PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI ODLEWÓW DO MALOWANIA FARBAMI PROSZKOWYMI

10/3 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI ODLEWÓW DO MALOWANIA FARBAMI PROSZKOWYMI T. LADRA Regionalne Centrum Czystszej Produkcji Łódź Pl. Komuny Paryskiej 5a, 90-007 Łódź STRESZCZENIE W artykule przedstawiono rolę obróbki strumieniowo-ściernej w celu przygotowania powierzchni odlewów metalowych pod powłoki proszkowe. Stwierdzono, że wzrost szorstkości powierzchni odlewu w najwyższym stopniu poprawia właściwości powłok proszkowych, zwłaszcza dla ścierniw nieżelaznych. Key words: Painting of the castings, cleaning, pulver paint coatings. 1. WPROWADZENIE. Ostatnimi laty rośnie zapotrzebowanie na wysokiej jakości powłoki lakiernicze proszkowe na odlewy ze względów antykorozyjnych, dekoracyjnych a także ekologicznych. Coraz częściej odlewy żeliwne, staliwne, a także z metali nieżelaznych są pokrywane farbami proszkowymi o dużej gładkości, połysku, fakturze i bogatej kolorystyce. Powłoki te charakteryzują się również ogromną odpornością na korozję. Spośród wielu technik malarskich - malowanie proszkowe jako jedyne zaliczane jest do katalogu czystszych technologii, a same malarnie proszkowe mogą być lokalizowane w odróżnieniu od malarni na farby rozpuszczalnikowe nawet w centrum zabudowy mieszkaniowej. Ważny jest również walor ekonomiczny malowania proszkowego, które stanowi technologię nie wymagającą wysokich nakładów inwestycyjnych. Nic więc dziwnego, że najbardziej dynamiczny wzrost inwestycji w branży powłok ochronnych notujemy właśnie w malarniach proszkowych. Wdrożenie tej techniki wzbogaca ofertę handlową odlewni w kierunku uruchomienia produkcji gotowych wyrobów rynkowych lub kooperacyjnych. Czy odlewnie mogą również rozwijać tę technologię we własnym zakresie? Nakładanie proszków ceramicznych (emaliowanie) stosowane jest w odlewniach od dawna (wanny, zlewozmywaki). Obserwujemy ostatnio stopniowe rozszerzanie tej

75 techniki na odlewy dla armatury, elektrotechniki, elementy dla budownictwa, gospodarstwa domowego i rolnictwa, gospodarki morskiej, transportu i wielu innych dziedzin z wykorzystaniem farb proszkowych z tworzyw sztucznych (poliester, epoksyd). Przyczynami rozprzestrzeniania się malowania proszkowego w odlewnictwie są przede wszystkim: wysoka jakość powłoki i czystość ekologiczna malarni, a także możliwość nakładania gruntoemalii znacznej grubości za jednym przejściem. Punktem wyjścia jest tutaj stan powierzchni odlewu przed nałożeniem powłoki lakierniczej. Właśnie w przygotowaniu powierzchni metalu do malowania proszkowego pojawiają się dodatkowe wymagania. Nawet najlepsze farby proszkowe bez właściwego przygotowania powierzchni podłoża nie zdadzą egzaminu. Istnieje wiele metod przygotowania powierzchni, które różnią się skutecznością, kosztami, a także oddziaływaniem na środowisko. Wybór techniki przygotowania powierzchni zależy od warunków eksploatacji i generalnie jest zdeterminowany w fazie konstrukcji odlewu. Aby spełnić wymogi jakościowe należy uwzględnić stan wyjściowy powierzchni odlewu przed malowaniem. Stan powierzchni odlewu zależy przede wszystkim od sposobu odlewania - tj. rodzaju metalu i formy. Niektóre techniki odlewania pozwalają uzyskać z formy wysoką gładkość, (ciśnieniowe, precyzyjne, kokilowe lub skorupowe), tak więc przy malowaniu proszkowym można się ograniczyć jedynie do zapewnienia chropowatości powierzchni. Do tego również dodać należy zmiany powierzchni odlewu w czasie składowania i transportu i przetworzenia w kolejnych etapach produkcji. Występowanie wtórnej korozji, trasowanie i obróbka mechaniczna przed malowaniem, środki ochrony czasowej, ciecze chłodnicze i smarujące, kwasy, alkalia to tylko niektóre przykłady wtórnych zanieczyszczeń. Stan końcowy powierzchni odlewu pod powłoki proszkowe musi być jednakowy i powtarzalny: wg PN ISO 8501-1:1996- oznaczenia Sa3 lub Sa2½. 2. WYMAGANIA