شیمیایی متفاوتی استفاده میشد.
امروزه فرایندهای آبیکردن به روشهای شیمیایی و حرارتی قابل اجرا هستند. روش شیمیایی با استفاده از گونه خاصی از نمک داغ در مخزنی که دمای آن حدود 280 درجه فارنهایت است انجام میشود. روش دیگری از آبیکردن شیمیایی روشنیتره است که در آن قطعات در دمای 750-370 درجه فارنهایت به مدت 15-122دقیقه در نمکهای مذاب فرو برده میشوند؛ در مرحله بعد، قطعات پس از خنک شدن در هوا با آب گرم یا روغن شستشو داده میشوند. پوششهای اکسیدی آبی رنگی که به روش حرارتی ایجاد میشوند به دلیل هزینه کم تولید بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. از دیگر مزایای پوششدهی به روش حرارتی میتوان به سهولت کنترل ضخامت پوشش، هزینه پایین و قابلیت پوششدهی روی قطعات صنعتی کوچک اشاره نمود.
علیرغم قدیمی بودن فرایند آبیکردن، تاکنون تحقیقات کافی و منسجمی در مورد ارزیابی رفتار خوردگی این پوششها انجام نشده است. لذا هدف این پژوهش، مطالعه رفتار خوردگی و مشخصات سطحی پوششهای اکسیدی و بررسی جنبههای اقتصادی ایجاد این نوع پوششها روی ورقهای فولادی است که در قالب محاسبات یک واحد صنعتی صورت گرفته است. هدف اين واحد صنعتي توليد تسمه فولادي پوششدار است. تسمه در بستهبندي انواع محصولات فولادي، قطعات سنگين و مصالح سازههاي ساختماني جايگاه ويژه اي دارد.
این پایان نامه در شش فصل تنظیم شده است. در فصل دوم، مروری گذرا بر انواع روشهای پوششدهی با تأكيد بر روش مورد نظر اين پژوهش یعنی روش آبیکردن صورت گرفته و در فصل سوم، به اهم مواد و روشهای به کار رفته در انجام این تحقیق اشاره شده است. پس از آن در فصل چهارم، نتايج بدست آمده از آزمايشهای مختلف مورد ارزيابي و بحث قرار گرفته و در فصل پنجم مباحث اقتصادی مربوط به دو روش پوششدهی بررسی شده است. نهايتاً در فصل ششم مباحث مطرح شده جمع بندی شده و نتيجهگیری نهایی ارائه گردیده است.
ورقهاي فولادي با داشتن خصوصيات بارزي از جمله استحکام، شکلپذيري، فراواني، قيمت مناسب و قابليت توليد و تنوع محصولات، جايگاهي بيرقيب را در مصارف خانگي و صنعتي کسب کردهاند. از سوي ديگر موضوع واکنش محيط با آهن که منجر به زنگ زدن يا در حالت کليتر خوردگي فلز ميشود، حفاظت آلياژهاي آهني را در برابر محيط پیرامون ضروري ميسازد. بدون محافظت مناسب، ابتدا سطح قطعات و کم کم قسمتهاي دروني آنها تحت اثر خورندگي محيط آسيب ميبيند. اين تخريب به مرور از کارايي قطعه ميکاهد و يا عمر مفید آن را کاهش ميدهد. به اين دليل ورقهاي فولادي را با توجه به نوع کاربرد و انتظاراتي که از عملکرد آنها وجود دارد، بايد با لايه مناسبي پوشش داد.
استفاده از پوششهای محافظ روي فولاد نه تنها ميزان خوردگي را کنترل مينماید بلکه در اغلب موارد، چندگانه عمل ميکند. به بيان ديگر، پوششها چند منظوره هستند و علاوه بر مقاومت خوردگي، خواصي مانند مقاومت در برابر خراش و سايش، لحيمپذيري، اصطکاک، شکلپذيري، رنگپذيري و زيبايي ظاهري را بهبود ميبخشند.
پوششها، ورق فولادي را به دو روش ميتوانند حفاظت کنند، يکي با تشکيل حايل فيزيکي بين فولاد و محيط اطراف، زيرا لايه پوشش ارتباط جسم فولادي و محيط خورنده را قطع ميکند. دوم با حفاظت گالوانيک، زيرا فلزي مانند روي که در سري الکتروشيميایی فعالتر از آهن است به صورت فداشونده قطعه فولادي را محافظت مينمايد. پوشش مورد نظر را ميتوان روي قطعه ساخته شده اعمال نمود يا اينکه در انتهاي خط توليد ورق فولادی، پس از رسيدن ورق به ضخامت نهايي، آن را به صورت پيوسته پوشش داد و به بازار عرضه کرد. حالت اخير به دلايل کيفيتي و محيط زيستي رواج بیشتری يافته و به سرعت رو به گسترش است. ورقهاي پوششداری که به صورت آماده در اختيار مصرفکننده قرار ميگيرد نه تنها از استحکام چسبندگي و مشخصات سطحي بالاتري برخوردار است، بلکه با حذف نیاز به خطوط پوششدهي در واحدهاي کوچک از بروز مشکلات فني و زيست- محيطي متعددي جلوگیری میکند و در مجموع از ديدگاه اقتصادي توجيه خوبي دارد. نوع پوششها بسیار گسترده بوده و ممکن است از گروه فلزات، پلیمرها و لعابها باشد. ضخامت، تعداد لایهها و دیگر مشخصات پوشش با توجه به کاربرد ورق تعیین میشود. پوششهای رایج عبارتند از؛ پوشش گالوانیزه، پوشش قلع اندود، پوشش نیکل-کروم، پوششهای نفوذی، پوششهای تبدیلی و اکسیدی و پوششهای فسفاته . لازم به ذکر است که تولید چند نوع از ورقهای فولادی پوششدار اخیراً در کشور آغاز شده است.
براي مقاوم ساختن اجسام در موقع بهرهبرداري از پوششهای فلزي استفاده ميشود. پوششهای فلزي به دو دليل اساسي مورد استفاده قرار ميگيرند؛
الف) به منظور تزئين فلزات
ب) براي حفاظت از قطعات فلزي
پوششی که فقط به منظور حفاظت از خوردگي فلز پايه به کار ميرود ممکن است خود ذاتاً تزیيني نباشد ولي پوششی که براي تزئين اعمال ميگردد نميتواند مدت درازي اين نقش را داشته باشد، مگر اينکه بتواند از خوردگي فلز پايه جلوگيري بعمل آورد. بنابراين ميتوان نتيجه گرفت که هدف نهايي و اصلي کاربرد پوششها کنترل خوردگي است.
تاثير پوشش بر مقاومت خوردگي
خوردگي عبارت است از تخريب ناخواسته يک ماده بر اثر واکنش آن با محيط اطرافش. خوردگي عامل بخش عمدهاي از تخریب سازههاي فلزي است و اهميت آن نه تنها از اين نظر است که تخریب ناشی از آن در برخی موارد ناگهاني است، بلکه بيشتر به علت حضور و تأثير همه جانبه آن ميباشد.
امروزه اهميت خوردگي فلزات بيشتر از گذشته شده است؛ زیرا در کشورهای صنعتی هزينه سالانه خوردگي به اضافه هزينه حفاظت به حدود 5/3 تا 5 درصد درآمد ناخالص ملي میرسد. هزينه مبارزه با خوردگي را ميتوان به هزينههای مستقيم و غير مستقيم تقسيم کرد. در هزينه مستقيم خوردگي بايد هزينه رنگ و مواد بازدارنده از خوردگي، هزينه تعميرات قطعات خورده شده و هزينه استفاده از مواد گرانتر نظير فولادهاي زنگ نزن به جاي مواد ارزانتر مثل فولادهاي ساده کربني را در نظر داشت. در هزينه غير مستقيم خوردگي نيز بايد هزينههاي ناشي از تعطيل شدن و يا از کار افتادن يک کارخانه به علت خوردگي تجهيزات آن، هزينههاي خرابي و نابودي تاسيسات بزرگ به دليل خوردگي بخش کوچکي از آن، هزينههاي اتلاف مواد مانند نشت آب و يا روغن بر اثر خورده شدن لولهها و يا ظروف و بالاخره خطرات جاني و زيست محيطي را که گاهي غير قابل جبراناند، منظور کرد.
استفاده از عمليات سطحي براي بهبود مقاومت به خوردگي روش خاصي است که تغييري در خواص مکانيکي ايجاد نميکند، اما مقاومت آن را در مقابل خوردگي افزايش ميدهد. عمليات سطحي را ميتوان به دنبال ساخت مکانيکي قطعات انجام داد. در هر صورت روشهاي سطحي، عمليات تکميلي هستند. در اين روش هزينه اضافي تهيه آلياژهاي ويژه حذف شده، بدين ترتيب که فلز يا آلياژ نسبتاً ارزاني نظير فولاد ساده کربني انتخاب شده و براي ايجاد خواص سطحي فلزات گرانتر نظير کروم يا قلع روي آن پوشش داده میشود.
پوششهای روی (گالوانيزه)
پوشش فلزي روي را ميتوان به صورت خالص يا آلياژي در سطح فولاد اعمال نمود، ورق گالوانيزه که بدين ترتيب بدست ميآيد، گستردهترين نوع پوشش صنعتي براي مقابله با خوردگي اتمسفري است. فلز روي با تشکيل فيلم سطحي محافظ متشکل از اکسيدها و کربناتها خود مقاومت خوردگي خوبي دارد و لذا وقتي روي ورق پوشش داده شود، هم بدليل حضور لايهاي محافظ و هم از طريق گالوانيکی، فولاد را حفاظت مينمايد. محافظتي كه توسط روي براي فولاد فراهم ميگردد، بستگي به وزن پوشش دارد. بنابراين لازم است مشخصات پوشش روي با توجه به شرايط محيطي كه اين پوششها در معرض آن قرار ميگيرند تعيين شود. پوششدهي پيوسته ورقهاي فولادي با يکي از فرايندهاي گالوانيزه گرم يا گالوانيزه الکتريکي (روش الکتروليتي) قابل انجام است.
گالوانيزه گرم
قديميترين و مهمترين روش ايجاد پوشش روي، گالوانيزه گرم است که سابقه آن به عنوان فرايندي ثبت شده در فرانسه و انگلستان به سال 1830 ميلادي باز ميگردد. سالانه بالغ بر 2 ميليون تن روي بدين روش استفاده ميشود تا بر روي حدوداً 40 ميليون تن فولاد پوشش داده شود. نزديک به نيمي از فولاد توليد شده در دنيا به صورت ورق و يک چهارم بصورت قطعات ساخته شده و بقيه به صورت لوله يا سيم است. گالوانيزه، هر يک از چهار نوع محصول فوق، صنعت جداگانهاي را تشکيل داده است. گالوانيزه کردن گرم فرايندي است که با آن ميتوان آهن و فولاد را از خوردگي محافظت کرد و بطور خلاصه عبارت است از فرو بردن جسم مورد نظر در فلز روي مذاب و ايجاد لايههاي مختلف آلياژي از آهن و روي بر روي آن.
وقتي سطح قطعه را چربي و يا پوسته و قشر اکسيدي پوشانده باشد فعل و انفعالات بين روي مذاب و فولاد به خوبي صورت نميگيرد؛ لذا ابتدا لازم است به روشهاي شيميايي و يا مکانيکي سطح قطعه کاملاً تميز شود. بعد از چربيگيري و اکسيدزدايي، جهت آسان کردن فعل و انفعال آهن با روي مذاب بر سطح آن يک پوشش کمکي ايجاد ميشود که به روانساز يا گدازه موسوم است.
به لحاظ متالورژيکي فرايندهاي گالوانيزه کردن قطعات ساخته شده و لولهها مشابه يکديگر است. اما در فرايند مورد استفاده براي ورقها مقدار کمي مواد افزودني به روي مذاب افزوده ميشود تا پوشش حاصل داراي مقدار کمتري آلياژ روي- آهن باشد و در نتيجه انعطافپذير تر شود. اين لايه سبب ميشود که روي مذاب سطح قطعه را آسانتر خيس کند و لايههاي آلياژي بين روي و آهن سريعتر تشکيل شود. بعد از خارج کردن قطعه، روي اضافي به داخل حمام ميچکد. شایان ذکر است که قطعه پوشش داده شده را ميتوان به طريق معمولي در هوا سرد کرد يا آن را در آب داغ فرو برد.
اغلب قطعاتي که به طور معمول گالوانيزه ميشوند از نوع فولادهاي کمکربن يا فولادهاي نرم هستند. به طور کلی تغييرات جزئي در ترکيب شيميايي فولاد، اثر چنداني بر فرايند گالوانيزه کردن آن ندارد و عامل مهم نوع سطح است. سطح فولاد ممکن است همگن نباشد و روي آن پوستههاي نورد و یا زائدههای باقي مانده از ريختهگري موجود باشد که در فرآیند گالوانيزه کردن توليد اشکال ميکند. همچنين اگر مقدار سيليسيم در فولاد از حد معيني بيشتر باشد در فعل و انفعال بين مذاب روي و آهن اثر ميگذارد. تغيير در مقدار کربن و تا حدي منگنز نيز بر اين امر مؤثر است. در فولادهاي نرم که مقدار عناصر مذکور اندک است اين موضوع اهميت چنداني ندارد، اما هنگامی که مقدار سيليسيم از 12/0 درصد بيشتر شود آهنگ واکنش بين روي و آهن تند ميشود. در فلزات جوشکاري شده، درصد سيليسيم در نقاط جوشکاري معمولاً بيشتر از سایر نقاط است و به همين دليل کيفيت پوشش روي در اين نقاط با نقاط ديگر کمي متفاوت است.
در فرايند گالوانيزه گرم ضخامت پوشش بيشتر از 7 ميکرون است؛ اين امر همراه با اثرات لايهی آلياژي که در فصل مشترک روي و آهن تشکيل ميشود شکلپذيري ورق را تحت تاثير قرار ميدهد. افزودن مقدار کمي آلومينيوم در حمام مذاب رشد لايهی روی-آهن را محدود ميسازد. به اين ترتيب چسبندگي بهبود مييابد تا بتواند تنشهاي وارده در فرايند شکلدهي را تحمل نمايد. عنصر ديگري که براي کنترل ساختار سطح پوشش مهم است، سرب موجود در مذاب است، که هرگاه ميزان آن از 15/0 درصد کمتر باشد، کريستالهاي موجود در سطح، اسپنگل بسيار ريز ميشود .