تمدن بشر امروز عمیقا به فولاد وابسته است. فولادی که به‌رغم استحکام بالای خود, یک ضعف بزرگ نیز دارد. که همانا آسیب‌پذیری آن دربرابر رطوبت و خوردگی است. ضعفی که درصورت بی توجهی به آن, می‌تواند منجر به خسارات جانی و مالی جبران‌ناپذیری شود. یکی از بهترین راه حل‌های ارائه شده برای این مشکل آبکاری سطح فولاد با لایه‌ای از فلز روی است. این لایه نازک از فلز روی, مانند سپری از فولاد دربرابر اکسیداسیون و خوردگی محافظت می‌کند. به عمل پوشش‌دهی فولاد با فلز روی, گالوانیزاسیون می‌گویند. فلز روی خالص (Zn) در واکنش با اکسیژن (O2), تولید روی اکسید (ZnO) می‌کند. این روی اکسید با CO2 واکنش داده و روی کربنات (ZnCO3) بدست می‌آید.
روی کربنات همان سپر دفاعی فولاد در برابر اکسیداسیون و خوردگی است. از آنجاییکه از لحاظ شیمیایی فلز روی “فعال‌تر” از فولاد است. حتی درصورت خراشیده شدن این لایهی محافظ و قرارگیری فولاد در معرض اتمسفر نیز, بلطف پدیده خوردگی گالوانیک, این فلز روی است که دچار خوردگی خواهد شد و فولاد محفوظ می‌ماند. طبق گزارش انجمن بین‌المللی روی ( International Zinc Association) سالیانه بیش از پنج میلیون تن فلز روی برای آبکاری فولادها در جهان مصرف می‌شود.
البته فولاد گالوانیزه شده آن قدرها هم فوق العاده و شکست ناپذیر نیست! و نمی‌توان روی آن برای کار در محیط‌های اسیدی و یا حتی مقاومت دربرابر باران اسیدی حساب چندانی باز کرد و برای چنین شرایطی باید از فولادهای به مراتب گران قیمت‌تر ضدزنگ (Stainless steel) بهره گرفت.
درواقع از فولاد گالوانیزه در پروژه‌هایی که امکان پرداخت هزینه‌های بالای استیل وجود ندارد استفاده می‌شود. برای مثال از گالوانیزاسیون برای ساخت ابزارهایی مثل دکل برق, سطل زباله, گاردریل، اسکلت گلخانه و … استفاده می‌شود. چراکه محصولات فولادی گالوانیزه به مراتب ارزانتر اند.
فولاد گالوانیزه قابل جوشکاری است اما باید از دود سمیِ حاوی روی پرهیز کرد. از فولاد گالوانیزه می‌توان تا دمای ℃200 استفاده کرد. اما در دماهای بالاتر از ℃200 لایه فلز روی ازبین می‌رود.
اصطلاح گالوانیزاسیون از قرن هجده میلادی و در پی تحقیقات دانشمند ایتالیایی لوئیجی گالوانی رواج پیدا کرد.
فرآیند گالوانیزاسیون به دو روش گالوانیزاسیون گرم و گالوانیزاسیون سرد صورت می‌گیرد.
-
گالوانیزاسیون گرم
در روش گالوانیزاسیون گرم، قطعه فولادی را در حمامی از فلز روی مذاب (در دمای℃449 ) غرق میکنند. تا سطح داخل و خارج لوله کاملا به “روی” آغشته شود. روش گالوانیزاسیون گرم گرانتر از روش گالوانیزاسیون سرد است ولی کیفیت، دوام و مقاومت آن در برابر خوردگی بمراتب بالاتر است.
روند گالوانیزاسیون گرم بدین صورت است:
- زدودن آلودگی‌هایی مثل روغن، رنگ و… از روی سطح فولاد با استفاده از مواد شیمیایی.
- زدودن مواد پاکننده مرحله قبل.
- زدودن تمامی لایه‌های اکسیدشده آهن بوسیله محلول اسیدی.
- زدودن مواد پاکننده مرحله قبل.
- پوشش دهی فولاد با روی آمونیوم کلرید.
- غرق کردن فولاد در وان روی مایع تا زمانیکه با روی مذاب هم دما شود.
- خارج کردن فولاد از وان و فرصت دادن به آن برای خشک شدن و وقوع فرآیندهای شیمایی بین فولاد و روی.
معمولا به حمام فلز روی, سرب هم اضافه میکنند تا سیالیت آن بیشتر شود. افزودن سرب مزایای دیگری نیز دارد, از جمله بهبود توزیع دما در وان و کاهش میزان تفاله‌های شناور بر سطح مذاب. قوانین محیط زیستی ایالات متحده, استفاده از سرب در این فرآیند را جایز نمی‌داد، هرچند مقادیر سرب استفاده شده در گالوانیزاسیون فولاد، بی‌خطر است.
برای گالوانیزاسیون ورق فولادی‌ای می‌توان رول ورق را باز کرده و بصورت پیوسته آن را وارد وان روی مذاب کرد. ورق گالوانیزه بدست آمده از فرآیند گالوانیزاسیون گرم را می‌توان برای ساخت حفاظ و نرده، دستگیره، لوازم خانگی، بدنه اتومبیل، پوشش سقف و دیوارها و … بکار برد.
در مقایسه با رنگ زدن یک سطح, روش گالوانیزاسیون گرم ارزانتر و سریع است. BS EN ISO 1461، استاندارد بریتانیایی, اروپایی و بین المللی گالوانیزاسیون گرم است. در این استاندارد میزان حداقلی برای ضخامت لایه روی برحسب ضخامت سطح مقطع فولاد تعیین شده. برای مثال ضخامت لایه فلز روی بر سطح فولادی به ضخامت 6mm، باید حداقل 85µm باشد.
