طلاء التيرني: حماية سطح الفولاذ ومقاومة التآكل

التعريف والمفهوم الأساسي

ترني هو تقنية معالجة سطحية وتقنية طلاء تقليدية تُستخدم بشكل رئيسي في صناعة الصلب لتعزيز مقاومة التآكل، خاصةً لألواح الصلب والمكونات المخصصة للاستخدام في الهواء الطلق أو البيئات القاسية. تتضمن هذه العملية تطبيق سبيكة قائمة على القصدير، تتكون عادةً من مزيج من القصدير (Sn) والرصاص (Pb)، أو مؤخرًا، سبائك بديلة مثل القصدير والزنك أو القصدير والفضة، لتشكيل طلاء واقٍ وتضحيوي على الركائز الفولاذية.

الغرض الأساسي من طلاء ترني هو توفير سطح متين ومقاوم للتآكل يطيل من عمر المنتجات الفولاذية. يتحقق ذلك من خلال إنشاء طبقة حاجزة تقاوم الأكسدة والتدهور البيئي، بينما تقدم أيضًا قابلية لحام جيدة وقابلية للتشكيل.

في نطاق أوسع من طرق إنهاء سطح الصلب، يحتل ترني مكانة كطلاء معدني تضحيوي يهدف بشكل أساسي إلى حماية من التآكل. على عكس الطلاءات العضوية مثل الدهانات أو الطبقات القائمة على البوليمر، تعتمد طلاءات ترني على طبيعتها المعدنية وخصائصها الكهروكيميائية لحماية الصلب الأساسي. وغالبًا ما تُستخدم في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل، مثل الأسطح، وأجزاء السيارات، وبعض المكونات الكهربائية.

الطبيعة الفيزيائية ومبادئ العملية

آلية تعديل السطح

خلال عملية طلاء ترني، يتم تطبيق سبيكة منصهرة أو شبه منصهرة على سطح الصلب من خلال الغمر الساخن أو الترسيب الكهروكيميائي. يشكل الطلاء رابطة معدنية مع الركيزة، مما يخلق طبقة رقيقة، ملتصقة تتراوح عادةً من بضع ميكرومترات إلى عدة عشرات من الميكرومترات.

تتضمن التفاعل الفيزيائي الأساسي انصهار السبيكة وتدفقها على سطح الصلب، مما يملأ الشوائب السطحية ويخلق فيلمًا موحدًا. كيميائيًا، تتفاعل السبيكة مع الركيزة الفولاذية، مكونة واجهة معدنية تتميز بالانتشار وتكوين المركبات بين المعادن. تضمن هذه الواجهة التصاقًا قويًا واستقرارًا للطلاء.

التفاعلات الكهروكيميائية تكون ضئيلة أثناء التطبيق ولكنها حاسمة في وظيفة الطلاء الواقية. تعمل السبيكة القائمة على القصدير كأنود تضحيوي، تتآكل بشكل تفضيلي في البيئات التآكلية، وبالتالي تحمي الركيزة الفولاذية أسفلها. يتم دفع هذا السلوك التضحيوي بواسطة فرق الجهد الكهروكيميائي بين الطلاء والصلب.

على المقياس الميكروي أو النانوي، يعدل الطلاء السطح من خلال إنشاء طبقة معدنية مستمرة مع بنية ميكروية تتكون من حبيبات دقيقة أو هياكل شجرية، اعتمادًا على معدل التبريد وتركيب السبيكة. عادةً ما تتميز الواجهة بين الطلاء والركيزة بمنطقة انتقالية مع انتشار العناصر، مما يضمن الاستقرار الميكانيكي ومقاومة التآكل.

تركيب الطلاء والبنية

يتكون التركيب النموذجي لطلاءات ترني التقليدية من مزيج يتراوح تقريبًا بين 50-70% من القصدير و30-50% من الرصاص حسب الوزن. قد تستبدل المتغيرات الحديثة الرصاص بسبائك صديقة للبيئة مثل القصدير والزنك أو القصدير والفضة، امتثالًا للوائح مثل RoHS.

تتكون البنية الميكروية للطلاء عمومًا من محلول صلب من القصدير والرصاص (أو سبائك بديلة)، مع وجود مراحل بين المعادن ممكنة عند الواجهة. عادةً ما يكون الطلاء متجانسًا، مع بنية ميكروية ذات حبيبات دقيقة أو شجرية اعتمادًا على ظروف التبريد.

