مفاهیم آبکاری
اصول آبکاری الکتريکی
آبكاری الكتریكی فرآیندی است که در آن با استفاده از جریان برق، لایه نازکی از یک فلز روی سطح فلز دیگری رسوب داده میشود. جریان برق و عوامل احیا کنندهای که در این فرآیند مصرف میشود ارزان هستند. این امر توجیه اقتصادی خوبی برای توسعه ی این روش است. هدایت الكتریكی خوب فلزات به واسطه حرکت آزادانه الكترونها است. وقتی فلزی در میدان الكتریكی قرار میگیرد الكترونها از قطب مثبت حرکت میکنند ولی عملا هسته ها و یونهای اتمی داخل فلز ساکن هستند. به طور کلی یک ماده هنگامی میتواند جریان الكتریسیته راهدایت کند که الكترون یا دیگر ذرات باردار یعنی یونها در داخل آن حرکت کنند. در تمام محلولهای هادی
جریان برق مولكول ها به ذرات باردار یا یون (مثبت و منفی) تجزیه میشوند. یونهای بار منفی به طرف آند حرکت میکنند به همین دلیل آنیون نامیده میشوند، بر عكس یونهای مثبت به طرف کاتد حرکت میکنند و به همین دلیل کاتیون نامیده میشدند.
آبكاری الكتریكی با توجه به نوع جریان مورد استفاده به دو روش آبكاری الكتریكی با جریان مستقیم که روش قدیمی تر با کاستی های بیشتر و آبكاری الكتریكی با استفاده از جریان منقطع با مزایای بیشتر و روشی نوین تر تقسیم میشود.
انواع روش های آبکاری
روشهای آبكاری بر اساس چگونگی انجام فرایند و نوع پوشش ایجاد شده به دو دسته ی کلی تقسیم بندی میشوند. انواع روشهای آبكاری بر اساس چگونگی انجام فرآیند:
- آبكاری غیر الكتریكی (خود کاتالیستی)
- آبكاری الكتریكی
- آبكاری الكتریكی با جریان مستقیم
- آبكاری الكتریكی با جریان منقطع
انواع روشهای آبكاری بر اساس چگونگی انجام فرآیند:
آبكاری غیرالكتریكی
آبكاری غیرالكتریكی به واسطه ی مزایای منحصر به فردی که دارد هم اکنون به عنوان یكی از فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد و با سرعت خوبی رشد کرده است.
مزايا:
قدرت پرتاب بسیار زیاد در این روش که این مزیت باعث این میشود که سطوح دارای پستی و بلندی را بتوان به خوبی پوشش داد.
قابلیت در ایجاد پوشش با یكنواختی مناسب.
صرفه جویی در مصرف برق به علت عدم استفاده از جریان الكتریكی در این روش توانایی دست یافتن به پوشش هایی با ضخامت بسیار بالا در این روش.
معايب:
کوتاه بودن عمر حمام به علت رسوب برخی فازهای موجود در آن و دشوار بودن کنترل محلول.
تولید پسماند زیاد.
ایجاد هزینه های زیاد حمام به علت حاوی بودن آن از ترکیبات گران قیمت شامل پایدار کننده ها، عوامل ثابت.
نگهدارنده ی pH.
نرخ پوشش دهی پایین در این روش در نهایت میتوان به تولید پوشش های کامپوزیتی از این روش اشاره کرد. به عنوان مثال پوشش های کامپوزیتی پایه نیكل یكی از پوشش هایی است که اخیراً توسعه پیدا کرده است. این رسوبهای سرمت، حاوی ذرات ترکیبات بین فلزی و فلوئور و کربن یا الماس توزیع شده در زمینه ی نیكل- فسفر غیرالكتریكی است. سختی ظاهری مقاومت سایشی این رسوبات عالی است.
زمانی که حداکثر مقاومت سایشی مورد نیاز باشد از پوشش های کامپوزیتی غیر الكتریكی استفاده میشود. برای تأمین سختی بالا نیز معمولاً پوشش های غیر الكتریكی را تحت عملیات حرارتی قرار میدهند.