برای اطلاعات بیشتر استانداردهای قطعات گالوانیزه می‌توانید به BS EN ISO 14713-1 و BS EN ISO 14713-2 مراجعه کنید. میزان دوام یک پوشش گالوانیزه تنها به نرخ خوردگی مکانی که قطعه در آن نصب شده بستگی دارد. برای اطلاع از نرخ‌های خوردگی در اماکن مختلف می‌توانید به BS EN ISO 14713-1 مراجعه کنید.
-
گالوانیزاسیون سرد (یا الکتروگالوانیزاسیون)
در این روش با استفاده از جریان الکتریسیته و مایع الکترولیت، یک لایه فلز “روی” بر سطح فولاد نشانده می‌شود. روش گالوانیزاسیون سرد ارزانتر از روش گالوانیزاسیون گرم است ولی ضخامت لایهی محافظ آن بمراتب نازک‌تر از لایهی حاصل از روش گالوانیزاسیون گرم است. صنعت خودرو سازی یکی از کاربران بزرگ روش گالوانیزاسیون سرد است.
گالوانیزاسیون سرد به این شکل است که فولاد را در محلول نمکی از فلز روی غرق میکنند. در اینجا فلز روی نقش آند و فولاد نیز نقش رسانا را دارد. اولین نشانه‌های بکارگیری روش گالوانیزاسیون سرد به قرن نوزدهم باز می‌گردد اما آنچه که امروزه با نام گالوانیزاسیون سرد می‌شناسیم، در دهه سی میلادی توسعه پیدا کرد.
در آن زمان، از الکترولیت سیانیدی استفاده می‌شد. معرفی اولین الکترولیت برپایه اسید کلروید در دهه شست میلادی، انقلابی در صنعت گالوانیزاسیون سرد رقم زد چراکه استفاده از این الکترولیت شفافیت لایه محافظ را بیشتز از قبل کرد. صنعت گالوانیزاسیون سرد در دهه هشتاد میلادی دوباره بسراغ الکترولیت‌های آلکالینی رفت، اما این بار از سیانید استفاده نکرد. فولاد SECC، رایج‌ترین فولاد گالوانیزه شده به روش سرد است. ضخامت کمتر لایهی محافظ فلز روی باعث بهبود عملکرد و زیبایی ظاهری بیشتر آن نسبت به روش گالوانیزاسیون گرم می‌شود.
انواع الکترولیت رایج در صنعت گالوانیزاسیون سرد
الکترولیت‌های آلکالین
الکترولیت الکالین حاوی سولفات و سدیم هیدورسید (NaOH) است. روند کنترل کیفیت این الکترولیت مستلزم آنالیز مستمر Zn، NaOH و NaCN است. در جدول زیر می‌توان گزینه‌های مختلف الکترولیت در دمای اتاق را دید.
| مقدار سیانید |
روی (g/L) |
سدیم هیدروکسید (g/L) |
سدیم سیانید (g/L) |
|
کم |
6-10 |
75-90 |
10-20 |
|
متوسط |
15-20 |
75-90 |
25-45 |
| زیاد | 25-35 | 75-90 | 80-100 |
الکترولیت‌های آلکالین بدون سیانید
این نوع الکترولیت حاوی روی و سدیم هیدروکسید است. بیشتر آنها با اضافه کردن مواد براق کننده، ظاهری براق به سطح فولاد می‌بخشند. افزودن آمین‌های چهار ظرفیتی به آن باعث بهبود توزیع فلز بین مناطق با چگالی بالا و پایین می‌شود.
بسته به مطلوبیت عملکرد مدنظر, electroplater می‌تواند بیشترین میزان روی را انتخاب کرده تا میزان تولید افزایش یابد یا میزان روی پایین‌تر را انتخاب کند تا میزان قدرت پرتاب (در مناطقی با چگالی جریان پایین) افزایش یابد.
الکترولیت‌های اسیدی
- الکترولیت‌های سرعت بالا
برای آبکاری با سرعت بالا، مثل کارگاه‌های که ورق یا لوله بصورت پیوسته با سرعت 200m/min حرکت می‌کند، در حمام الکترولیتی روی سولفات و کلروراید می‌ریزند تا میزان حلالیت آن را بالا ببرند. ممکن است که از بوریک اسید بعنوان یک pH buffer استفاده کنند تا در چگالی‌های بالا اثر سوختگی را کاهش دهند.
- الکترولیت‌های سنتی
امروزه از الکترولیت‌های آمونیومی، پتاسیومی یا آمونیومی/پتاسیومی استفاده میکنند. مقدار روی مورد نیاز به میزان تولید و شکل قطعه بستگی دارد. مقادیر بالای روی باعث افزایش بازده حمام (سرعت صفحه سازی) شده, و مقادیر اندک آن باعث افزایش توانایی پرتاب آن در جریان‌هایی با چگالی پایین می‌شود.
معمولا سطح فلز روی بین 20 تا 50g/L تغییر می‌کند. و میزان pH نیز بین 4.8 تا 5.8 متغیر است. در جدول زیر ترکیب یک حمام تماما پتاسیم کلروایدی را نشان می‌دهد.
جدول ترکیب حمام تمام اسیدی
|
مولفه‌ها |
مقادیر برحسب g/L |
|
روی |
40 |
|
کل کلراید |
125 |
|
روی کلراید بی آب |
80 |
|
پتاسیم کلراید |
180 |
| بوریک اسید |
25 |