Otomotiv Sektörü-Çinko-Fosfatlama Banyolarında Online Ölçümler ve Proses İzleme

27 Ekim 2020

Metaller pek çok endüstrinin üretimdeki en önemli yapı taşlarından biri olup, günümüzde özellikle otomotiv ve inşaat gibi farklı sektörlerde büyük ölçekte kullanılmaktadırlar. Metaller sahip oldukları mukavemet, kolay işlenebilirlik ve maliyet gibi avantajlı özelliklerine rağmen; korozyona uğrama yatkınlıkları sebebiyle üretimde önemli ölçüde ekonomik kayıplara da sebep olabilmektedirler. Kimyasal dönüşüm kaplama işlemi bu durumda korozyonun önüne geçebilmek adına en yaygın olarak kullanılan tekniklerin başında gelmektedir.

Otomotiv sektöründe kimyasal dönüşüm kaplama prosesi, boyama öncesi otomotiv gövdeleri için ön koşuldur. Dünya genelinde otomotiv boya atölyelerinin çoğunda çinko-fosfatlama prosesi kabul görmektedir. Fosfatlama proseslerinde; kaplanan yüzey tabaka kalitesinin üst düzeyde tutulması, homojen ve korozyona dayanıklı bir kaplamanın sağlanabilmesi amacıyla ilgili parametrelerin kesintisiz takibi ve hızlı geri-bildirim oldukça büyük önem taşımaktadır.

Otomotiv Sektöründe Fosfatlama Prosesleri

Fosfatlama prosesi, alttaki metale güçlü bir şekilde tutunan sert ve elektriksel olarak iletken olmayan bir yüzey kaplaması elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Bu katman, metali korozyondan korumakta ve sonraki aşamalarda uygulanacak boya ve organik cilaların tutunma performansını geliştirmeye yardımcı olmaktadır.

Temel bir fosfatlama prosesi, aşındırma reaksiyonu ve yüzey kaplaması oluşumu adımlarından meydana gelmektedir. İşlenecek metal parçaların ayrıntılı bir biçimde yağdan arındırılması ve yıkanmasını takiben fosforik asit yardımı ile girişim yapan yüzeye bağlı metal oksitler temizlenmekte ve yüzey pürüzlülüğü artırılmaktadır. Daha sonra alkali fosfatlar, işlenecek parçanın yüzeyinde önceden oluşturulmuş metal iyonları ile reaksiyona girerek çözünmeyen üçüncül metal fosfatlardan meydana gelen bir tabaka oluşturmaktadır.

1 µm’den daha ince bir kalınlığa sahip olan demir fosfat kaplamaları, temel bir korozyon koruması sağlamakta ve tipik olarak kontrollü ortam şartlarında iç mekanlarda kullanılmaktadır. Öte yandan, fosfatlama banyosuna Zn2+Mn2+ ve Ca2+ gibi metal katyonlarının eklenmesi ise 7-15 µm aralığında değişebilen kaplama kalınlıklarına sahip çok dirençli karma metal fosfatların oluşumuna yol açmaktadır. Modifiye edilmiş kristal yapıları nedeniyle bu katmanlar, dış ortamlar ve/veya zorlu iç ortam kullanımları için mükemmel uyumluluğa sahiptir.

Demir ve çinko fosfatlama temel olarak aynı mekanizmaya sahip olmakla birlikte, çinko fosfatlama, prosese çinko katyonlarının spesifik olarak dahil edilmesi ile karakterize edilmektedir. Bu süreçte metal yüzey üzerindeki demir katyonlarının metal fosfat oluşumuna katkısı minimum seviyededir. Fosfatlama banyosuna tamamlayıcı diğer katyonların da (örn. Ni2+) eklenmesi ile birlikte çok daha ileri yüzey özelliklerine sahip birinci sınıf bir korozyon koruması elde edilebilmektedir.

Şekil 1. Fosfatlama prosesi

 

Fosfatlama Prosesi Adımları

Tipik bir fosfatlama prosesinde fosfatlanacak olan parçalar veya araba gövdeleri, sırasıyla yağ alma, yıkama, aktivasyon, fosfatlama ve tekrar yıkamalı temizleme adımlarını içeren farklı banyolardan geçmektedir. Fosfatlama prosesindeki bu adımların sıralaması adedi ve kullanım tercihi proses şartlarına göre farklılık göstermekle birlikte, genel itibariyle işlem akışı aşağıdaki gibidir:

Fosfotlama prosesi

Şekil 2. Fosfotlama prosesi operasyon adımları

 

• Yağ alma banyoları (1,2): Yağ, gres ve vaks artıklarının metal yüzeyinden uzaklaştırılması sağlanır.
• Yıkama banyoları (3,4):
Yağ giderme kimyasalları su yardımıyla uzaklaştırılır.
• Aktivasyon banyosu (5):
Metal yüzey aktive edilir.
• Fosfatlama banyosu (6):
Çözünmeyen ağır metal üçüncül fosfatlardan meydana
gelen yüzey tabakası oluşturulur.
• Yıkama banyoları (7,8 ve 9): Asit kalıntıları, çözünür tuzlar ve metal üzerindeki tüm tutunmayan partiküllerin uzaklaştırılması sağlanır.

Analitik Parametreler

Fosfatlama prosesi banyolarında anahtar analitik parametrelerin yakından izlenmesi elde edilecek kaplama kalitesinin sürdürebilirliği açısından hayati öneme sahiptir. Bu çerçevede operasyonun her bir adımına spesifik indikatörler sağlayan bu analitik parametrelerin yakından takibi öngörülmektedir:

Şekil 3. Fosfatlama prosesi analitik parametreler

 

Fosfatlama Proseslerinde Online Analizler

Fosfatlama proseslerindeki banyolarda gerçekleştirilen analizler, numunelerin gerek direkt ölçümler ve gerekse titrasyonlar öncesi manuel örneklenmesi ve yine manuel gerçekleştirilen analiz süreçlerinde yaşanabilecek aksaklıklar temelli olarak önemli üretim kalitesi ve zaman kayıplarına sebebiyet verebilmektedir. Operatör farkı, deneyim seviyesi, alınan numune hacmi, ekipman/aksesuar temizliği, analiz frekansı vb. potansiyel hatalardan kaynaklı tüm unsurlar göz önüne alındığında, otomatik örnekleme, tam otomatik analiz ve sonuç raporlama adımlarını mümkün kılabilecek bir online analiz platformunun sunabileceği avantajlar net bir şekilde ortaya çıkmaktadır.

Online fosfatlama hattı analiz sistemlerinde banyo parametre ölçümleri, numunenin otomatik olarak örneklenmesi ve sonrasındaki tüm analitik süreçlerin herhangi bir müdahaleye gerek duyulmaksızın tamamlanması yolu ile gerçekleşmektedir. Elde edilen analiz sonuçlarının PLC kontrolör sistemlerine otomatik olarak aktarılması sayesinde prosese hızlı müdahale imkanı elde edilmekte ve bu çerçevede özellikle otomotiv endüstrisinde önemli avantajlar sağlanmaktadır.

Metrohm olarak, fosfatlama banyoları analizleri konusunda bugüne kadar edindiğimiz tecrübe, bilgi birikimi ve titrasyon alanında global lider konumumuzun temelini oluşturan zengin uygulama yelpazemiz çerçevesinde, otomotiv sektörüne özel olarak tasarladığımız, Endüstri 4.0 nesline uygun, tam otomatik 2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistem çözümümüzü beğeninize sunuyoruz.

Şekil 4. 2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistemi

Şekil 4. 2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistemi

 

Kullanılan Ekipman ve Yazılım

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizörü, özellikle fosfatlama adımında izlenen parametrelerinin sıralı analizi ve kontrolü için tam otomatik analiz, otomatik temizlik prosedürleri, hassas örnekleme, elektrod kalibrasyonu ve sonuçların PLC sistemine aktarımı gibi özellikleriyle komple bir platform oluşturmaktadır.

Tablo 1. 2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistem bileşenleri

 

Örnekleme

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör’ünde banyo numunesi direkt olarak kapalı bir örnekleme hattı ile reaksiyon kabına getirilmektedir. Böylece manuel örneklemeden farklı olarak dış ortam ile temas etmeyen, doğru örnekleme noktasından çekilmiş temsili numune analizöre gelmektedir. 2035 sistemi ile tek bir noktadan örnekleme yapılabileceği gibi sistem çoklu kanal opsiyonuna sahip şekilde tasarlanarak birden fazla noktadan örnekleme yapmak da mümkün olabilmektedir.

Online Potansiyometrik Titrasyon

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör’ünde otomatik örnekleme sonrası uygulanan titrasyon metotları, uzun yıllar boyunca müşterilerimizin tesislerinde fosfatlama banyosu analizleri amaçlı kullanılan laboratuvar tipi otomatik titratörlerimizdeki metodlar ile uyumludur. Müşteri laboratuvarında uygulanmakta olan analiz adımlarının her biri aynı özenle programlanarak online sisteme entegre edilmekte ve böylece laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile karşılaştırma yapılabilmesi mümkün hale gelmektedir.

Sistem ile çinko-fosfat banyosundaki aşağıda parametreler izlenebilmektedir :

• pH ve sıcaklık,
• Serbest asit/toplam asit,
•Florür/SiF6,
• Çinko miktarı.

Şekil 5. Tipik bir çinko-fosfat banyo titrasyon eğrisi

 

Analiz Sonuçları

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör kullanılarak gerçekleştirilen online analizler sonucunda gözlemlenen doğru ve tekrarlanabilir sonuçlar sistemin fosfatlama banyosuna başarılı bir şekilde entegre edilebildiğini göstermektedir. Sistemin tam otomasyon niteliği taşıması sayısız avantajı beraberinde getirmektedir.

Şekil 6. Çinko-fosfatlama banyolarında manuel izleme ve online analizlerin karşılaştırılması

 

Manuel analizlere kıyasla gerçekleştirilen tam otomatik online potansiyometrik analizlerde hatalı örnekleme, titrasyon tabanlı analizlerde dönüm noktalarının saptanamaması, yanlış ve tekrarlı olmayan sonuçlar gibi hataların önüne geçilebilmektedir. Banyodan numunenin alınması, örneklenmesi, kimyasal eklemeleri, numune analizi, sonuçların kaydı gibi tüm prosedürler 2035 sistem çatısı altında otomatik olarak sağlandığından, ölçüm hataları, operatörler arası farklılıklar ve analiz süresi tutarsızlıkları ortadan kalkmakta ve el değmeden kesintisiz analizler gerçekleşmesi sayesinde iş gücü gereksinimleri azalırken operatör güvenliği arttırılmaktadır.

Banyo ölçümlerinin daha doğru, hassas ve verimli hale gelmesi ile birlikte proseste meydana gelebilecek aksaklıklar gerçek zamanlı olarak takip edilebilmekte, kalitede artış elde edilmekte ve üretim tekrarı sorunları minimize edilmektedir.

Şekil 7. Online banyo izlemenin avantajları

 

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistemi, mevcut devam eden analizler, elde edilen sonuçlar, alarmlar vb. tüm verileri donanımında var olan 4-20 mA, Modbus TCP, Profinet, Profibus, Teamviewer gibi veri iletim alt yapıları ile PLC veya talep edilebilecek diğer veri sistemlerine aktararak prosesin uzaktan kesintisiz takibini ve herhangi bir aksama olması halinde anlık müdahaleyi mümkün kılmaktadır. Tüm bunların yanı sıra ihtiyaç olması halinde Metrohm Proses Analitiği Ekibi’nden gereken desteğin hızlı bir şekilde alınabilmesi için uzaktan bağlantı opsiyonu da mümkündür.

Komple Fosfatlama Hattı İzleme

2035 Çinko-Fosfat Banyosu Online Analizör sistemi genel itibariyle özellikle çinko-fosfatlama banyosu için çoklu parametreli bir başlagıç seviyesini oluşturmaktadır.

Çinko-fosfatlama banyosunun yanı sıra fosfatlama hattında yer alan yağ alma, yıkama ve aktivasyon gibi diğer banyolardaki diğer parametrelerin de bir arada ölçülmesi veya analiz frekansının artırılması talep edildiğinde, 2035 Çinko-Fosfat Analizör sistemi donanımsal ve yazılımsal olarak genişletilebilmekte veya ihtiyaç olması durumunda daha üst seviye bir model ile tüm hat seviyesine ulaşabilen amaca özel bir online analizör sistemi de tasarlanabilmektedir.

Sonuç

Metrohm Proses Analitiği, online proses analizlerinde dünya çapında 40 yılı aşkın bir deneyime sahiptir.
Otomotiv sektöründe sadece EMEA bölgesinde çinkofosfatlama hattı proseslerinde 70 adeti aşkın kurulu analizör sistemi ekipman parkımız ile başta lider otomotiv devleri olmak üzere tüm müşterilerimize güvenle hizmet vermeye ve sektördeki global tecrübelerimizi sunmaya devam ediyoruz.

Metrohm Turkey Proses Analitiği Ekibi olarak proje danışmanlığı, mühendislik ve satış aşamalarından; analizör kurulumu, devreye alma ve eğitim, sistem bakımı, aksesuar ve yedek parça tedariği, destek, servis ve onarım süreçlerine kadar uzanan geniş bir yelpazede kapsamlı hizmetler sunabilmekteyiz.
Metrohm Process Analytics EMEA Bölge Merkezi ile entegre çalışan yerel yapımız sayesinde tüm online analiz gereksinimleriniz için yanınızdayız.

Şekil 8. 2045 Full Phosphate Line Analizörü

Kaynaklar 

1. Metrohm Application Poster 80006082-Monitoring of a complete process line for the phosphatizing of metal surfaces using an at-line analysis system. 2. Metrohm Application Bulletin No. 289e Monitoring parameters in a phosphatizing process (pH, conductivity, acidity, alkalinity, fluoride and zinc). 3. Metrohm Technical Article TA-003EN Metals in dip coating baths – phosphatizing of metal surfaces using an atline analysis system.