آبكاری به دو روش پالسی و مستقیم انجام میشود. مزایای آبكاری پالسی نسبت به آبكاری مستقیم بیش تر است، مانند نرخ رسوب گذاری بالاتر، بهبود خواص سطحی، ایجاد ریز ساختار متراکم تر، ترکیب و ریزساختار یكنواخت تر، چگالی جریان بالاتر و زمان پالس کوتاه تر. آبكاری پالسی در تولید پوشش های فلزی و آلیاژی با ویژگی های مطلوب از جمله یكنواختی و چسبندگی به کار میرود.
آبکاری الکتريکی به روش DCE
از این روش هم برای رسوبدهی آلیاژی و هم برای رسوب فلزات خالص استفاده میشود.
مزايا:
- نگهداری ساده تر محلول در این روش نسبت به روش آبكاری غیر الكتریكی
- عدم وجود ترکیبات گران قیمت در حمام و هزینه کمتر فرایند
- کنترل بیشتر بر خواص ریزساختار و شكل پوشش با کنترل متغیرهای وابسته به جریان الكتریكی
- نرخ بالای پوشش دهی
معايب:
پوشش غیر یكنواخت تر نسبت به آبكاری غیرالكتریكی
بازده جریان پایین.
آبکاری الکتريکی به روش پالسی PCE
آبكاری الكتریكی به وسیله جریان مستقیم می تواند انجام شود اما بهبود آن توسط ایجاد وقفه در جریان یعنی جریان منقطع (قطع و وصل کردن جریان بین دو مقدار) و یا استفاده از جریان معكوس حاصل میگردد. در آبكاری پالسی جریان بین دو مقدار متفاوت و به طور متناوب تغییر میکند. این مقادیر توسط جریان صفر از هم تفكیک شده و مجموعه ای از پالس ها با زمان و دامنه ی مساوی هستند. هر پالس در بازه ای از زمان، جریان در آن اعمال میشود.
انواع روشهای آبكاری بر اساس نوع پوششهای ایجاد شده:
- آبكاری جهت ایجاد پوشش از فلزات خالص
- آبكاری جهت ایجاد پوشش آلیاژی
- آبكاری جهت ایجاد پوشش کامپوزیتی
آبکاری جهت ايجاد پوشش های آلياژی
اگر پتانسیل احیای دو فلز به هم نزدیک باشد و یا قابلیت نزدیک شدن به هم را داشته باشند دو فلز را هم زمان با هم از محلول حاوی آن دو میتوان به روی کاتد نشاند. به این نوع رسوبات، رسوبات آلیاژی میگویند.
در این نوع رسوب دهی سطح به طور مداوم در حین شكل گیری لایه ی رسوبی تجدید میشود. از این نظر این نوع رسوبدهی شبیه رسوبدهی فلزات خالص است پوشش های آلیاژی تهیه شده به روش الكترولیز دارای دانه بندی ظریف و ساختمان یكنواخت میباشند. این آلیاژها در دمای پایین تهیه میشوند. آلیاژهای حاصل با نسبت های ترکیبی خاص ومشخص، براقیت بیشتر نسبت به فلزات خالص، محافظت بیشتراز فلز پایه، مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، سختی و چسبندگی بیشتر نسبت به فلز خالص را دارا میباشند
آبکاری جهت ايجاد پوشش های كامپوزيتی
خواص فلزات و آلیاژهای رسوب داده شده را میتوان توسط ذرات بسیار ریزی که همراه با فلز و یا آلیاژ رسوب داده میشوند و درزمینه ی فلزی گنجانده میشوند، اصلاح کرده و به طور چشمگیری بهبود بخشید این ذرات میتوانند غیرآلی، فلزی و یاآلی باشند. لایه های کامپوزیتی حداقل از دو فاز که به طور هم زمان حاضر میباشند تشكیل شده است. این فازها جزو گروههای متفاوت مواد (فلزی، غیرفلزی-معدنی، مواد آلی)هستند.
