طلاء الجلفنة: حماية سطح الفولاذ وزيادة المتانة

التعريف والمفهوم الأساسي

الطلاء المجلفن هو عملية معالجة سطحية متخصصة تُطبق على الركائز الفولاذية، تجمع بين الجلفنة والتسخين اللاحق لإنتاج طلاء سبيكة من الزنك والحديد يعزز مقاومة التآكل وقابلية اللحام. تتضمن هذه العملية ترسيب طلاء قائم على الزنك يتبعه تسخين مُتحكم فيه، مما يُحفز الانتشار وتكوين السبيكة على سطح الفولاذ. الغرض الرئيسي من الطلاء المجلفن هو توفير سطح متين وقابل للدهان ومقاوم للتآكل مناسب لتطبيقات السيارات والأجهزة والبناء.

ضمن الطيف الأوسع لطرق إنهاء سطح الفولاذ، يحتل الطلاء المجلفن مكانة بين الجلفنة بالغمر الساخن والجلفنة الكهربائية. على عكس الطلاءات الزنكية البسيطة، فإن الأسطح المجلفنة مرتبطة ميتالورجياً بالفولاذ، مما يوفر التصاقاً محسناً للطلاءات اللاحقة وخصائص ميكانيكية محسنة. يتميز بطبقة السبيكة المجهرية، التي تمنح خصائص أداء فريدة، مما يجعله خياراً مفضلاً حيث تكون الحماية من التآكل وقابلية اللحام أمرين حاسمين.

الطبيعة الفيزيائية ومبادئ العملية

آلية تعديل السطح

أثناء عملية الطلاء المجلفن، يتم أولاً طلاء الركيزة الفولاذية بالزنك المنصهر عبر الجلفنة بالغمر الساخن. ثم يتم تعريض الفولاذ المطلي لعملية تسخين مُتحكم فيها عند درجات حرارة تتراوح عادة بين 460 درجة مئوية و580 درجة مئوية. تسهل هذه المعالجة الحرارية انتشار الزنك في سطح الفولاذ وتعزز تكوين طبقة سبيكة من الزنك والحديد.

كيميائياً، تتضمن العملية تفاعلات انتشار حيث تخترق ذرات الزنك مصفوفة الحديد، مكونة سلسلة من المركبات البينية من الزنك والحديد مثل ζ (زيتا)، δ (دلتا)، وΓ (غاما). تتميز هذه المراحل بترتيبات ذرية وتركيبات محددة، تؤثر على خصائص الطلاء. التركيب المجهرى لطبقة السبيكة هو مزيج دقيق مرتبط ميتالورجياً من الزنك والحديد، مع سمك وتركيب يعتمد على معلمات العملية.

على المقياس المجهرى أو النانوي، يظهر الطلاء المجلفن هيكلاً طبقيًا: طبقة سبيكة رقيقة وكثيفة مرتبطة مباشرة بالركيزة الفولاذية، مغطاة بطبقة خارجية غنية بالزنك قد تكون سبائكية جزئيًا أو غير سبائكية حسب ظروف العملية. الواجهة بين الطلاء والركيزة مرتبطة ميتالورجياً، مما يضمن التصاقاً ممتازاً ومتانة.

تركيب الطلاء وهيكله

يتكون السطح المجلفن الناتج من طبقة سبيكة من الزنك والحديد، تتكون بشكل أساسي من مراحل بينية مثل ζ (زيتا، FeZn13)، δ (دلتا، FeZn10)، وΓ (غاما، Fe3Zn10). يعتمد توزيع المراحل الدقيقة على معدل التبريد، ودرجة حرارة السبائك، وسمك الطلاء الزنكي.

عادةً ما يكون التركيب المجهرى لطبقة السبيكة دقيق الحبيبات وملتصقًا، مع سمك يتراوح من حوالي 5 إلى 20 ميكرومتر للتطبيقات القياسية. تُستخدم الطلاءات الأكثر سمكًا، التي تصل إلى 30 ميكرومتر، في التطبيقات الثقيلة التي تتطلب مقاومة محسنة للتآكل. قد تحتوي السطح الخارجي على زنك غير سبائكي متبقي، خاصة في الطلاءات الرقيقة، مما يؤثر على سلوك التآكل وقابلية اللحام.

يمنح التركيب المجهرى لطبقة السبيكة مظهراً غير لامع أو باهت، غالبًا مع نسيج سطحي خشن قليلاً، يمكن تعديله من خلال عمليات المعالجة اللاحقة. تعتبر الاستقرار المجهرى لطبقة السبيكة تحت ظروف الخدمة أمرًا حاسمًا للحفاظ على مقاومة التآكل وسلامة الميكانيكية.