STANU CZYSTOŚCI POWIERZCHNI ODLEWU POD POWŁOKI PROSZKOWE. Przygotowanie powierzchni odlewu pod powłoki proszkowe powinno zabezpieczyć przede wszystkim usunięcie wszelkich zanieczyszczeń. Jest to wymóg wynikający z elektrostatycznej metody nakładania farby proszkowej, gdzie każde zanieczyszczenie powierzchni stałe, półstałe lub płynne zmienia grubość warstwy proszku stosownie do jego przewodności elektrycznej. Gładka powierzchnia podłoża nie stwarza warunków dla dobrej przyczepności farby proszkowej, która znajduje się w stanie płynnym w bardzo krótkim czasie przebywania w suszarce. Stąd wymóg stosownej chropowatości podłoża osiągany jest różnymi sposobami: od zachowania naturalnych szorstkich powierzchni pochodzących z formy lub z rdzenia procesu oczyszczania ścierniwem, albo nawet w wyniku nakładania powłok konwersyjnych względnie gruntów reaktywnych. Staranne oczyszczenie powierzchni zapewni możliwość pełnego oddziaływania sił powodujących uzyskanie przyczepności farby do podłoża. Nadanie odpowiedniej chropowatości zwiększa

76 powierzchnię styku powłoki z podłożem oraz ułatwia mechaniczne zakotwienie się powłoki w powierzchni metalu. Pod pojęciem chropowatości rozumiemy występowanie określonej struktury geometrycznej wyrażonej jako maksymalna średnia wysokość nierówności (wierzchołka i zagłębienia) poniżej której konieczne byłoby nakładania bardzo grubych powłok. Przyjmuje się, że wartość wysokości nierówności nie powinna przekroczyć 1/3 grubości powłoki organicznej. Według innych źródeł maksymalna odległość pionowa pomiędzy danymi wierzchołkiem, a jego zagłębieniem nie powinna przekraczać 100 mikrometrów (3). Zabezpieczenie przed korozją podpowłokową. Źle wykonana powłoka proszkowa charakteryzuje się w miarę upływu czasu powstawaniem szerokich plam rdzy podpowłokowej. Pomimo spełnienia wymogów odpowiedniej czystości i chropowatości podłoża nie ma pewności co do zabezpieczenia od pojawienia się wykwitów korozji. Stąd konieczność ochrony przed korozją przy pomocy wyrównania chemicznego charakteru podłoża z warstwą farby proszkowej poprzez zapewnienie zgodności jonów kwaśnych i alkalicznych (płukanie wodą demi). Zalecanym zabiegiem jest usuwanie pyłów tlenków żelaza np. przez odmuchanie. 3. STRUMIENIOWO - ŚCIERNE PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI ODLEWU DO MALOWANIA PROSZKOWEGO. Strumieniowo-ścierne przygotowanie powierzchni metalu w odlewnictwie jest operacją podstawową stosowaną od niepamiętnych czasów. Wydawałoby się, że analizując przygotowanie powierzchni pod powłoki proszkowe na odlewach nie znajdziemy żadnych nowych elementów. Jednak tak nie jest, ponieważ głównymi celami obróbki strumieniowo-ściernej w odlewniach było dotąd usunięcie przywartej masy formierskiej i rdzeniowej, podczas gdy przygotowanie powierzchni pod powłoki proszkowe wymaga także wytworzenia chropowatości oraz mechanicznej i chemicznej czystości podłoża. Tymczasem spośród wielu mechanicznych metod oczyszczania powierzchni odlewów jak szczotkowanie, skrobanie i szlifowanie - obróbka strumieniowo-ścierna (gdzie mieszaninę roboczą tworzą ścierniwo i powietrze) zyskała sobie największe uznanie. Rezultaty obróbki strumieniowo-ściernej w dużym stopniu są uzależnione od rodzaju i granulacji ścierniwa, a także od materiału, kształtu, wielkości przedmiotu. Postęp techniczny ostatnich lat w zakresie obróbki strumieniowo-ściernej dokonał się nie tylko w nowych konstrukcjach oczyszczarek pneumatycznych i wirnikowych, co w coraz doskonalszych ścierniwach. Na miejsce śrutu odlewanego o naturalnie zaokrąglonych krawędziach, z materiałów o twardościach zbliżonych do twardości podłoża, gdzie proces obróbki polega głównie na wbijaniu zanieczyszczeń w pory podłoża pojawiły się niezwykle twarde, ostrokanciaste i lekkie ścierniwa skrawające o dużej trwałości w obiegach zamkniętych przystosowane przede wszystkim do metody pneumatycznej natrysku o zmniejszonym zapotrzebowaniu sprężonego powietrza. Do takich ścierniw należy syntetyczny elektrokorund (Al 2 O 3 ), który jest

