Электрофорезное покрытие: определение, оборудование и области применения.

Электрофоретическое нанесение покрытий — распространенный процесс, используемый в автомобильной промышленности. В этой статье мы рассмотрим, что такое электрофоретическое нанесение покрытий и как оно работает.

Что такое электрофоретическое покрытие?

Электрофоретическое нанесение покрытия — это процесс нанесения покрытия, при котором обрабатываемая деталь погружается в водорастворимую краску и служит одним из электродов, либо катодом, либо анодом. Между двумя полюсами подается соответствующий электрод, и постоянный ток (DC). Под воздействием электрического поля заряженные частицы краски перемещаются направленно к поверхности детали, где они разряжаются и осаждаются, образуя пленочное покрытие.

Методы электрофоретического нанесения покрытий обычно классифицируются в зависимости от характеристик краски и полярности покрываемой детали.

Процесс называется анодным электрофоретическим покрытием, когда заготовка выступает в качестве анода и используется анионная краска. И наоборот, когда заготовка выступает в качестве катода и используется катионная краска, это называется катодным электрофоретическим покрытием. В настоящее время более 90% автомобильных кузовных покрытий в мире используют катодное электрофоретическое покрытие.

Хотя анодные электрофоретические покрытия дешевле, их коррозионная стойкость уступает катодным электрофоретическим покрытиям. Следовательно, почти все производители в настоящее время используют катодные электрофоретические покрытия. Электрофоретическое покрытие обеспечивает однородную поверхность с превосходной адгезией и подходит для покрытия заготовок сложной формы, оно даже может наносить пленки на внутренние поверхности полостей. Однако оборудование сложное, требует больших инвестиций, а выбор подходящих покрытий ограничен, в настоящее время ограничиваясь водорастворимыми и водоэмульгированными красками.

Процесс электрофорезного покрытия

Электрофоретическое нанесение покрытия — это чрезвычайно сложная электрохимическая реакция. Независимо от того, катодный или анодный это процесс, он включает в себя четыре типичных механизма, действующих одновременно: электрофорез, электроосаждение, электроэндосмос и электролиз. В этом процессе ионизированная смола в диспергированном в воде покрытии диссоциирует на заряженные коллоидные частицы. Благодаря совместному воздействию этих четырех механизмов в постоянном электрическом поле эти частицы мигрируют к поверхности заготовки и разряжаются, образуя изолирующую пленку покрытия.

Электрофорез

Электрофорез — это процесс, при котором заряженные коллоидные частицы движутся к электроду с противоположной полярностью под действием электрического поля. Во время электрофореза незаряженные пигменты и частицы пигмента-наполнителя также могут адсорбироваться на заряженных коллоидных частицах и перемещаться вместе с ними. Как правило, более низкое содержание твердых веществ и более низкая вязкость раствора для нанесения покрытия приводят к меньшему сопротивлению электрофорезу.

Электроосаждение

Электроосаждение — это процесс, при котором заряженные коллоидные частицы достигают электрода (заготовки) противоположной полярности и разряжаются, образуя нерастворимую, изолирующую пленку. В отличие от гальванического осаждения , проводимость пленки при электрофорезе изменяется, превращая ее в изолятор. Электроосаждение сначала происходит в местах концентрации линий электрического поля на поверхности заготовки. По мере увеличения толщины и площади изолирующей пленки значительно возрастает и электрическое сопротивление.

Электроэндосмос

Электроэндосмос — это движение дисперсионной среды в направлении, противоположном направлению движения заряженных частиц. В процессе электрофореза образуется вновь сформированная пленка, представляющая собой полупроницаемую мембрану с высоким содержанием воды. Под воздействием силы электрического поля и внутренней осмотической силы вода и ионы внутри пленки подвергаются направленному электроэндосмосу и антиэлектрофоретическому движению, проникая в раствор. Как правило, эффект обезвоживания, достигаемый с помощью электроэндосмоса, может снизить содержание воды в пленке на 5–15%.

электролиз

Вода подвергается электролитической реакции в постоянном электрическом поле, выделяя водород на катоде и кислород на аноде. Это приводит к повышению значения pH на катоде и снижению pH на аноде. Более высокая проводимость раствора приводит к более интенсивной электролитической реакции; большие изменения pH на электродах и большее количество пузырьков приводят к большему количеству микропор и более шероховатой пленке покрытия. Таким образом, хотя электроосаждение является основной реакцией процесса, электролиз является критическим фактором, влияющим на качество пленки. Хотя анодный электрофорез требует меньших инвестиций в оборудование и меньших затрат на краску, он страдает от низкой коррозионной стойкости и более низкого напряжения. По сравнению с анодными пленками, катодные электрофоретические покрытия обеспечивают в 3-4 раза большую защитную способность, вдвое больший кулоновский эффект и в 1.2-1.4 раза большую рассеивающую способность. Следовательно, катодный электрофорез широко используется, в то время как анодный электрофорез в основном применяется в областях с более низкими требованиями.

