الزنك الكهربائي: حماية سطح الفولاذ ومقاومة التآكل

التعريف والمفهوم الأساسي

الطلاء المجلفن كهربائياً هو عملية معالجة سطحية يتم فيها طلاء قاعدة فولاذية بطبقة رقيقة من الزنك من خلال طريقة ترسيب كيميائي كهربائي. تتضمن هذه العملية غمر الفولاذ في حمام كهربائي يحتوي على أيونات الزنك، حيث يسهل التيار الكهربائي ترسيب الزنك على سطح الفولاذ. الغرض الأساسي من الجلفنة الكهربائية هو توفير مقاومة للتآكل، وتعزيز متانة السطح، وتحسين المظهر الجمالي.

ضمن الطيف الأوسع لطرق إنهاء سطح الفولاذ، تتميز الجلفنة الكهربائية بقدرتها على إنتاج طلاء زنك موحد وملتصق مع تحكم دقيق في السماكة والميكروهيكل. وغالبًا ما يتم استخدامها كبديل للجلفنة بالغمر الساخن، خاصة عندما تكون طبقة الزنك الرقيقة والمتحكم بها أكثر رغبة. هذه التقنية أساسية للصناعات التي تتطلب حماية عالية الجودة من التآكل مع إنهاء سطحي جيد، مثل تصنيع السيارات، وإنتاج الأجهزة، ومواد البناء.

الطبيعة الفيزيائية ومبادئ العملية

آلية تعديل السطح

تعمل الجلفنة الكهربائية على مبادئ الكيمياء الكهربائية، حيث يتم تقليل أيونات الزنك في محلول الإلكتروليت وترسيبها على سطح الفولاذ تحت تيار كهربائي مطبق. خلال العملية، يعمل الفولاذ ككاثود، يجذب أيونات الزنك من الإلكتروليت. عندما يمر التيار عبر الحمام، تكتسب أيونات الزنك إلكترونات عند سطح الكاثود وتشكل طبقة من الزنك المعدني.

تؤدي هذه التفاعل الكيميائي الكهربائي إلى تعديل على مقياس الميكرو لسطح الفولاذ، مما يخلق طبقة من الزنك مرتبطة معدنيًا بالقاعدة. يتميز الواجهة بين طلاء الزنك والفولاذ برابطة معدنية، مما يضمن الالتصاق والمتانة. عادةً ما يظهر الميكروهيكل للزنك المترسب شكلًا بلوريًا دقيق الحبيبات، مع تأثر تجانس الطلاء بمعلمات العملية.

تركيب الطلاء وبنيته

تتكون الطبقة السطحية الناتجة بشكل أساسي من الزنك المعدني، وغالبًا ما تحتوي على عناصر سبيكة أو شوائب طفيفة اعتمادًا على تركيب الإلكتروليت. يتكون الميكروهيكل لطلاء الزنك عمومًا من طبقة زنك بلورية كثيفة مع ميزات دندريتية أو عقدية عرضية، اعتمادًا على ظروف الترسيب.

تتراوح السماكة النموذجية لطلاءات الزنك الكهربائية من حوالي 5 إلى 25 ميكرومتر (ميكرون)، مع تفضيل الطلاءات الرقيقة للتطبيقات التي تتطلب تأثيرًا ضئيلًا على الأبعاد. يمكن أيضًا تحقيق طلاءات أكثر سمكًا، تصل إلى 50 ميكرومتر، لتحسين مقاومة التآكل. يعتبر تجانس الطلاء أمرًا حاسمًا، حيث يتم التحكم في التباينات من خلال كثافة التيار، وتركيب الحمام، ودرجة الحرارة، والتحريك.

تصنيف العملية

تُصنف الجلفنة الكهربائية كمعالجة سطحية كيميائية كهربائية ضمن فئة عمليات الطلاء الكهربائي أو الترسيب الكهربائي. تختلف عن الجلفنة بالغمر الساخن، التي تتضمن غمر الفولاذ في الزنك المنصهر، من خلال تقديم تحكم أدق في سماكة الطلاء والميكروهيكل.

تشمل التقنيات ذات الصلة الطلاء الكهربائي بالزنك لأغراض زخرفية، وطلاءات سبيكة الزنك-النيكل، وطبقات معدنية أخرى مترسبة كهربائيًا. تشمل أنواع الجلفنة الكهربائية الجلفنة المستمرة للشريط، والجلفنة الدفعة، والعمليات المتخصصة مثل التحليل الكهربائي النبضي، التي يمكن أن تحسن جودة الطلاء وكفاءة العملية.

طرق التطبيق والمعدات

معدات العملية

تتكون المعدات الأساسية للجلفنة الكهربائية من خزان حمام كهربائي، وكاثود (حامل قاعدة الفولاذ)، وأنود (زنك أو سبيكة زنك)، ومصدر طاقة، وأنظمة مساعدة. يحتوي الإلكتروليت عادةً على كبريتات الزنك، وكلوريد الزنك، أو أملاح زنك أخرى مذابة في الماء، مع إضافات للتحكم في الرقم الهيدروجيني وجودة الترسيب.