77 zarazem materiałem wolnym od krystalicznej krzemionki, metali ciężkich i nie posiada właściwości magnetycznych oraz zanieczyszczeń jonowych. Ścierniwo metaliczne, a także odlewy ze stopów żelaza zanieczyszczone jonami żelaza w bardzo krótkim czasie korodują na powietrzu. Także ścierniwo z drutu stalowego ciętego ustępuje elektrokorundowi, ponieważ przy obróbce odlewów cienkościennych może je uszkodzić, a także nie usuwa zanieczyszczeń jonowych i magnetycznych. Obecnie do czyszczenia metali lekkich i kolorowych zamiast piasku używa się elektrokorundu. Pomimo, że koszty jednostkowe czyszczenia powierzchni metalu przy użyciu metody wirnikowej dla usunięcia przywartej masy formierskiej i rdzeniowej, a także rdzy i zgorzeliny są prawie 30-krotnie niższe w porównaniu do metody pneumatycznej, to jednak metoda wirnikowa nie zapewnia do końca uzyskania chropowatości podłoża dla farby proszkowej, ze względu na wbijanie zanieczyszczeń. Natomiast metoda wirnikowa śrutowania pozostaje jako podstawowa technika przygotowania powierzchni stali i żeliwa pod konwencjonalne (ciekłe) powłoki malarskie. Używane ścierniwo elektrokorundu jest odbierane przez producenta dla regeneracji. Podczas czyszczenia powierzchni odlewów metodą strumieniowo-ścierną otrzymuje się najwyższe stopnie czystości (wg PN ISO 8501-1:1996) to jest: Sa3 do powierzchni wzrokowo czystej biały metal, jednolicie zabarwiony. Następuje całkowite usunięcie zgorzeliny, rdzy, starej powłoki i zanieczyszczeń. Sa2½ - bardziej gruntowne oczyszczenie strumieniowo-ścierne. Całkowite usunięcie zgorzeliny, rdzy, starej powłoki malarskiej. Dopuszczalne ściemnienie i przebarwienia szczególnie w miejscach silnego uszkodzenia korozyjnego, ślady zanieczyszczeń w kształcie kropel lub pasków. 4. CHEMICZNE PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI ODLEWU DO MALOWANIA PROSZKOWEGO. Odlewy ciśnieniowe, kokilowe, a także część odlewów precyzyjnych, skorupowych z metali nieżelaznych i niektórych stopów żelaza może być malowana farbami proszkowymi. Decyduje tutaj walor dekoracyjny, ponieważ tradycyjne malowanie farbami ciekłymi nie zabezpiecza często wymaganego standardu w zakresie jakości. Poza tym prawidłowo położone farby proszkowe są wysoce odporne na korozje w środowiskach chemicznych. Wszystkie zanieczyszczenia powierzchni odlewów ze stopów żelaza oraz metali nieżelaznych można usunąć metodami chemicznymi, tworząc struktury powierzchniowe podłoża w pełni kwalifikujące się do malowania proszkowego. Metody chemiczne umożliwiają nie tylko odtłuszczenie powierzchni, ale także uzyskanie czystości podłoża równorzędnej wielkości Sa = 2½ i Sa = 3 dla obróbki strumieniowo ściernej. Czystość taką zapewnia trawienie tlenków na powierzchni metalu. Wymagane chropowatości podłoża niezbędne dla uzyskania przyczepności farby proszkowej uzyskujemy w wyniku nałożenia warstwy powłoki konwersyjnej pośredniej pomiędzy podłożem, a warstwą farby. Warstwa ta tworzy sieć ściśle zrośniętych z podłożem żelaznym lub cynkowym kryształów soli kwasu fosforowego,

78 a dla podłoża aluminiowego warstwę zrośniętych porowatych chromianów. Tak więc metody chemiczne pod względem jakości przygotowanego podłoża do malowania proszkowego nie ustępują metodom strumieniowo ściernym. W kosztach jednostkowych, a także w dostosowaniu do przedmiotu (kształt, wymiary, grubość ścianki itp.) wybór należy analizować indywidualnie. Obróbka chemiczna jako prowadzona w zanurzeniu wykazuje lepszą penetrację do powierzchni trudno dostępnych w metodzie strumieniowo ściernej. Inne rodzaje chemicznego przygotowania powierzchni odlewu obowiązują dla stopów żelaza, a inne dla obróbki odlewów z metali nieżelaznych. Jeśli wymagane jest dokładne usunięcie zanieczyszczeń konieczna jest obróbka chemiczna. Fosforanowanie żelazowe żelaza metodą