اجزای حمامهای آبکاری
كاتد و آند:
صفحات فلزی غوطه ور در محلول هستند که از طریق آنها الكترون، آزاد یا جذب میگردد. این صفحات را الكترود نیز میگویند. الكترودی که الكترون آزاد کرده و بار مثبت پیدا میکند، آند و به الكترودی که الكترون وارد محلول میکند، کاتد میگویند
زيرلايه يا كاتد:
در آبكاری جنس زیر لایه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا که خواص پوشش نهایی ویژگیهای زیر لایه هم به شدت وابسته است. یعنی ماده مورد استفاده برای تشكیل پوشش، با توجه به نوع زیر لایه انتخاب میشود. در صورتی که خود پوشش به خودی خود مقاومت به خوردگی خوبی داشته باشد، اگر بر روی یک زیر لایهی کمتر نجیب پوشش داده شود، ویژگی مقاومت در برابر خوردگی کل مجموعه را کاهش میدهد .
عمدتاً قسمتی است که اصطلاحاً روکش می شود و اغلب به آن "قطعه کار" نیز گفته می شود. کاتد الکترودی است که در کنار آن واکنش احیا صورت میگیرد یا به عبارت دیگر الکترون مصرف میشود. کاتد به قطب منفی منبع جریان متصل می شود و ذرات با بار مثبت (کاتیون) را جذب می نماید. این ذرات یون های فلزی (+Mz ) هستند که در کاتد واکنش می دهند و طی واکنشی به نام "احیاء" منجر به تولید اتم های فلز و نیز سایر محصولات به منظور ایجاد لایه ی جدید سطحی می گردند. قبل از آبکاری، کاتد طی یک فرآیند دقیق، آماده سازی می شود تا ضمن عاری نمودن سطح آن از گرد و غبار و آلودگی ها، سطح فلز پایه فعالسازی شود.
آند
آند دو نقش اصلی زیر را در حمام آبكاری ایفا میکند:
-به عنوان الكترود مثبت عمل کرده و باعث ورود جریان به محلول میشود.
-در بسیاری از موارد، مجدداٌ الكترولیت را از فلز رسوب کرده بر سطح کاتد پر میکنند و تعادل را در الكترولیت حفظ میکند.
آندها میتوانند از جنس فلزات بسیار نجیب مانند پلاتین باشند، که در این صورت مصرف نمی شوند و وظیفه ی دوم را انجام نمیدهند، یا میتوانند از جنس پوشش ایجاد ایجاد شده بر کاتد باشند که در این صورت به تدریج مصرف میشوند.
آند الکترودی است که به قطب مثبت مدار متصل شده است. اصلاحاً گفته می شود که آند محلی است که الکترون محلول را ترک می کند. آند معمولاً از جنس مشابه فلزی است که به صورت یون در محلول وجود دارد و به منظور جبران نمودن یون هایی است که از محلول بر روی کاتد رسوب داده شده اند. در برخی سیستم ها، آندهای حل نشونده نظیر کربن و تیتانیوم پلاتینه شده نیز استفاده می شوند.
به محض اینکه یون های فلزی موجود در الکترولیت مصرف می شوند، یون های بیشتر از طرف آند، طی فرآیندی به نام "اکسیداسیون" باز تولید می شوند. در این فرآیند الکترون ها از دست داده می شوند و یون های فلزی تولید می گردند.
الکترولیت:
الکترولیت ها محلول هایی هستند که در آن ها ماده حل شدنی به صورت کامل یا قسمت عمده ای از آن به یون تفکیک شده و در نتیجه محلول رسانای جریان الکتریسیته است. در آبکاری، الکترولیت عموماً محیطی است آبی که در آن از عنصر آب به عنوان حلال استفاده می شود. کریستال های یونی جزء دیگری از اجزا سازنده ی محلول الکترولیت می باشند و معمولاً شبکه ی نمک فلز را اختیار می کنند. هنگامیکه این نمک با آب ترکیب می شود، پیوندهای یون-یون در شبکه ی کریستالی شکسته خواهند شد و یون ها با آب واکنش نشان داده و به صورت هیدراته در می آیند.