Преимущества электрофоретического покрытия

• Простота автоматизации и механизации: электрофоретическое нанесение покрытий отличается высокой степенью автоматизации, высокой скоростью нанесения и высокой производительностью. Например, эффективность электрофоретического нанесения автомобильной грунтовки может быть на 450% выше, чем при традиционном методе погружного нанесения покрытий.
• Высокая однородность толщины пленки: даже на неровных участках, таких как углы, щели, отверстия и сварочные выступы, можно добиться равномерной толщины покрытия путем регулирования напряжения и контроля процесса электроосаждения.
• Высокое качество покрытия: полученная пленка ровная, гладкая и не провисает. Она демонстрирует превосходное выравнивание во время сушки, обеспечивая высокое эстетическое качество, что экономит время на шлифовке и снижает производственные затраты. Пленка также обладает хорошей водостойкостью и адгезией.
• Высокий коэффициент использования краски: благодаря низкой концентрации и низкой вязкости краски, она практически не переносится обрабатываемой деталью, что позволяет достичь коэффициента использования более 95%.
• Благоприятные условия окружающей среды и труда: покрытие содержит мало вспомогательных растворителей, что приводит к минимальному образованию аэрозоля при испарении и снижает загрязнение окружающей среды.

Недостатки электрофорезного покрытия

• Крупные инвестиции: Объем инвестиций в оборудование высок, а требования к управлению производственными процессами строгие.
• Многочисленные ограничения процесса: электрофоретические пленки ограничены одним цветом. Невозможно одновременное покрытие нескольких типов металлических заготовок. Непроводящие материалы, такие как пластик и древесина, не могут быть подвергнуты электрофорезу. Кроме того, финишное покрытие не может быть нанесено электрофоретически на грунтованную поверхность, а атмосферостойкость самой грунтовки относительно низка.
• Большой объем работы по уборке.: Для обеспечения проводимости при контакте с заготовкой подвесы необходимо тщательно и часто очищать, что приводит к высокой трудозатрате и увеличению объема работы.

Оборудование для электрофорезного нанесения покрытий

Оборудование для электрофоретического нанесения покрытия включает в себя электрофорезную ванну, резервную ванну, систему циркуляции и фильтрации, систему ультрафильтрации, электродные устройства, устройство регулирования температуры краски, устройство пополнения краски, систему вентиляции, источник постоянного тока, шкаф управления, устройство для промывки после электрофореза и устройство для хранения краски.

Электрофорезный резервуар

Электрофорезная ванна — это основное оборудование и емкость, в которой происходит процесс; ее размеры определяются максимальными внешними размерами обрабатываемых деталей. Она включает в себя основную ванну, резервную ванну и переливную ванну. Электрофоретическое покрытие обычно делится на системы непрерывного сквозного типа и прерывистого ступенчатого типа. Первая подходит для массового производства и использует ванны корабельной формы, а вторая — для средних партий и часто использует прямоугольные ванны. Переливные ванны обычно устанавливаются с одной или обеих сторон для контроля уровня жидкости и удаления поверхностной пены. Резервная ванна используется для временного хранения раствора краски во время очистки или технического обслуживания основной ванны.

Система циркуляции и фильтрации

Эта система включает циркуляционные насосы, трубопроводы и распылительные форсунки, обычно использующие комбинацию фильтрации, циркуляции, теплообмена и ультрафильтрации. Ее цель — обеспечить стабильность состава и концентрации краски, поддерживать хорошую диспергируемость и предотвращать осаждение пигмента. Для предотвращения осаждения необходимо поддерживать определенный расход и количество циклов.

Электродное устройство

Это устройство состоит из электродных пластин, диафрагменных крышек, вспомогательных электродов и системы подачи деионизированной воды. Для анодного электрофореза в качестве анодов используются медные или нержавеющие стальные пластины, при этом соотношение площади катода к площади обрабатываемой детали обычно составляет 1:1. Для катодного электрофореза в качестве катода требуются пластины из нержавеющей стали или титанового сплава, при этом соотношение площади катода к площади обрабатываемой детали обычно составляет 1:4. Диафрагменные крышки представляют собой мешкообразные конструкции из полупроницаемых мембран, заполненных деионизированной водой; в них размещаются электродные пластины, и они предотвращают диффузию электролитических кислот или щелочей в краску, тем самым стабилизируя pH. Вспомогательные электроды используются для обеспечения равномерного образования пленки на сложных внутренних стенках и полостях.

Устройство для пополнения запасов краски

Пополнение осуществляется в смесительной ванне, где исходная краска разбавляется рабочей жидкостью, перемешивается и смешивается перед добавлением в ванну для электрофореза. В качестве альтернативы, смеситель может быть интегрирован непосредственно в циркуляционный трубопровод для непрерывного пополнения.

Устройство для промывки после электрофореза

После образования пленки заготовки необходимо немедленно и многократно промывать циркулирующим ультрафильтратом, свежим ультрафильтратом и деионизированной водой. Это удаляет прилипшую к поверхности пленки жидкую краску и предотвращает ее повторное растворение или истончение.

Материалы, подходящие для электрофорезного покрытия.

• Сталь и ее сплавы: включая автомобильные кузова, компоненты шасси, детали двигателей, крепежные изделия, металлоинструменты, сельскохозяйственную технику и конструкционную сталь для строительства.
• Алюминиевые сплавы: в том числе автомобильные детали, такие как капоты, ступицы колес, радиаторы, кронштейны, алюминиевые профили для дверей и окон, корпуса бытовой электроники и изделия ручной работы.
• Цинк и цинковые сплавы: например, оцинкованные стальные листы (катодный электрофорез на оцинкованных слоях очень распространен) и детали из сплавов, полученные методом литья под давлением.
• Медь и медные сплавы: следует проявлять особую осторожность, поскольку присутствие ионов меди может повлиять на стабильность раствора в резервуаре.

Факторы, влияющие на электрофоретическое покрытие.

Технологический процесс электрофоретического нанесения покрытия выглядит следующим образом:

Обезжиривание → Промывка холодной водой → Промывка горячей водой → Кондиционирование поверхности → Фосфатирование → Промывка холодной водой → Пассивация → Промывка деионизированной водой → Сушка → Электрофоретическое покрытие → Промывка ультрафильтратом → Промывка деионизированной водой → Запекание → Охлаждение. Фосфатирование заготовки перед электрофорезом проводится для повышения защитных свойств покрытия.

Содержание твердых веществ

Содержание твердых веществ в жидкой краске является критическим фактором, влияющим на стабильность, светоотдачу, толщину пленки и внешний вид. Если содержание твердых веществ слишком низкое, происходит сильное осаждение пигмента, снижается стабильность и светоотдача, а образующаяся пленка становится тонкой, шероховатой, пористой и не обладает защитными свойствами. Если содержание твердых веществ слишком высокое, пленка утолщается, электроэндосмос затрудняется, а поверхность становится шероховатой с текстурой апельсиновой корки; высокое содержание твердых веществ также увеличивает нагрузку на фильтрацию и промывку. Как правило, содержание твердых веществ контролируется на уровне 10–15% для анодного электрофореза и 20% ± 0.5% для катодного электрофореза.

Температура

Повышение температуры раствора краски способствует электроосаждению и увеличивает толщину пленки. Однако чрезмерно высокие температуры ускоряют испарение растворителя, снижают стабильность и вызывают шероховатость или провисание. И наоборот, низкие температуры уменьшают растворимость в воде и повышают сопротивление осаждению, что приводит к образованию тонких пленок или к невозможности образования пленки в углублениях. Низкие температуры также увеличивают вязкость, что приводит к образованию пузырьков и шероховатой, матовой поверхности. Таким образом, температура для анодного и катодного электрофореза должна контролироваться в пределах 20–25 °C и 28–30 °C соответственно.

Значение рН

Значение pH напрямую влияет на стабильность и проводимость и должно строго контролироваться в пределах колебаний ±0.1. Как правило, для анодного электрофореза значение pH должно составлять 7.5–8.5, а для катодного электрофореза — 5.8–6.7. Высокий pH в анодных системах вызывает разложение смолы и ее нестабильность. В катодных системах низкий pH снижает кулоновскую силу и разбрасывающую способность, а также увеличивает коррозию труб, в то время как высокий pH снижает стабильность жидкости.

Проводимость

Проводимость увеличивается с концентрацией примесей. Высокая проводимость усиливает электролиз, делая пленку шероховатой и пористой, а также снижает напряжение, рассеивающую способность и стабильность жидкости. Как правило, проводимость катодной краски составляет 1000–2000 мкСм/см, тогда как проводимость анодной краски относительно выше.

Расстояние между электродами

Увеличение расстояния между электродом и заготовкой повышает сопротивление раствора. Если расстояние слишком мало, на выступах и углублениях заготовки образуется неравномерная толщина пленки. Если расстояние слишком велико, эффективность осаждения снижается, и пленка становится очень тонкой или не образуется. Поэтому расстояние между электродами обычно поддерживается в диапазоне от 150 до 800 мм.

Как Getzshape может помочь

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке и многому другому. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству, мы оптимизируем процессы закупки материалов, обработки, постобработки и логистики.