natryskową Fosforanowanie natryskowe przewyższa jakością fosforanowanie zanurzeniowe z uwagi na wyższą skuteczność działania wynikającą ze wsparcia procesu dodatkową energią kinetyczną. Pojawienie się kąpieli odtłuszczająco fosforanującej wytwarzającej w 1 operacji powłokę pozwoliło wyeliminować płukanie międzyoperacyjne. Po dokonaniu odtłuszczania z jednoczesnym fosforanowaniem następnym zabiegiem jest wielokrotne płukanie wodą wodociągową (kaskadowe). Zaleca się przed ostatecznym płukaniem wodą zdemineralizowaną stosować pasywację, której zadaniem jest przeciwdziałać wyższym zagrożeniom korozyjnym przez zwiększenie przyczepności farby do podłoża. Odporność korozyjna pomalowanych części stalowych wynosi 250h testu w komorze solnej, natomiast z pasywacją osiąga wartość blisko 500h. Przygotowanie powierzchni aluminium metodą chromianowania żółtego Proces zaczyna się od odtłuszczania i jednoczesnego trawienia części w kwaśnej kąpieli. Osiąga się to przez zanurzenie aluminium w kąpieli o stężeniu 5-10% - w celu wytrawienia warstwy tlenkowej. Po wypłukaniu detale są zanurzone w kwaśnej kąpieli chromianowej w celu wytworzenia na czystym aluminium konwersyjnej powłoki chromianowej. Kąpiel ta ma bardzo niskie stężenie (1%). Warunkiem prawidłowego pochromianowania jest utrzymanie ph kąpieli w granicach 1,8 2.2. Po wyjęciu części z kąpieli przeprowadzamy kaskadowe (2x) płukanie wodą wodociągową, a następnie wodą zdemineralizowaną, co podwyższa i tak wysoką jakość powierzchni metalu. Odtłuszczanie i trawienie aluminium jest operacją stanowiącą absolutne minimum przy malowaniu detali aluminiowych. Dla przeciwdziałania ewentualnej korozji podpowłokowej przy braku szczelności powłoki proszkowej zalecane jest tradycyjne chromiano - wanie żółte lub inne równorzędne. Pełny proces prezentuje rysunek. Zabieg ten jest konieczny również w celu potwierdzenia zgodności z międzynarodowymi systemami jakości jak np. GSB lub Qualicoat. Płukanie to jest również zalecane w przypadku użytkowania przez zakład wody z ujęć lokalnych o wysokiej twardości lub zasoleniu. Po wysuszeniu można nanosić warstwę farby proszkowej, samo odtłuszczanie jest to zabieg nieskuteczny, ponieważ dopiero trawienie daje dobrą przyczepność farby do

79 podłoża. Należy podkreślić, że popularny proces anodowania nie może zastąpić chromianowania, a w wielu przypadkach obniża przyczepność farby do podłoża. Ze względu na wytworzenie się pewnej ilości chromu Cr 3 lub Cr 6 proces ten pomimo znakomitych rezultatów technicznych jest stopniowo wycofywany. Stosowanie technologii bezchromowych, jak powłoki konwersyjne na bazie polimerów, soli tytanowych lub cyrkonowych przyczynia się do uzyskania dobrej odporności korozyjnej i zapewnia bardzo dobrą przyczepność farby do podłoża. Sama kąpiel jak również poprzedzające ją płukania muszą być prowadzone na wodzie zdemineralizowanej. Postęp techniczny w zakresie chemicznego przygotowania powierzchni do malowania w ostatnich latach dokonał się przede wszystkim przez wprowadzenie do praktyki przemysłowej kąpieli wielozabiegowych jak np.: - do jednoczesnego odtłuszczania i fosforanowania żelazowego stali, - do jednoczesnego odtłuszczania i trawienia aluminium. Do dalszych kierunków postępu zaliczyć należy: - skrócenie czasów obróbki do 1 3 minut dla natrysku i 2 10 minut dla zanurzania, - znacznego obniżenia temperatury kąpieli, - obróbki przy pomocy jednej kąpieli różnych metali np. żelaza, aluminium, cynku i ich stopów, - zmniejszenie masy powłoki, co znacznie zwiększa jej odporność mechaniczną stanowiąc zarazem idealne podłoże pod powłoki proszkowe, - ukierunkowanie technologii na ochronę środowiska np. bezchromowe metody pasywacji. 