یون های حل شده به عنوان حامل های جریان در درون الکترولیت عمل نموده و به الکترود دارای بار مخالف جذب می شوند. افزودنی ها از دیگر اجزاء اصلی یک الکترولیت هستند. آن ها در زمینه های مختلف از قبیل پایدارسازی، پی اچ، رشد کریستال، نحوه ی رسوب فلز و نیز انتقال یون ها کمک رسانی می کنند گونه های اصلی افزودنی ها عبارتند از براقی ها (Brighteners) ، حامل ها (Carriers )و نیز هم سطح کننده ها(Levellers)
براقی ها:
در آبکاری به عنوان شتاب دهنده، ریز کننده ی دانه ها و نیز هم سطح کننده ی پوشش در مقیاس میکرون عمل می نمایند. در واقع به جهت دستیابی به درخشندگی بیشتر ( به واسطه ی ریز نمودن دانه ها و اندازه ی کریستال های فلز) و نیز ایجاد سطوح یکنواخت از براقی ها استفاده می شود. حامل ها به جای کاتد، بیشتر بر روی آند فعال هستند. آن ها به ایجاد و نگهداری لایه ی نفوذی که جریان یون های فلزی از آند به کاتد را تنظیم می کند، کمک می نمایند.
هم سطح کننده ها:
ممانعت کننده های قوی در آبکاری هستند که با همکاری براقی ها منجر به کاهش سرعت رشد فلز در گوشه ها، برآمدگی ها و لبه ها به واسطه ی افزایش پتانسیل الکتریکی در نواحی مذکور می گردند. شایان ذکر است که پتانسیل الکتریکی مقدار کار مورد نیاز جهت انتقال واحد ذره باردار از یک نقطه به نقطه ی دیگر می باشد. اگر لایه ی فلزی به صورت یکنواخت بر روی کاتد تشکیل نگردد، اتم ها می توانند اشکال نامنظم تشکیل دهند. هم سطح کننده ها نیز از همین رو در راستای یکنواخت نمودن رشد غیرمنظم و ساخت لایه های یکنواخت به کار گرفته می شوند.
تغییر در هندسه ی سطح فلز همراه با تغییر در دانسیته جریان می باشد و از همین رو پتانسیل الکتریکی در این نواحی تغییر خواهد نمود. هم سطح کننده ها بر روی آن مناطقی که پتانسیل الکتریکی شان تغییر کرده جذب می شوند و از پیوستن یون های فلزی بیشتر به این نواحی ممانعت به عمل آورده و به نحوی آن ها را به نواحی دیگر هدایت می نمایند .به محض اینکه لایه ی فلز هم سطح می گردد، میزان پتانسیل کاهش یافته و دیگر براقی به آن نواحی جذب نمی شود. .پس از هم سطح شدن لایه ی فلزی، براقی ها به سوی سایر نواحی دارای پتانسیل بالا حرکت می نمایند.
چگونه آبکاری انجام می شود.
نحوه ی فرآیند آبکاری را می توان در سه مرحله ی کلی خلاصه نمود:
- مهاجرت یونی که در محلول الکترولیت اتفاق می افتد.
- انتقال الکترون که در فصل مشترک فلز و محلول رخ می دهد.
- جذب شدن که بر روی سطح فلز صورت می پذیرد هنگامیکه یون فلزی در درون الکترولیت حاوی جریان حضور دارد، به واسطه ی بار مثبت خود به سوی کاتد مهاجرت می نماید و در ادامه به سطح کاتد می چسبد. به این ترتیب که انتقال الکترون ها به یون صورت می پذیرد و نهایتا محصول این واکنش به فلز رسوب داده شده ملحق می شود تا در نتیجه ی آن بخشی از لایه ی رسوب داده شده توسعه یابد. این مراحل آبکاری را می توان تحت عنوان احیای یون فلزی موجود در الکترولیت به اتم های فلزی خلاصه نمود.