Предварительная обработка: следующее поколение

Опасения по поводу роста стоимости энергии и ужесточения ограничений на выбросы в окружающую среду стимулировали исследования и разработки альтернативных технологий предварительной обработки. Эти продукты могут быть идентифицированы по конкретным торговым наименованиям или по общим описаниям, таким как нанотехнологии, силановые технологии или предварительная обработка без фосфора.

Большинство из этих новых технологий реагируют аналогичным образом, поскольку они содержат аналогичные ключевые компоненты для создания преобразования поверхности. Эти химические составы на основе фтора не только работают при температуре окружающей среды, но также генерируют минимальный осадок, в то же время производя стойкое к коррозии покрытие, которое может даже улучшиться по сравнению с обычным фосфатом железа с добавлением различных нерегулируемых переходных металлов или полимеров.

Большинство поставщиков используют соединения на основе циркония, ванадия, титана или кремния с органической или неорганической полимеризацией или без нее. Беглый взгляд на периодическую таблицу элементов показывает, что эти материалы расположены в той же общей области, что и хром, материал, который годами используется для долговременной коррозионной стойкости.

Соединение этих материалов с органическим полимерным компонентом привело к значительным новым возможностям предварительной обработки. Различные поставщики используют вариации в этих новых химических составах для достижения конкретных результатов. Взгляд на продукты, доступные от нескольких поставщиков, показывает много сходств, но некоторые индивидуальные различия, которые могут предложить преимущества, отличные от других продуктов. Чтобы лучше понять варианты, доступные в новых технологиях предварительной обработки, мы спросили несколько известных поставщиков химических веществ об их продукции.

Альтернативные металлы

Наряду с фосфатами, ионы цинка и никеля были основой фосфатного процесса в течение последних 60 лет. Многие компании, занимающиеся предварительной обработкой, инвестируют в исследования для разработки конверсионного покрытия, которое ограничивает зависимость от цинка и никеля, а в некоторых случаях от фосфата, при соблюдении новых правил.

Разработка подходящей замены не была легкой. Поставщики оценивали наночастицы, цирконий, ванадий, титан, полимеры и ионы других металлов либо сами по себе, либо в комбинации. Некоторые из полученных процессов требуют нагревания; другие нет. Вес покрытия может варьироваться от поставщика к поставщику, но в целом он ниже, чем у традиционного фосфата цинка, в диапазоне от 15 до 100 мг / кв. Фут в зависимости от химического состава. Технологии с меньшим весом покрытия имеют тенденцию к получению более тонких покрытий, что может сократить время обработки, если скорость осаждения будет такой же или выше. Многие из новых, более экологически чистых покрытий основаны на смешанных оксидах металлов с использованием циркония в качестве основы. Они наносят конверсионное покрытие, которое не содержит регулируемых тяжелых металлов и фосфатов. Удаление тяжелых металлов позволяет таким системам оставаться практически без осадка и сводит к минимуму проблемы очистки сточных вод.

Покрытия на основе циркония часто применяются при работе с несколькими металлами и часто не требуют нагрева. Исключение технологического нагрева экономит энергию, и дополнительная экономия может быть достигнута при уменьшении объема воды, утилизации отходов и шлама. В большинстве случаев новые технологии конверсионного покрытия могут уменьшить количество необходимых стадий предварительной обработки, что приводит к сокращению процесса и снижению требований к техническому обслуживанию.

Kаждая из предварительных обработок на основе фосфата железа и циркония имеет две ступени нагрева, а на фосфате цинка - три. Экономия энергии от такого изменения может составить до 50 000 долларов в год или более на типичной установке. Дополнительная экономия достигается за счет снижения потребления воды и снижения требований к обработке отходов, поскольку покрытия типа оксида циркония не образуют осадок традиционных процессов. При утилизации шлама из системы фосфата цинка, производящей приблизительно 1 000 тонн / год, при $ 25 / тонна ежегодная экономия затрат становится значительной.

Меньшее количество ступеней и меньшее количество ступеней нагрева также означают более низкие затраты на техническое обслуживание, поэтому может быть дополнительная экономия труда и материалов для обслуживания. В целом, использование может потенциально сэкономить до 100 000 долларов в год. Предварительная обработка оксида циркония позволяет получать покрытия весом от 5 до 100 мг / кв. Фут с достаточно высокими скоростями, что может снова уменьшить размер всей производственной линии. Для сравнения, цинк-фосфатные покрытия имеют вес от 150 до 300 мг / кв. Фут. Несмотря на их меньший вес, предварительная обработка оксида циркония может обеспечить достаточную коррозионную и адгезионную способность при использовании с хорошей основой и системой окраски. Коррозионные характеристики могут быть несколько ниже, чем у фосфата цинка, но он соответствует многим спецификациям.

Во многих отношениях эти продукты могут показаться слишком хорошими, чтобы быть правдой, но каждая технология имеет ограничения. Предварительная обработка на основе циркония обычно лучше всего работает в системах предварительной обработки из нержавеющей стали и может быть сложной для систем из углеродистой стали. Они часто требуют очень хорошего качества воды, поэтому может потребоваться вода DI или RO. Они относительно нетерпимы к остановкам линий. Прогнозы стоимости должны принимать во внимание эти вопросы, принимая во внимание, что стоимость за галлон также будет выше - возможно, до 40% - по сравнению с обычными продуктами предварительной обработки фосфатом железа.