5. ZAKOŃCZENIE Coraz wyższe wymagania odbiorców odlewów (kooperantów) w zakresie jakości wykończenia powierzchni, a także nałożenia powłok nie tylko ochronnych, ale również dekoracyjnych spełniających szczególne wymagania nawet w zakresie lokalizacji malarni powoduje wzrost zainteresowania nowymi technologiami nakładania farb w tym farb proszkowych. Decydującym zabiegiem o jakości powłoki proszkowej jest przygotowanie powierzchni podłoża. Podstawowymi metodami przygotowania powierzchni są obróbka strumieniowo ścierna i obróbka chemiczna. Strumieniowo ścierne przygotowanie powierzchni do malowania proszkowego musi zapewnić niezbędną czystość mechaniczną, a także chropowatość podłoża. Dominującą techniką przygotowania powierzchni odlewów żeliwnych i staliwnych do malowania proszkowego pozostaje metoda strumieniowa ścierna pneumatyczna pod warunkiem doboru ścierniwa czystego, o dużej skrawalności i żywotności dla uzyskania wymaganej chropowatości podłoża. Metoda strumieniowo ścierna zapewnia również wysoki standard ekologiczny obróbki, a także korzystny 2-10 krotnie

80 niższy koszt jednostkowy obróbki. Najlepszym sposobem przygotowania powierzchni jest tutaj pneumatyczna obróbka elektrokorundem. Magazyn aluminium zanieczyszczonego substancjami: 1. Płynnymi 2. Półstałymi 3. Stałymi Odtłuszczanie i chromianowanie Obróbka strumieniowo - ścierna Legenda: Wyroby Media i chemikalia Odtłuszczanie i trawienie Płukanie 2x Ścieki, pyły Chemikalia, media Stacja sprężarek Mycie i suszenie Oczyszczarka pneumatyczna komorowa Chromianowanie Stacja odpylania Pyły Płukanie 2x Instalacja wody demi Płukanie wodą demi Woda demi Stopień czystości powierzchni metalu Sa 2 ½ - 3 Pyły Suszenie Oczyszczalnia ścieków - ze stacji demi - z odtłuszczania i trawienia - z chromianowania Ścieki, obojętne osady Malarnia proszkowa Środowisko (otoczenie) Dla odlewów z metali nieżelaznych (kolorowych i lekkich jak np. ze stopów Al, Zn, Mg, Cu) uzyskujących wysoką gładkość z form: kokilowej, precyzyjnej, skorupo-

81 wej i ciśnieniowej wymagany zakres chropowatości powierzchni może być uzyskany obróbką chemiczną. Szczególnie dotyczy to odlewów o skomplikowanych kształtach wymagających obróbki zanurzeniowej. Niezależnie od obróbki strumieniowo ściernej przy relatywnie coraz niższych kosztach chemicznego przygotowania powierzchni odlewu technologie chemiczne wzbudzają coraz większe zainteresowanie zwłaszcza dla odlewów ze stopów metali lekkich i kolorowych. LITERATURA. [1] J. Andziak: Czynniki ekologiczne w technice strumieniowo ściernego oczyszczania odlewów. Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Konferencja Czystsze technologie w odlewnictwie, Łódź Rogów 9-10.11.2001 r. [2] A. Kozłowska: Chemiczne przygotowanie powierzchni przed malowaniem proszkowym. IMP Warszawa, Lakiernictwo Przemysłowe, 1-4.2000. [3] E. Błachowicz: Chemiczne przygotowanie powierzchni przed nanoszeniem powłok metalowych. Instytut Mechaniki Precyzyjnej. Konferencja Czystsze technologie powłoki metalowe, Łódź Rogów 6-7.12.2001 r. [4] T. Ladra: Niektóre aspekty środowiskowe malowania proszkowego. Regionalne Centrum Czystszej Produkcji Łódź, Konferencja Instytutu Mechaniki Precyzyjnej - Malowanie proszkowe, Warszawa, 20.02.2002 r. [5] J. Andziak, M. Marcinkowski: Elektrokorund z firmy POLMINERAL doskonałym ścierniwem do przygotowania powierzchni pod powłoki antykorozyjne. Ochrona przed korozją nr 4/2000 r. SUMMARY PREPARING OF CASTING SURFACES FOR PAINTING WITH THE PULVER PAINTS Using pulver paint coatings for castings can bring several advantages. The essential factor for this is the correct preparation of casting surfaces for painting in dependance on the as cast state of the surface. The requirements in relation to the cleanness state of casting surface under the pulver coatings was discussed and then two methods of preparing of casting surface for pulver casting were presented, namely the shot-blasting and chemical method. The conditions for carrying out both kinds of treatments were discussed precisely as well as the progress done in last years in these scopes. Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski.