טיפול פני שטח במתכות – בעזרת חומצה זרחתית

טיפול פני שטח במתכות באמצעות חומצה זרחתית, הידוע גם כ"פוספטציה", הוא תהליך חשוב במיוחד בתחומי התעשייה הכבדה, הרכב, האלקטרוניקה והבנייה. תהליך זה ממלא תפקיד מרכזי בהגנה על משטחי מתכות, כגון ברזל, פלדה, אבץ, אלומיניום, קדמיום ומגנזיום, ומשפר את עמידותם בפני קורוזיה.                                        

הפוספטציה משפיעה על מאפייני המשטח בשלושה תחומים עיקריים: מראה, קשיות ותכונות חשמליות. מעבר לכך, היא משפרת את הידבקות הצבע למשטח המתכת. התהליך מתחיל בהסרת חלודה, שמנים ושומנים בעזרת חומצה זרחתית, אשר מכינה את המשטח לקראת ציפוי או צביעה. השלב הבא כולל טבילה או ריסוס של המשטח בחומצה, ולאחר מכן שטיפה במים לנטרול החומצה.

הבחירה בשיטת הפוספטציה המתאימה תלויה ביישום המבוקש ובמשקל הציפוי הנדרש. ציפוי הפוספט שמתקבל אינו רעיל, קשיח ומספק שכבה שאינה מוליכה חשמלית. תהליך זה ידוע כבר למעלה ממאה שנה ונחשב ליעיל ביותר בהגנה על מתכות.

החומצה הזרחתית מיוצרת באתר רותם מקונצרן ICL בריכוזים שונים ומשווקת בשוק המקומי ולחו"ל . לחומצה שימושים תעשייתיים מגוונים  .

ישנם שלושה סוגים של ציפויי פוספט עיקריים:

1. מנגן פוספט - משמשים לעמידות בפני קורוזיה ולסיכה ומיושמים רק בטבילה.
2. ברזל פוספט - משמשים כבסיס לציפויים נוספים או לצביעה ומיושמים בטבילה או בהתזה.
3. אבץ פוספט - משמש לעמידות בפני קורוזיה, כשכבה מחזיקה חומר סיכה וכבסיס צבע/ציפוי וניתן ליישם גם בטבילה או בהתזה. ניתן ליישם אותם גם על פלדה מגולוונת.

מנגנון הפוספוטיזציה:

כאשר משטח הפלדה בא במגע עם תמיסה המבוססת על חומצה זרחתית, מתרחשת תגובה אלקטרוכימית. תגובה זו יוצרת שכבה של מתכת-פוספט על פני הפלדה. שכבת ציפוי פוספט כוללת בדרך כלל גבישי ברזל, אבץ או מנגן.  המאפיינים של השכבה שנוצרה הם- נקבוביות וספיגה. יצרנים מבצעים  פוספטינג כתהליך טיפול מקדים לפני ציפוי או צביעה של פני השטח. לפני תחילת התהליך חשוב לנקות את פני שטח המתכת משומנים וחלודה. הניקוי נעשה באמצעות חומצות ו/או בסיסים. לאחר הניקוי טובלים את המתכת בתמיסה של חומצה זרחתית (H₃PO₄).  החומצה הזרחתית מגיבה עם המתכת ויוצרת יוני פוספט (PO₄^-³). יוני הפוספט מגיבים עם יוני המתכת ליצירת שכבת פוספט בלתי מסיסה על פני המתכת.

תהליך הפוספוטציה עם מנגן (MDPI JURNAL)

התהליך מתרחש בין תמיסת חומצה זרחתית ופני שטח המתכת. החומצה עוברת במים ל  H₂PO ₄ ⁻ . יוני המתכת מגיבים עם אניון הפוספט ונוצר ברזל פוספט. המנגן מגיב עם אניון החומצה לקבלת מנגן פוספט ששוקע על פני המתכת. הציפוי הוא תערובת של ברזל מנגן אורתופוספט(Mn, Fe)₅H₂(PO₄)₂·4H₂O. לתהליך מוסיפים מאיץ למנוע בועות של גז מימן הנוצרות בתהליך להגיב עם המתכת.

במקרה של ברזל, (Fe+² או Fe+³) נוצרת שכבת ברזל פוספט. לאחר יצירת שכבת הפוספט, המתכת נשטפת במים כדי להסיר שאריות של החומצה ולאחר מכן היא מיובשת.