يضمن تصميم خلية التحليل الكهربائي توزيع تيار موحد وتحريك الحمام، وغالبًا ما يستخدم تكوينات أفقية أو عمودية. تتضمن الأنظمة الحديثة وحدات للتحكم في درجة الحرارة، والترشيح، والمراقبة الآلية للحفاظ على ظروف العملية المتسقة. قد تتضمن المعدات المتقدمة محولات مع تنظيم دقيق للجهد والتيار، بالإضافة إلى حساسات لتغذية راجعة في الوقت الحقيقي للعملية.

تقنيات التطبيق

تشمل الإجراءات القياسية تنظيف وتحضير سطح قاعدة الفولاذ، تليها الغمر في حمام الإلكتروليت. يتم التحكم بعناية في معلمات العملية - مثل كثافة التيار (عادةً 2-10 A/dm²)، ودرجة حرارة الحمام (حوالي 40-70 درجة مئوية)، ووقت الترسيب - لتحقيق سماكة وجودة الطلاء المطلوبة.

يتم توصيل الفولاذ ككاثود، مع توفير الأنود الزنكي لأيونات الزنك من خلال الذوبان. خلال التحليل الكهربائي، يتم ضبط معلمات مثل كثافة التيار وتركيب الحمام لتحسين تجانس الترسيب والالتصاق. بعد الترسيب، قد يخضع الفولاذ المطلي لعمليات شطف، وتجفيف، أو معالجة بوساطة لتقوية مقاومة التآكل.

في خطوط الإنتاج، يتم دمج الجلفنة الكهربائية مع محطات المعالجة المسبقة (التنظيف، وإزالة الشحوم) وعمليات المعالجة اللاحقة (التمرير، والتزييت). تعتبر معالجة الشريط المستمر شائعة في التصنيع عالي الحجم، مع أنظمة آلية تضمن جودة طلاء متسقة.

متطلبات المعالجة المسبقة

قبل الجلفنة، يجب تنظيف سطح الفولاذ تمامًا لإزالة الزيوت، والشحوم، والصدأ، وقشور المطحنة. تشمل خطوات المعالجة المسبقة الشائعة إزالة الشحوم، والتخليل في المحاليل الحمضية، والشطف. يضمن تنشيط السطح اتصالًا كهربائيًا جيدًا ويعزز ترسيب الزنك الموحد.

تؤثر النظافة وحالة السطح بشكل كبير على التصاق الطلاء، وتجانيه، ومقاومة التآكل. يمكن أن تؤدي أي ملوثات متبقية أو عدم انتظام في السطح إلى عيوب مثل الحفر، أو الطلاء غير المتساوي، أو ضعف الالتصاق، مما يهدد أداء الطلاء الوقائي.

معالجة ما بعد المعالجة

قد تشمل خطوات المعالجة اللاحقة الشطف لإزالة المواد الكيميائية المتبقية، والتمرير لتعزيز مقاومة التآكل، والتزييت أو الطلاء لتحسين الانزلاق والتعامل. تتضمن عملية التمرير تطبيق فيلم كيميائي يشكل طبقة أكسيد واقية، يمكن صبغها أو ختمها لأغراض جمالية أو وظيفية.

تشمل ضمان الجودة الفحص البصري، وقياس سماكة الطلاء (باستخدام طرق التيار الدوامي أو الأشعة السينية)، واختبار الالتصاق (مثل اختبارات السحب)، واختبارات التآكل (رش الملح أو اختبارات التآكل الدورية). تضمن هذه الخطوات أن الطلاء يلبي المعايير والمتطلبات المحددة.

خصائص الأداء والاختبار

الخصائص الوظيفية الرئيسية

توفر الطلاءات المجلفنة كهربائيًا مقاومة ممتازة للتآكل، والتصاق جيد للطلاءات اللاحقة، وتشطيب سطحي ناعم. كما أنها توفر موصلية كهربائية، وهو أمر مفيد في بعض التطبيقات.

تشمل الاختبارات القياسية اختبارات الالتصاق (ASTM D3359)، وقياسات سماكة الطلاء (ASTM E376)، وتقييمات مقاومة التآكل (اختبار رش الملح وفقًا لـ ASTM B117). تشمل القيم النموذجية لأداء الطلاء سماكات الطلاء الزنكي من 10-20 ميكرومتر، مع حماية من التآكل تدوم من عدة أشهر إلى سنوات اعتمادًا على البيئة.

القدرات الوقائية

تعمل طبقة الزنك كأنود تضحوي، تتآكل بشكل تفضيلي لحماية قاعدة الفولاذ. توفر هذه الحماية الجلفانية عمر خدمة أطول لمكونات الفولاذ المعرضة للبيئات التآكلية.

تظهر طرق اختبار الت