Silane Chemistries

Другими новыми продуктами предварительной обработки являются химические составы на основе силана, в которых используется наноразмерная технология, обеспечивающая хорошую коррозионную стойкость и отличные результаты адгезии покрытия без нагрева. Как и в случае предварительной обработки на основе циркония, эти составы также снижают расходы на удаление отходов и техническое обслуживание за счет уменьшения количества ила. Также может быть экономия потребления воды для полоскания, потому что полоскание после обработки является более чистым, чем полоскание после обработки фосфатом. Молекула силана представляет собой атом кремния в сочетании с органической молекулой. В этих продуктах используются более сложные силаны, описанные поставщиком как «органофункциональные». Органофункциональная молекула силана имеет группу, которая реагирует и образует стабильные связи с металлами или гидроксидами металлов, и группу, которая реагирует и образует стабильные связи с органическими группами в смолах краски.

Органофункциональные силаны вступают в реакцию с водой на химическом производственном объекте с образованием поликонденсатов, которые сохраняют свойства силана, связанные с краской и металлическими связями, в более экологически чистой форме. Производительность дополнительно улучшается за счет использования нерегулируемых металлов для избирательного и предпочтительного связывания с металлическим субстратом, обеспечивая лучшие коррозионные характеристики, чем химический состав, содержащий только силан. Состав этих металлов в высокопроизводительном силановом продукте тщательно сбалансирован, чтобы обеспечить идеальную скорость осаждения металла на подложку, что оптимизирует характеристики покрытия. Продукты на основе силана могут использоваться в обычных трехступенчатых системах предварительной обработки и могут использовать обычную городскую воду. Однако для готовых изделий, требующих более высоких стандартов коррозионной стойкости, может потребоваться больше ступеней и воды более высокой чистоты.

Алюминиевые подложки

Алюминиевые поверхности должны быть обработаны перед нанесением покрытия для обеспечения адгезии покрытия и коррозионной стойкости, а хроматы уже давно используются для алюминиевых изделий, которые будут использоваться на открытом воздухе. Chrome имеет долгую историю как высококачественный метод предотвращения коррозии, но чувствительность к проблемам окружающей среды и безопасности работников, связанная с хромом, заставляет рынок искать альтернативы. Один новый продукт, который показал некоторые уникальные свойства, не является конверсионным покрытием и не содержит металлов. По словам поставщика, он не образует кристаллический слой, не требует времени выдержки для создания пленки или требует удаления или разрушения поверхностных оксидов для создания пленки. Он также не осаждается и не требует химических испытаний для работы.

Итак, как это работает?

Формируя ковалентную связь непосредственно с оксидом алюминия, химическое вещество создает тонкое гидрофобное барьерное покрытие, способное защитить алюминий от дальнейшего окисления, блокируя доступ к поверхности коррозийных материалов. Упомянутый как золь-гель, химия дает очень тонкую твердую пленку толщиной 50–500 нм. В отличие от обычной предварительной обработки алюминия, она не включает удаление защитного оксидного слоя, который естественным образом существует на алюминиевых подложках. Скорее, молекулы предварительной обработки предназначены для глубокого проникновения в нанопоры в оксиде алюминия и самостоятельной сборки до 100 слоев сильно сшитого полимера. Концентрация рабочего раствора может регулироваться для контроля толщины покрытия. Более высокая концентрация раствора даст более толстое покрытие для контроля коррозии на голых алюминиевых поверхностях, а более низкая концентрация - более тонкое покрытие для предварительной обработки краски. Органические функциональные группы в полимере связываются непосредственно с любым нанесенным покрытием или краской, по словам поставщика.

Примеры стоимости

Затраты на химические вещества для предварительной обработки нового поколения обычно выше, чем для обычной химии фосфата железа - возможно, на 40% выше. Увеличение стоимости необходимо сопоставить с экономией потребления энергии и соблюдением экологических норм, чтобы определить, имеют ли смысл новые предварительные обработки для вашего применения. Вот несколько примеров анализа затрат от одного поставщика. Энергосбережение. Идеальный финишер для подтверждения экономии энергии будет использовать газ только для работы системы предварительной обработки и отверждения краски. Один такой пользователь измерял расход газа с помощью счетчика, предназначенного только для стиральной машины и печи для отверждения. После 10 месяцев работы компания прогнозирует ежегодную экономию в размере 120 000 долл. США благодаря внедрению системы очистки / нанесения покрытий на основе ванадия в две шайбы. Обе шайбы (3000 галлонов и 5000 галлонов) используют одну ступень для очистки / предварительной обработки и две стадии полоскания. Оба ранее работали при 130 ° F.

Экономия на переработке отходов. Установка для нанесения порошкового покрытия, предназначенная для обработки гальванизированных и холоднокатаных стальных деталей, использует шестиступенчатую систему предварительной обработки фосфата железа с ускорением хлората. Финишер сбрасывает на общественную очистку воды и использует катионный кондиционер и флокулянт в равных объемах для очистки от цинка и фосфата. Компания провела тестирование, чтобы оценить экономию очистки сточных вод от замены ускоренного хлоратом фосфата железа до предварительной обработки на основе ванадия с очень низким содержанием фосфата или без него. Результаты были рассчитаны как количество химикатов для очистки сточных вод, необходимое для обработки 1000 галлонов химического состава для обработки поверхности. Ванна с фосфатом железа содержала 8430 ч / млн фосфата; Образцы для альтернатив с низким и без фосфата содержали 120 и 0 частей на миллион фосфата соответственно. Все три образца были обработаны фосфатом до уровня 20 ч / млн.

При средней стоимости 6,655 долл. США / галлон для катионного кондиционера и флокулянта стоимость обработки для химии фосфата железа составила 359,57 долл. США / 1000 галлонов. Стоимость лечения 1000 галлонов альтернативы с низким содержанием фосфата составляла 4,99 доллара, а стоимость альтернативы без фосфата равнялась нулю.