يتراوح سمك الطلاء عمومًا من 10 إلى 50 ميكرومتر (μm)، مع اختلافات تعتمد على متطلبات التطبيق. توفر الطلاءات الأكثر سمكًا مقاومة محسنة للتآكل ولكن قد تؤثر على قابلية التشكيل واعتبارات الوزن. بالنسبة لتطبيقات الأسطح، تميل السماكات نحو الطرف الأعلى، بينما لأغراض كهربائية أو زخرفية، تكون الطبقات الرقيقة شائعة.

تصنيف العملية

يتم تصنيف طلاء ترني كـ طلاء معدني تضحيوي ضمن الفئة الأوسع من عمليات الغلفنة بالغمر الساخن والترسيب الكهربائي. يتميز بتكوينه السبيكي وطريقة تطبيقه.

مقارنةً بطبقات الزنك (الغلفنة)، تكون طلاءات ترني أكثر ليونة، وأكثر قابلية للطرق، وتقدم خصائص جمالية مختلفة. على عكس الطلاءات العضوية مثل الدهانات أو الطبقات البوليمرية، يعتمد ترني على طبيعته المعدنية وخصائصه الكهروكيميائية لحماية التآكل.

تشمل متغيرات ترني الطلاءات التقليدية القائمة على الرصاص، والسبائك الخالية من الرصاص الصديقة للبيئة، والتركيبات المتخصصة المصممة لتطبيقات معينة مثل الأسطح، والسيارات، أو المكونات الكهربائية. تتضمن بعض المتغيرات الترسيب الكهروكيميائي، بينما يستخدم البعض الآخر الغمر الساخن.

طرق التطبيق والمعدات

معدات العملية

تشمل المعدات الأساسية المستخدمة في تطبيق طلاءات ترني:

• خطوط الطلاء بالغمر الساخن: تتكون من خزان يحتوي على سبيكة منصهرة، ونظام ناقل لتمرير ألواح أو شرائط الصلب عبر الحمام، ومناطق تبريد محكومة. تتراوح درجة حرارة الحمام عادةً من 450 درجة مئوية إلى 550 درجة مئوية، اعتمادًا على تركيب السبيكة.

• خلايا الطلاء الكهروكيميائية: تستخدم خلايا كهروكيميائية مع كاثودات وأنودات مغمورة في محلول إلكتروليتي يحتوي على أيونات السبيكة. يتم توصيل الركائز الفولاذية ككاثودات، ويتم ترسيب السبيكة عبر التحليل الكهربائي.

• محطات المعالجة المسبقة: تشمل خزانات التنظيف، وإزالة الشحوم، والتخليل لتحضير سطح الصلب لالتصاق الطلاء.

يؤكد تصميم المعدات على التحكم في درجة الحرارة، واستقرار تركيب الحمام، وسمك الطلاء المتجانس. تتضمن الخطوط الحديثة الأتمتة للتحكم في العملية، بما في ذلك أجهزة استشعار لدرجة الحرارة، وسمك الطلاء، وجودة السطح.

تقنيات التطبيق

أكثر طرق التطبيق شيوعًا لطلاء ترني هي الغمر الساخن، حيث يتم تنظيف ألواح أو شرائط الصلب، ثم يتم غمرها في حمام السبيكة المنصهرة. تتضمن العملية:

• تنظيف السطح لإزالة الأكسيدات، والشحوم، والقشور.
• إزالة الشحوم لتعزيز الترطيب والالتصاق.
• الغمر في السبيكة المنصهرة لمدة محددة.
• السحب بمعدل ثابت لضمان طلاء متجانس.
• التبريد والمعالجة اللاحقة، مثل التمرير أو إنهاء السطح.

تشمل المعلمات الحرجة للعملية درجة حرارة الحمام (عادةً 500 درجة مئوية ± 10 درجات مئوية)، ومدة الغمر (عادةً 1-3 ثوانٍ)، وسرعة السحب، ونظافة السطح. يضمن التحكم الدقيق سمك الطلاء المتسق والالتصاق.

في التطبيقات الكهروكيميائية، يتم تنظيم معلمات مثل كثافة التيار، وتركيب المحلول الإلكتروني، ومدة الترسيب بشكل صارم.

متطلبات المعالجة المسبقة

قبل الطلاء، يجب تنظيف أسطح الصلب بدقة لإزالة الزيوت، والأوساخ، والصدأ، والأكسيدات. تشمل خطوات المعالجة المسبقة الشائعة:

• إزالة الشحوم باستخدام حلول قلوية أو قائمة على المذيبات.
• التخليل في حلول حمضية (مثل حمض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك) لإزالة قشور المطحنة والأكسيدات.
• الشطف والتجفيف