بیش از یک قرن است که پوشش های تبدیلی آهن فسفات  و روی فسفات سنتی به عنوان آماده سازی برای رنگ آمیزی بسیاری از فلزات مورد استفاده قرار گرفته است. این آماده سازی نتیجه بخش بوده است. در هر حال علاوه بر قوانین زیست محیطی که تخلیه فسفات را با محدودیت مواجه کرده است ،  قیمت بالای روی و فسفات و نیزلزوم  مقاومت بالا انگیزه تولید و گسترش جایگزین های غیر فسفاته را جدی تر کرده است.

Traditional iron phosphate and zinc phosphate conversion coatings have been used for more than a century as pretreatments for painting over a variety of metals. These “legacy” phosphate pretreatments have served well; however, environmental regulations restricting phosphate discharge, increased phosphate and zinc costs, and higher corrosion-resistance requirements have provided impetus for the development of non-phosphate alternatives.

حین ارزیابی فناوری های گوناگون روش جدید آماده سازی پوشش تبدیلی غیر فسفاته علاوه بر تاثیرات امیدوارکننده زیست محیطی ، باعث صرفه جویی زیادی در هزینه و منافع عملی می شود.

During the evaluations of the various technologies, it was discovered that these new non phosphate pretreatment conversion coatings conferred significant cost savings and operational benefits along with their promised decreased environmental impact.

با در نظر گرفتن آزمایشات در هزاره کنونی این پوشش های تبدیلی توجهات زیادی را در بازار آماده سازی  به خود جلب کرد و به سرعت به فناوری انتخابی آماده سازی رنگ و پودرهای پوششی تبدیل شد.

هدف این مقاله ایجاد اطلاعات زمینه ای برای آماده سازی نوین غیرفسفاته و پاسخ به سوالات متداول درباره پوشش های تبدیلی غیرفسفاته است.

Considered new and experimental in the New Millennium (Y2K), these nonphosphate conversion coatings have gained significant traction in the pretreatment market and are rapidly becoming the technology of choice for paint and powder coating pretreatment.

 The purposes of this article are to provide background information for those new to non-phosphate pretreatments, and to answer

some frequently asked questions about the non-phosphate conversion coatings

پوشش فلزات واسطه چیست؟

اگراز آهن فسفات و روی فسفات به عنوان فسفات فلز متداول  یاد کنیم، می توان نام " فسفات فلزات واسطه[1]" را به این روشهای آماده سازی غیرفسفاته اطلاق کرد. در ادامه این مقاله به این پوشش ها نام اختصاری TMC اختصاص داده خواهد شد.

WHAT ARE TRANSITION METAL COATINGS?

If iron phosphate and zinc phosphate can be referenced as “Traditional Metal  Phosphates”, the new non-phosphorus pretreatments can rightly be called "Transition Metal Coatings" (and will be referenced as “TMC” coatings in the remainder of this paper).

عبارت "فلزواسطه" به موقعیت فلزات در جدول تناوبی عناصر اشاره می­کند و عبارتی است که شیمی­دانان از آن برای توصیف موقعیت گروه در جدول تناوبی از آن استفاده می­کنند.

The term “transition metal” refers to a metal’s position in the Periodic Table of the Elements, and is a term chemists use to describe the location of a group on the Table.

زیرکونیوم در مرکز گروه عناصر در جدول تناوبی قرار گرفته و به عنوان عنصری نسبتا دوستدار محیط زیست شناخته شده است. ( شکل 1 را مشاهده کنید.) اکسید زیرکونیوم، تیتانیوم و/ یا وانادیوم فلزات واسطه ای هستند که دارای بیشترین مصرف در زمینه پوشش های فلزی  هستند، زیرکونیوم فلز واسطه ی  شناخته شده تری نسبت به بقیه است.

Zirconium (Zr) is at the center of a group of elements in the Periodic Table that are considered relatively environmentally friendly. (See Figure 1) Oxides of zirconium, titanium, and/or vanadium are the most commonly used transition metal coatings, with zirconium as the most frequently encountered transition meta

توجه کنید که موقعیت این فلزات نزدیک به کروم است. گفتنی است که هر چه موقعیت دو عنصر در جدول به هم نزدیکتر باشد آن دو عنصر خواص مشابه تری از خود نشان می دهند.

Note the location of these metals relative to chromium. The closer two given elements are to each other on the Periodic Table, the more similar their properties.

اولین کاربرد ثبت شده از زیرکونیوم اکسید روی فولاد به سال 1996 بر میگردد، زمانی که  اولین سیلر شست  شوی غیرکرومی برپایه زیرکونیوم معرفی و به عنوان جایگزین پوشش های تبدیلی فسفاته به کار گرفته شد. این سیلر مشابه سیلرهای شست و شوی کرومی که دارای مصرف متداول هستند، مقاومت بالایی در برابر خوردگی از خود نشان می داد.

The first recorded application of zirconium oxide on steel was in 1996, when the first non-chrome seal rinse based on zirconium was introduced. Applied over a traditional metal phosphate conversion coating, The sealer conferred corrosion resistance that was close to that offered by the chromium seal rinse that had traditionally been used.

در سال 1998 علم شیمی به فکر جایگزینی کروم در پوشش های تبدیلی روی آلومنیوم افتاد. پیشینه اولین کاربرد فولاد به سال 2002 بر میگردد.

The chemistry was then modified in 1998 to serve as a chromium replacement for conversion coating on aluminum. The first applications for steel arrived in 2002.