تصنيف العملية

يتم تصنيف معالجة الطلاء المجلفن كعملية انتشار حرارية وتشكيل سبيكة ضمن فئة الطلاءات السطحية بالغمر الساخن. وهي مرتبطة، ولكنها متميزة عن الجلفنة بالغمر الساخن القياسية، التي تنتج طلاءً من الزنك فقط، والجلفنة الكهربائية، التي تودع الزنك عبر طرق كيميائية كهربائية.

مقارنةً بالجلفنة بالغمر الساخن، تتضمن عملية الطلاء المجلفن خطوة تسخين إضافية تحول الطلاء الزنكي إلى سبيكة من الزنك والحديد، مما يؤدي إلى تحسين الالتصاق وقابلية اللحام. تشمل أنواع الطلاء المجلفن المختلفة درجات حرارة سبائك مختلفة، ومعدلات تبريد، وسمك الطلاء الزنكي، مما يخصص خصائص الطلاء لتطبيقات محددة.

تشمل بعض الفئات الفرعية:

• الطلاء المجلفن القياسي: عملية نموذجية مع تسخين مُتحكم فيه لإنتاج طبقة سبيكة متجانسة.
• الطلاء المجلفن الممتاز: يتضمن معلمات عملية محسنة لمقاومة تآكل محسنة.
• طبقات سبائك مخصصة: تركيبات مراحل مصممة لأداء متطلبات خاصة.

طرق التطبيق والمعدات

معدات العملية

تشمل المعدات الرئيسية المستخدمة في الطلاء المجلفن خط جلفنة بالغمر الساخن مستمر متكامل مع فرن تسخين مُتحكم فيه. تبدأ العملية بفك شريط الفولاذ، وتنظيفه، وتطبيق الفلوس، تليها الغمر في حمام الزنك المنصهر. ثم يمر الشريط المطلي عبر سلسلة من مناطق التجفيف والتبريد قبل دخول فرن التسخين.

عادةً ما يكون فرن التسخين من نوع فرن الأسطوانة أو نوع العارضة المتحركة، مصمم لتوفير تسخين متجانس وتحكم دقيق في درجة الحرارة. تتضمن الأنظمة المتقدمة ملفات تعريف درجة حرارة قابلة للبرمجة، وأجواء غازية خاملة (مثل النيتروجين أو غاز التشكيل)، ومناطق تبريد مُتحكم فيها لتحسين تشكيل طبقة السبيكة.

تشمل الميزات المتخصصة:

• أنظمة تنظيم درجة حرارة دقيقة للتحكم في حركية الانتشار.
• تحكم في الأجواء لمنع الأكسدة والتلوث.
• أقسام تبريد سريعة للتأثير على تطوير المراحل والتركيب المجهرى.
• أجهزة فحص وقياس سمك الطلاء في الخط لضمان الجودة.

تقنيات التطبيق

تكون عملية الطلاء المجلفن مستمرة في الغالب، متكاملة في خطوط إنتاج الفولاذ. تشمل الخطوات الرئيسية:

• تنظيف السطح: إزالة الزيوت والأكسيدات والملوثات عبر إزالة الدهون، أو النقع في محاليل حمضية، أو التنظيف الكاشط.
• تطبيق الطلاء الزنكي: الغمر بالغمر الساخن في الزنك المنصهر عند حوالي 450 درجة مئوية.
• التسخين: تسخين الشريط المطلي في فرن جو مُتحكم فيه لتعزيز انتشار الزنك والحديد.
• التبريد: تبريد سريع أو مُتحكم فيه لتثبيت التركيب المجهرى المطلوب للسبيكة.

تشمل معلمات العملية الحرجة:

• درجة حرارة حمام الزنك: عادةً 445–455 درجة مئوية.
• درجة حرارة التسخين: 460–580 درجة مئوية، حسب التركيب المطلوب للسبيكة.
• مدة الاحتفاظ: عادةً 10–30 ثانية لضمان انتشار كافٍ.
• معدل التبريد: يؤثر على تشكيل المراحل وتركيب الطلاء.

يتضمن التحكم في العملية مراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة الحرارة، وسمك الطلاء، وتركيب الأجواء، مما يضمن جودة متسقة عبر دفعات الإنتاج.

متطلبات المعالجة المسبقة

قبل الطلاء المجلفن، يجب تنظيف سطح الفولاذ بدقة لإزالة الزيوت والأوساخ والصدأ وقشور المطحنة. غالبًا ما تتضمن إعداد السطح إزالة الدهون، أو النقع في محاليل حمضية، أو التفجير الكاشط لتحقيق سطح نظيف خالٍ من الأكسيد.

تعتبر نظافة السطح أمرًا حاسمًا