תהליך הפוספוטיזציה של פני ברזל (IJDR)

 ^–Fe → Fe ²⁺ + 2e 

⁻Fe ²⁺ + PO ₄ ³⁻ → FePO ₄ ↓ + e 
 
פוספוטציה של אבץ (מתוך https://innovationfilter.com/blog)

 Fe   +   2H⁺   →   Fe⁺²   +   H_2(g)

   3Zn⁺²   +   6H₂PO₄^-   →   Zn₃(PO₄)₂   +   4H⁺   +   4H₂PO₄

פוספט מנגן הוא בדרך כלל עמיד יותר בפני קורוזיה מאשר פוספט ברזל והוא גם יציב יותר מפוספט אבץ תחת לחצים וטמפרטורות קיצוניות. הוא העמיד ביותר בפני שחיקה מבין השלושה אך אינו עמיד בפני קורוזיה כמו אבץ פוספט.

ליטוש כימי של מתכות  - ליטוש אלקטרו

תהליך זה כולל הסרה של בליטות גבוהות בשטח פני המתכת או בשקעים "עמקים" בפני המתכת . המתכת חייבת להיות חלקה למדי כדי לייצר גימור טוב.  נירוסטה, פלדה, פליז, אלומיניום, ניקל, נחושת ואבץ הם בין משטחי המתכת הניתנים לליטוש כזה.

תמיסות מרוכזות מאוד של חומצה זרחתית ו/או חומצה גופרית או חומצה חנקתית משמשות לעתים קרובות בליטוש אלקטרו. שלושת החומצות האלו מיוצרות בקונצרן ICL בישראל.

דוגמא לליטוש כימי של אלומיניום המכונה גם "טבילה בהירה", המטרה היא לקבל גימור מבריק וחלק של חלקי אלומיניום. בתהליך זה חלקי אלומיניום שנוקו מראש מוכנסים לתוך אמבט חומצה זרחתית-חנקתית המוחזקת בטמפרטורה גבוהה. תהליך זה כרוך בהתקפה סלקטיבית על "בליטות" הנמצאות על גבי משטח האלומיניום, וכתוצאה מכך המשטח "מתיישר" נעשה חלק, לאחר הליטוש חלקי האלומיניום עוברים תהלכי אנודיזציה (תהליך שבו נוצרת שכבת תחמוצת על פני המתכת באמצעות זרם חשמלי), צביעה ואטימה. דוגמאות לפריטי אלומיניום עם גימור בהיר כוללות גופי תאורה ומחזירי אור, מסגרות דלתות למקלחת, מסגרות לחלונות, מסגרות לתמונות, רהיטי דשא מאלומיניום ועיטורים ברכב, מזוודות ומכשירי חשמל.

יתרונות הטיפול בעזרת חומצה זרחתית

1. עמידות בפני קורוזיה - ציפוי הפוספט יוצר שכבת הגנה שמונעת חלודה וקורוזיה.

2. הגברת היצמדות הצבע - הציפוי משפר את היצמדות הצבע למשטח, מה שמבטיח עמידות גבוהה יותר של הצבע לאורך זמן.

3. שיפור תכונות מכניות - הטיפול משפר את החוזק ותכונות המוליכות של המתכת.

לסיכום

טיפול במשטחי מתכת עם חומצה זרחתית הוא תהליך חיוני בתעשיית המתכות. תהליך זה כולל שני שלבים עיקריים: ניקוי המשטח בחומצה זרחתית וציפויו במלחי פוספט אשר משפרים את עמידות המתכת מפני   לשיפור תכונותיה המכאניות. כיום מערכות הציפוי המבוססות על ברזל פוספט או אבץ פוספט מהוות כ-90% מכלל השוק, כאשר חלוקתן שווה בין שני הסוגים.

שוק הפוספוטציה נמצא בצמיחה מתמדת, בעיקר בשל הביקוש הגובר לפתרונות הגנה מפני קורוזיה ולשיפור עמידות המתכות. תחום זה משמש במגוון רחב של תעשיות, בהן תעשיית הרכב, הבנייה והאלקטרוניקה.

למידע נוסף אודות חומצה זרחתית והשימושים השונים שלה לחצו כאן