زیرکونیوم اکساید ماده ای تطبیق پذیر است، به طوری که هم می تواند به صورت سرامیک پخته در آید و هم اینکه به صورت مذاب، زیرکونیوم مکعبی،  در جواهرسازی به کار گرفته شود.روکشی که از فلزی فعال در ماده ای غیر فعال  مانند زیرکونیوم مکعبی ساخته شده  و سپس با ماده ای آلی مقاوم به خوردگی پوشش داده می شود را تصور کنید. هدف پوشش های مدرن فلزات واسطه که اولین بار به عنوان نانوسرامیک معرفی شد دستیابی به این ساختار است. 

Zirconium oxide is a very versatile material, taking on such varied forms as ceramic bake ware, or when fused as jewelry, cubic zirconia.Imagine cladding   a reactive metal in an inert substance like cubic zirconia, then applying a corrosion- resistant organic coating. This is the promise of the modern transition metal coatings, once referenced as nano-ceramic.

شکل 2 ضخامت نسبی زیر سازی را نمایش می دهد. اندازه گیری ضخامت نسبی زیرسازی های به کار گرفته شده نشان می دهد که زینک فسفات سنگین ترین و ضخیم ترین زیرسازی بوده  که منجر به رسوبدهی لایه معدنی با ضخامت 1000تا 5000 نانومتر می شود. (پاورقی 1)

Figure 2 shows the relative thicknesses of the pretreatments. When gauging relative thickness of applied pretreatments, zinc phosphates are by far the heaviest and thickest pretreatments, depositing a mineral layer of some 1000 to 5000 nanometers (nm) in thickness. (Footnote 1)

فسفات آهن نوعا پوشش 250 تا 500 نانومتری را به کار میگیرد . زیرسازهایTMC  حدودا50   نانومتر بوده و ضخامت تقریبی 200 نانومتری دارند. این پوشش ها کوچک ترین و نازک ترین زیرسازها بوده  و بسیار نازک تر از فسفات های فلزی متداول که قبلی هستند.

Iron phosphate applies typically a 250 to 500 nm thick coating. TMC pretreatments are approximately 50 nm, with some approaching 200 nm in thickness. They are the smallest, thinnest of the pretreatments, and are much thinner than the traditional metal phosphates they replace.

مشابه فسفات های متداول قبلی ، زیرسازهای TMC گسترده ای از رنگ ها را از بی رنگ تا برنزی ،  طلایی و آبی براق را از خود  نشان می دهند.

Much like traditional phosphates, TMC pretreatments can exhibit an array of colors, from nearly colorless, to tan, gold, and iridescent blue.

مطالعات نشان می دهد که شکل ظاهری فلز زیرسازی شده با ضخامت پوشش به کار گرفته شده در ارتباط است. زمانی که بستر از جنس فولاد نرم است همان طور که پوشش کامل تر می شود رنگ پوشش از ظاهر اصلی بستر به سمت طلایی روشن یا برنزی ، سپس طلایی تیره ، آبی روشن و طلایی ، و در ادامه به سمت آبی  ، آبی براق تغییر می یابد. در همین راستا  و به طور هم زمان وزن و ضخامت پوشش نیز افزایش پیدا میکند.

Investigation has revealed that the appearance of pretreated metal is related to the thickness of applied coating. When the substrate is mild steel, the coating color goes from the original appearance of the substrate to light gold or tan, to a deep gold, to light blue and gold, to blue, to deep iridescent blue as the coating becomes more complete and increases in coating weight or thickness.

مشابه فسفات های متداول مصرفی با افزایش یک مورد یا بیشتر از متغیرهای زیر پوشش بالاتر خواهد رفت. متغیر های ذکر شده عبارتند از غلظت شیمیایی، زمان تماس، فشار( اسپری) یا تلاطم غوطه وری و دما.

As with traditional phosphates, the coating will become higher with increases in one or more of the following variables: chemical concentration, contact time, pressure (spray) or agitation immersion), or temperature

متغیرهای عمده دیگری که ظاهر پوشش را تحت تاثیر قرارمی دهند نوع و جنس فولاد کالای آبکاری شده و مراحل ساخت  آن است. اعمال گرما، جوشکاری، خردایش،  خمش، انفجار و سایر فرایندهای تولید، میزان کربن و اهان را در سطح تحت تاثیر قرار می دهد.  

Another significant variable that impacts appearance of the coating is the type of steel a finished good is made from and the fabrication steps required to produce it. Heat treatment, welding, grinding, bending, blasting and other common manufacturing processes impact the amount of carbon (or scale) and iron at the surface of the part.

هرچه کربن بیشتری در سطح موجود باشد سطح فعالیت کمتری در برابر محلول زیرسازی از خود نشان خواهد داد. هرچه آهن بیشتری در سطح موجود باشد سطح نسبت به محلول زیرسازی فعالیت بیشتری از خود نشان خواهد داد. تصاویر زیر صفحات فولاد نرم و فولاد نورد گرم  را نشان می دهد. هر دو این صفحات از طریق فرایند زیر سازی پنج مرحله ای آماده می شوند. (تمیز سازی سطح، شست و شو، TMC ، شست و شو و سیل نهایی) فولاد نورد سرد حتی به رنگ آبی تیره و فولاد نورد گرم در نتیجه دارا بودن مقادیر بالای کربن در سطح  حتی می تواند به رنگ خاکستری درآید.

The more carbon at the surface, the less reactive the surface is to the pretreatment solution. The more iron at the surface, the more reactive the surface is to the pretreatment solution. The photos below show a mild steel and hot rolled steel panel. Both panels were processed through a five-stage pretreatment process (Clean, Rinse, TMC, Rinse, Final Seal). The cold rolled steel is an even deep blue and the hot rolled steel is an even grey color because of the high carbon content at its surface.