Chương 3: LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SƠN MỚI VỎ Ô TÔ
3.4. Phân tích các nguyên công
3.4.1. Quy trình công nghệ sơn lót
Bảng 3.1. Quy trình công nghệ sơn lót Stt Nguyên
công Sơ đồ nguyên công Nội dung
1 Tẩy rửa sơ bộ bề mặt
+ Mục đích: Sau quá trình dập và hàn lắp ráp, vỏ xe có rất nhiều bụi bẩn, mạt kim loại, lớp rỉ và đặc biệt là dầu. Vì vậy trong nguyên công này, chúng ta cần thiết phải loại bỏ lớp bụi bẩn và một phần dầu mỡ nhằm chuẩn bị bề mặt cho các nguyên công tiếp sau.
+ Nguyên lý tẩy rửa:
Cho vỏ xe vào bể nước nóng với nhiệt độ khoảng 40℃ đến 50
℃ để rửa bụi bẩn và một phần dầu mỡ ra khỏi khung vỏ xe.
+ Nhiệt độ bể nước khoảng 40℃ đến 50℃
+ Thiết bị: các bể nước, hệ thống cung cấp nước, cung cấp nhiệt + Chọn bậc thợ 2
+ Yêu cầu: Các mạt kim loại, một phần bụi bẩn và dầu mỡ được loại bỏ khỏi bề mặt vỏ xe.
2 Tẩy rửa dầu mỡ bằng dung dịch xút
+ Mục đích: Tẩy sạch lớp dầu mỡ bám trên bề mặt vỏ xe, đồng thời loại bỏ hết bụi bẩn còn sót lại trong dầu mỡ.
+ Nguyên lý tẩy rửa:
Ngâm vỏ xe trong dung dịch chất làm sạch, thường dùng là alkalin và dung dịch xút để làm sạch các loại dầu mỡ bám trên bề
mặt của vỏ xe.
+ Thành phần dung dịch tẩy:
Alkanlin: alkalin silicate, alkalin carbonat, alkalin photphat
Chất có hoạt tính về mặt (Surfactant): chất hoạt tính bề mặt không ion
Xút(dung dịch kiềm ) thường dùng là: Na2CO3, Na3PO4, Na SiO3
Chất tẩy nhũ tương gồm dung môi(Solvent)+ chất hoạt tính bề mặt.
+ Tẩy dầu thô: Không thể xà phòng hóa được nên người ta dùng chất tẩy alkalin. Chất này có tác dụng hòa tan các giọt dầu trên bề mặt chi tiết
+ Tẩy dầu động thực vật: có thể tẩy sạch bằng phương pháp xà phòng hóa. Ngâm vỏ xe trong dung dịch kiềm nóng làm các vết mỡ bị xà phòng hóa
Phương trình tẩy dầu: Dầu + Xút
→ Muối + Glixerin
C3H5(OCOR)3 + 3NaOH → 3RCOONa + C3H5(OH)3
+ Nhiệt độ:
Nhiệt độ dung dịch thích hợp khoảng 80 - 90℃ . Nhiệt độ trong giai đoạn này được cung cấp nhờ hệ thống gia nhiệt trực tiếp bằng
điện được đặt ở đáy bể.
+ Thời gian:
Tùy theo bề mặt bị nhiễm dầu ta chọn thời gian ngâm phù hợp, thường khoảng 20-40 phút
+ Thiết bị: Bể dung dịch, hệ thống cung cấp dung dịch, hệ thống cung cấp nhiệt cho bể
+ Bậc thợ: thợ bậc 4, có kinh nghiệm
+ Yêu cầu kỹ thuật: sau qua trình này bề mặt phải thật sạch sẽ dầu mỡ
+ Nhiệt lượng cần cung cấp để nung nóng dung dịch từ nhiệt độ
T1đến T2:
Lượng nhiệt cần nung nóng dung dịch từ T1đến T2 theo công thức:
Q = mdd. Cdd. (T2 -T1)
Trong đó:- T1: nhiệt độ môi trường 25℃
-T2: nhiệt độ cần làm nóng, 90
℃
- mdd: khối lượng dung dịch Khối lượng dung dịch: mdd=
MR. Vdd = 69120 kg ( lấy khối lượng riêng dung dich bằng khối lượng riêng của nước MR= 10−6 kg/
mm3)
-C : nhiệt dung riêng của
dung dịch, Cdd = 4,18 J/Kg.độ Suy ra ta có: Q = 69120.4,18.
(90-25) = 21668120 (J)
3 Rửa
dung dịch xút bám trên vỏ xe
+ Mục đích: sau khi tẩy dầu mỡ bằng dung dịch hóa học, trên bề mặt vỏ xe vẫn còn tồn tại một lớp kiềm và chất cặn bẩn không thể bị loại bỏ hoàn toàn. Nó tạo thành một lớp màng mỏng trơn mịn nhưng kém bền bám trên vỏ xe. Vì thế cần loại bỏ chúng ra khỏi vỏ xe trước khi sơn.
+ Nguyên lý tẩy rửa:
Để loại bỏ lượng kiềm và lắp cặn bẩn bám trên bề mặt vỏ xe, ta nhúng vỏ xe vào bể dung dịch kiềm với nồng độ nhẹ và giữ nó ở một giá trị ổn định
Mức độ pha loãng của dung dịch trong giai đoạn này được điều khiển bằng hệ thống cung cấp nước
Tỉ lệ pha loãng chất tẩy hóa học trong khoảng 1/50-1/100
Độ PH thích hợp vào khoảng PH=8-9
+ Nhiệt độ
Nhiệt độ quá cao dễ làm bề mặt chi tiết bị oxi hóa và khô cứng trong giai đoạn tiếp theo. Nhiệt độ
quá thấp thì không đảm bảo tẩy sạch các vết bẩn.
Nhiệt độ cần giữ ổn định, thích hợp là khoảng 40℃
+ Thời gian: khoảng 10 phút + Thiết bị sử dụng:
Hệ thống bơm nước tuần hoàn
Nước có pha chất hóa học Hệ thống cấp nhiệt
+ Chọn thợ bậc 2 để thực hiện + Yêu cầu không còn xút trên bề mặt
4 Tẩy gỉ bằng dung dịch axit
+ Mục đích: Sau khi hàn ráp vỏ xe, trong thời gian chờ để sơn vỏ thép bị oxi hóa một lớp mỏng mà chưa được loại bỏ. Vì vậy cần phải loại bỏ lớp oxi hóa đó nhằm tăng khả năng bám dính cho các lớp sơn tiếp sau đó
+ Nguyên lý tẩy rửa:
Ngâm vỏ xe trong dung dịch chất tẩy rửa, thường dùng là dung dịch axit H2SO4 và HCl để loại bỏ lớp oxi hóa trên vỏ thép
+ Thành phần dung dịch:
Dung môi là nước
Chất tẩy thường là H2SO4 và HCl
Phương trình tẩy rửa: Oxit + Axit → Muối + nước
Ví dụ : RO + 2HCl → RCl2 + H2O
R2O3 + 6HCl → 2RCl3 + 3
H2O
RO + H2SO4 → RSO4 + H2O
R2O3 + 3H2SO4 → R2(SO4)3 + 3
H2O
+ Nhiệt độ: nhiệt độ dung dịch thích hợp khoảng 80-90℃
+ Thời gian: tùy theo bề mặt bị gỉ sét ta chọn thời gian cho phù hợp, thông thường khoảng 20 phút + Thiết bị sử dụng:
Bể dung dịch
Hệ thống cung cấp axit là các ống dẫn
Hệ thống cung cấp nhiệt cho bể
+ Yêu cầu thợ bậc 4, có kinh nghiệm
+ Yêu cầu kĩ thuật: sau quá trình này, bề mặt vỏ xe không còn lớp oxi hóa, gỉ sét.
5 Rửa
sạch axit bám trên vỏ
+ Mục đích: Nhằm loại bỏ lượng axit còn dư thừa và các tạp chất kết tủa nằm loại trên vỏ xe trong nguyên công trước.
+Nguyên lý: Ngâm vỏ xe trong
xe nước
+ Nhiệt độ: khoảng 40-50℃ + Thời gian: khoảng 10 phút + Bậc thợ 2
+ Thiết bị: bể nước, hệ thống cung cấp nước, hệ thống cung cấp nhiệt + Yêu cầu kỹ thuật: sau quá trình này bề mặt xe đảm bảo sạch có thể sơn được.
6 Chuẩn bị bề mặt hoạt hóa
+ Mục đích: Nhằm làm cho bề mặt thép nhạy cảm với các hoạt chất, lọc các tinh thể lớp phủ bề ngoài và điều chỉnh nền ở bên trong chuẩn bị sẵn sàng cho quá trình phốt phát hóa sau đó
+Thành phần dung dịch:
Titan có tác dụng làm cho lớp phủ bề ngoài có khối lượng hơn 10ppm. Nồng độ PH thích hợp khoảng 9-10,5. Nếu PH quá thấp bề mặt của chi tiết sẽ không làm việc tốt và có thể bị chuyển màu xanh.
+Cơ chế hình thành lớp bề mặt hoạt hóa PL-ZTH:
Lớp PL-ZTH là lớp chất keo dạng lỏng được tạo ra bởi các chất:
Titan, Sodium photphat Na3PO4
*Cấu trúc bề mặt
+Thời gian: khoảng 20 phút + Bậc thợ 4
+Yêu cầu: sau giai đoạn này bề mặt chi tiết phải có tính hoạt hóa tốt
7 Phốt phát hóa
+ Mục đích:
-Phốt phát hóa tạo ra một lớp nền phi kim loại mịn trên bề mặt vỏ xe - Lớp phốt phát ngăn cản gỉ và tăng cường độ bám dính cũng như độ bền của lớp sơn phủ bên ngoài
*Nguyên lý quá trình phốt phát:
+ Phốt phát hóa có bản chất giống như một quá trình hóa học tạo muối phốt phát không hòa tan trong nước. Thành phần của dung dịch muối phốt phát là
Zn3(PO4)2.4H2O, Mn3(P O4)2.4H2O,
Zn2Fe(P O4)2.4H2O. Chúng tạo thành một chỉnh thể gắn liền với kim loại làm biến đổi bản chất bề mặt kim loại, làm chai lì bề mặt kim loại.
+ Lớp màng phốt phát có màu đen hoặc màu tro, dạng tinh thể mịn, có các lỗ nhỏ độ dày thường dao động trong khoảng từ 5-20μm, độ dày này phụ thuộc vào thành phần dung dịch
+ Lớp màng phốt phát có cấu trúc dạng lỗ nhỏ và dày nên có khả năng hút sơn rất tốt
+ Cách pha chế dung dịch: Sau khi tính toán lượng hóa chất cần dùng, cho nước tới 2/3 bể rồi sau đó cho các hóa chất vào, hòa tan các hóa chất, gia nhiệt tới nhiệt độ làm việc của dung dịch, sau đó cho nước tới mức cần pha. Trong quá trình này cần lấy mẫu kiểm tra trước khi đưa vào sản xuất
*Cơ chế hình thành lớp phốt phát + Trạng thái cân bằng của dung dịch phốt phát kẽm trong bể 3Zn(H2PO4)2⇔ Zn3(PO4)2 +
4H3PO4
+Phản ứng chính trong bể phốt phát kẽm
Fe + 2 H3PO4 = Fe(H2PO4)2 + H2
+ Cơ chế hình thành:
Lớp phốt phát được hình thành qua các giai đoạn:
-Các muối axit phân ly thành các ion H2P O4−¿¿ , HPO42−¿¿ , Zn2+¿¿,
Mn2+¿¿
- Các ion gốc axit hòa tan Fe tạo thành Fe2+¿¿, PO43−¿¿ và H2
- Các phản ứng tạo thành lớp
phốt phát:
3Fe2+ + 2 PO43- = Fe3(PO4)2
3Zn2+ + 2PO43- = Zn3(PO4)2
3Mn2+ + 2PO43- = Mn3(PO4)2
2Zn2+ + Fe2+ + 2PO43- = Zn2Fe(PO4)2
*Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phốt phát:
+Nhiệt độ:
-T0 quá thấp thì axit tự do FA sẽ không hoạt động và phản ứng sẽ ngừng
-T0quá cao thì FA sẽ tách khỏi lớp phốt phát. Dễ sinh ra gỉ
-T0 nhiệt độ thích hợp nhất khoảng 500C
+Nồng độ axit: Trong quá trình phốt phát hóa cần phải bổ xung các hóa chất để giữ nồng đô axit ổn định trong suốt quá trình +Thời gian:
-Thời gian quá ngắn thì hiệu
quả của lớp phủ không được tốt -Thời gian quá dài thì lớp phủ sẽ bị hòa tan lại
-Nếu trong quá trình phốt phát mà T0 của bể thích hợp sẽ làm tăng tốc độ phốt phát hóa lên, độ bám của lớp màng tăng, độ bền và độ chống ăn mòn tăng.
+Trạng thái bề mặt kim loại, các tạp chất
*Thời gian ngâm dung dịch
Với dung dịch ta dùng, để đạt được chiều dày lớp phốt phát là 20
μm nặng khoảng 1-2,5g/m2 thì thời gian ngâm thường là 40-50 phút
*Thiết bị sử dụng:
Bể dung dịch phốt phát
Hệ thống cung cấp dung dịch là các ống dẫn
Hệ thống cung cấp nhiệt cho bể
*Bậc thợ sử dụng trong giai đoạn này: thợ bậc 4, có kinh nghiệm
*Yêu cầu kỹ thuật: độ dày của lớp phốt phát đạt được là 20μm
*Nhiệt lượng cần nung nóng dung dịch từ nhiệt độ T1 đến T2:
Lượng nhiệt cần nung nóng theo công thức:
Q= mdd. Cdd.( T2-T1¿
Trong đó: T1 nhiệt độ môi trường 25℃
T2 nhiệt độ cần phải đạt 50℃
mdd khối lượng dung dịch Khối lượng dung dịch: mdd =
Mr. Vdd = 69120kg(lấy khối lượng riêng dung dịch bằng khối lượng riêng của nước Mr= 10−6 kg/mm3)
Cdd = 4,18 J/Kg.độ : nhiệt dung riêng của dung dịch
Suy ra: Q = 69120.4,18.(50-25)=
7223040 (J) 8 Rửa vỏ
xe loại bỏ các yếu tố không bền vững
*Mục đích:
+Sau quá trình phốt phát thì bề mặt kim loại ngoài lớp phốt phát vẫn còn các hóa chất khác. Rửa bằng nước có tác dụng làm sạch các hóa chất ở quá trình phốt phát hóa để lại
+Rửa bằng nước DI(Deionlyte)c còn làm sạch các ion lạ để chuẩn bị tốt cho quá trình điện phân +Quá trình rửa gồm 3 giai đoạn:
-Rửa bằng nước công nghiệp nhúng đầy (IW- industry water, dull deeping)
-Rửa bằng nước công nghiệp dùng vòi phun (IW- industry water, shower)
-Rửa bằng nước DI
+ Nguyên lý: sau khi vỏ xe được ngâm trong dung dịch phốt phát được đưa tới bể rửa cuối. Đến đây vỏ xe được ngâm trong nước IW rửa hóa chất và được rửa bằng các vòi phun của hệ thống phun nước.
Cuối cùng rửa lại bằng nước DI để làm sạch các ion
+Thời gian: khoảng 10 phút + Bậc thợ: bậc thợ 2
+Thiết bị: bể rửa, nước IW và DI, hệ thống vòi phun và bơm nước tuần hoàn
+Yêu cầu: bề mặt vỏ phải sạch, loại bỏ hoàn toàn các chất hóa học của quá trình trước và các chất bẩn khác.
9 Sơn
điện ly ED
*Mục đích: Tạo ra một lớp màng mỏng trên bề mặt của kim loại, để ngăn cách giữa vỏ xe với môi trường. Lớp màng này có tác dụng chống sự ăn mòn và han gỉ
*Thành phần dung dịch
+Dung môi là nước, đôi khi có cho thêm một ít dung môi hữu cơ
+ Chất điện ly là các polyme có nhóm axit hay bazơ đã được cacboxyl hóa và chuyển thành các muối tan được trong nước tạo thành các ion như RCOONH4 ,
RCOOK hoặc R3NH+¿ ¿
+ Một số chất rắn như đồng cromat, titan dioxut hay muội đèn + Một pigmen hữu cơ để được màu sắc mong muốn
*Quá trình tạo nên lớp sơn:
Vỏ xe đóng vai trò là catot (-), thành bể là anot (+)
+ Quá trình phân ly: là quá trình các chất có trong dung dịch tách thành các ion (-) và (+) :
RCOONH4 ⇔RCOO - + NH4+
RCOOK ⇔RCOO - + K+
H2O ⇔ H+ + OH – +Sự điện phân: nhúng vỏ xe vào bể chứa dung dịch sơn sẽ xuất hiện dòng điện một chiều chạy qua dung dịch điện phân
- Quá trình phản ứng ở catot:
H2O + 3H+¿¿ +2e → 2H2 +
OH−¿¿
-Quá trình phản ứng ở anot:
OH−¿¿- 4e → H2O + H+¿¿ +
O2
- Anot nhường electron:
M - ne → Mn+¿ ¿
+ Sự điện ly: là quá trình di chuyển các phần tử sơn, keo nhựa
mang điện tích trong môi trường điện ly bởi tác động của dòng điện.
Các phần tử sơn di chuyển tới các điện cực theo quy trình sau:
RCOOH+R'3N2+¿→ R'3NH+¿¿¿+ RCOO−¿¿
-Ion RCOO−¿¿ di chuyển về anot
RCOO−¿¿+ H+¿¿ → RCOOH -Ion R'3NH+¿¿ di chuyển về catot
R'3NH+¿¿ + OH+¿¿ → R3N2+¿ ¿ +
H2O
+ Sự kết tủa: là sự kết dính các phần tử sơn tại một điện cực. Các phần tử mang điện tích âm sẽ kết tủa trên cực (+), các phần tử mang điện tích dương sẽ kết tủa trên cực (-). Quy trình sơn này là sơn âm cực nên chỉ có kết tủa ở cực âm (vỏ xe), R3N2+¿ ¿ kết tủa trên bề mặt vỏ xe tạo thành lớp sơn điện ly + Điện thẩm thấu: dưới tác dụng của lực điện trường, nước trong màng sơn thoát ra khỏi màng sơn.
*Các yếu tố ảnh hướng đến lớp sơn
+ Đặc tính của chất phân tán
+ Lượng và loại dung môi được sử dụng
+ Nhiệt độ phân tán
+ Loại chất và lượng chất trung
hòa được sử dụng
*Các thiết bị được dùng trong quá trình
+Thiết bị lọc: lựa chọn màng lọc phải phù hợp với loại sơn dùng.
Phải chú ý đến bộ phận màng lọc này
+ Thiết bị điện được sử dung: máy chỉnh lưu dòng điện, dây cao áp + Bể nhúng, bể tràn: bề mặt của hệ thống bể phải làm cách điện, vì axit có thể trong dung dịch làm cho bề mặt kim loại của bể tan vào dung dịch sơn. Người ta thường sử dụng PVC hoặc FRD làm nguyên liệu cách điện cho bể nhúng
+ Vòng chu chuyển của sơn (PC):
được sử dụng bằng bơm li tâm và hệ thống các ống dẫn. Hệ thống này cũng được sơn cách điên để chống ăn mòn
+ Cực dương của hệ thống: được đưa vào trong bể vì mặt trong của bể đã được sơn cách điện. Chất liệu cực dương có thể là sứ hoặc cacbon. Để kiểm soát nồng đồ axit trong bể ta phủ lên bề mặt cực dương một lớp màng nhầy chất liệu của lớp màng này là nhựa có khả năng trao đổi ion
*Yêu cầu kỹ thuật:
+ Yêu cầu kỹ thuật phải tạo được
lớp sơn dày 20μm, các hạt sơn nhỏ mịn, đồng đều bề mặt phẳng nhẵn +Lớp sơn này có tuổi thọ cao và khẳ năng chống rỉ tốt
*Tính toán lượng sơn sử dụng trong nguyên công này
Lượng sơn sử dụng trong quá trình sơn tĩnh điện:
m = Dc.S.t.H.C (g) Trong đó:
+ S: diện tích bề mặt cần sơn.
S= 31,5 m2 = 31,5. 102 dm2
+ Dc. : mật độ dòng , Dc .=1,219 A/dm2
+ t: thời gian sơn, (h)
+H: hiệu suất dòng điện (0,96-0,98)%
+ C: đương lượng điện hóa.
C=1,042 g/A.h
*Thời gian ngâm vỏ xe trong dung dịch theo công thức
δ = 17.H.t. Dc. (μm) Trong đó: δ = 20 μm Suy ra: t = 17.H . Dδ
c = 0,8 (h)
= 48 (ph)
Vậy khối lượng sơn cần dùng là:
m= 3150.1,219.0,8.0,98.1,042 =3529 (g)
10 Rửa sơn thừa trên bề mặt vỏ xe
*Mục đích: Rửa nước bằng nước công nghiệp IW làm sạch các chất bẩn còn đọng trong nguyên công sơn điện ly, loại bỏ hoàn toàn các ion tạp có lẫn trong nước sau quá trình rửa trên
+Nguyên lý:
Để tiết kiệm nước ta sử dụng 2 bể rửa. Ban đầu xe được rửa bằng nước IW sau đó xe được rửa bằng nước DI không lẫn tạp chất.
Nước này được cung cấp trực tiếp từ nguồn nước DI, nước rửa của giai đoạn này sẽ được sử dụng lại cho giai đoạn trước.
*Thời gian: khoảng 10ph
* Thiết bị: bể cung cấp nước IW, DI; Bể lọc nước; Hệ thống cung cấp nước tuần hoàn là các bơm nước và các ống nước
*Bậc thợ: chọn bậc thợ 2
*Yêu cầu kỹ thuật: sau khi rửa yêu cầu phải sạch các chất nhựa trong giai đoạn sơn điện ly còn để lại.
Đồng thời tạo điều kiện tốt cho lớp sơn sau liên kết tốt hơn với lớp sơn ED.
11 Sấy vỏ xe sau khi sơn điện ly
*Mục đích: quá trình sấy làm cho màng sơn ED đóng rắn lại để tiếp tục thực hiện các nguyên công tiếp theo.
*Nguyên lý sấy:
+ Sử dụng phương pháp sấy khô màng sơn bằng hơi nhiệt. Không khí được nung nóng nhờ hệ thống đốt nóng bằng dầu, sau đó các quạt thổi vào buồng sơn và làm khô màng sơn ED
+ Vỏ xe sau khi được rửa bằng nước DI được đưa đến buồng sất loại chu kỳ liên tục. Sấy liên tục xe được đưa vào một đầu và ra một đầu. Trong buồng sấy có hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sấy để phù hợp với quá trình: đầu thì nhiệt độ thấp, giữa thì nhiệt độ cao và nhiệt độ lấy ra thấp
*Nhiệt độ sấy giữ trong 30ph để cho phép sơn khô và biến cứng
* Thiết bị sử dụng: buồng sấy, thiết bị gia nhiệt, thiết bị đo nhiệt như các cảm biến, các ống cấp dẫn nhiệt
*Thợ bậc 3
* Yêu cầu bề mặt khô đồng đều
*Nhiệt lượng cần để làm khô bề mặt sơn và làm bay hơi dung môi Q = ρk. Vk.C.( tk−tn) + ρp. Vp.L