آبكاري بدون برق نيكل و بررسي برخي از خواص آن
منبع :http://faridbensaeed.blogspot.com
تهیه کننده :مهندس حامد حرافی
از پوشش‌هاي الكترولس )بدون برق) نيكل- فسفر بطور وسيعي به عنوان پوشش مقاوم در برابر خوردگي و سايش, بر روي سطوح اكثر فلزات و براي طيف وسيعي از كاربردهاي مهندسي استفاده مي‌گردد. پوششها سبب ايجاد يك لاية محافظ در برابر خوردگي و ساييدگي مي شوند. خوردگي و ساييدگي ماشين‌ها و دستگاه‌هاي صنعتي, دو عامل عمدة اتلاف سرمايه هاي ملي هستند كه نه تنها باعث كاهش عمر مفيد دستگاهها مي‌شوند, بلكه باعث افزايش هزينه‌هاي مربوط به نگهداري و جايگزيني قطعات نيز مي‌شوند. علاوه بر كاهش خوردگي و ساييدگي, روكشها از جهات ديگر نيز موردنياز هستند كه شامل توانايي‌هاي مكانيكي و حرارتي, خواص الكتريكي و مغناطيسي, توانايي لحيم‌كاري و غيره است.
در سال‌هاي قبل از قرن 19 آبكاري به عنوان يك عمليات سطحي براي زينت دادن و جلوگيري از خوردگي قطعات بكار مي‌رفته است. پيشرفت علم و دانش در قرن حاضر منجر به كشفيات بسياري گرديد, در اين ميان مي‌توان به فرآيند آبكاري بدون برق اشاره كرد.
از سال 1940 كه فرآيند ايجاد پوشش بدون برق نيكل كشف گرديد تا كنون تحقيقات بسيار زيادي بر روي عملكرد و شرايط اين فرآيند انجام شده و هنوز هم در حال انجام است بطوري كه در كمتر مجله الكتروشيمي است كه درباره اين فرآيند مقاله‌اي نيامده باشد.
مقاومت خوردگي بالاي پوشش‌هاي بدون برق نيكل- فسفر بدليل رويينگي و سرعت خوردگي پايين آن در اكثر محيطهاي خورنده مي باشند و بعلت وجود فسفر در پوشش و ماهيت ميكروكريستالي پوشش, تخلخل پايين و توانايي روش آبكاري بدون برق در پوشش دادن تمامي سطح فلز نظير شيارها, سوراخ‌ها و منافذ دروني حساسيت پوشش به خوردگي موضعي پايين مي باشد. مقاومت خوردگي پوشش‌هاي موردنظر را مي‌توان با انتخاب فاكتورهايي صحيح همچون ضخامت پوشش, درصد فسفر و انتخاب صحيح شرايط حمام افزايش داد. مقدار فسفر موجود در پوشش‌هاي آبكاري بدون برق نيكل- فسفر در حمام اسيدي هيپوفسفيت، بستگي به شيمي حمام و شرايط كاري آن دارد.
انواع روش‌هاي آبكاري
بطور كلي براي انجام هر فرآيند پوشش كاري (coating), الكتروليتي لازم است كه واكنش زير انجام شود:
M+z + ze- ® Mo
براي ايجاد پوشش وجود يون M+z در محلول الزامي است. برحسب اينكه از چه منبعي براي تأمين الكترون استفاده گردد, پوشش كاري الكتروليتي را مي‌توان به دو روش آبكاري با استفاده از جريان الكتريكي(Electroplating) و آبكاري بدون استفاده از جريان برق(Electrolessplating) طبقه‌بندي كرد. در روش آبكاري با برق از يك منبع خارجي براي تأمين الكترون استفاده مي‌شود, در حالي كه در روش آبكاري بدون برق, الكترون‌هاي موردنياز بدون استفاده از يك منبع خارجي, در محدودة مرزي الكترود، از طريق يك ماده احياء كننده طي يك فرايند الكتروشيميايي يا طرق ديگر فراهم مي گردد. روش‌هاي پوشش‌دهي فلزي بدون استفاده از منبع جريان برق را مي‌توان همراه با ماده احياءكننده يا بدون آن انجام داد. اگر همراه با مادة احياءكننده نباشد, پوشش مي‌تواند به دو روش غوطه‌وري ساده و روش اتصال ايجاد گردد. شكل زير نوع فرآيند بدون برق طبق نظريه گاوريلو را نشان مي‌دهد.
اصول كلي پوشش دادن اجسام فلزي از طريق شيميايي
آبكاري بدون برق نيكل
اساس حمام‌هاي آبكاري خودكاتاليستي يا آبكاري شيميايي بر احياء نمك‌هاي فلزي استوار است. آبكاري بدون برق نيكل روشي براي ايجاد پوشش نيكل با استفاده از يك ماده احياءكننده مي‌باشد.
روكشهاي الكترولس نيكل بطور گسترده در صنايع مختلف از سال‌هاي نزديك به 1980 مورداستفاده قرار مي‌گيرد. از خصوصيات برجسته اين روكشها مي‌توان به مقاومت عالي در برابر خوردگي و فرسودگي, يكنواختي فوق‌العاده در محدوده گسترده‌اي از ضخامت شكل زير به همراه خواص مكانيكي, فيزيكي و لحيم‌پذيري خوب و ايجاد سطحي با اصطكاك كم نام برد. اين پوششها بطور گسترده به عنوان يك پوشش حفاظتي در بسياري از صنايع از جمله صنايع شيميايي, نفت، پلاستيك, چاپ, معدن, هوا فضا, هسته‌اي, اتومبيل‌سازي, الكترونيك, كامپيوتر, نساجي كاغذسازي و صنايع غذايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
تركيب و ساختمان:
تفاوتهاي اساسي زيادي در رابطه با ساختمان و خلوص مابين آبكاري با برق و بدون برق نيكل وجود دارد. براي نمونه خلوص آبكاري با برق نيكل بطور عادي و معمول بيش از %99 است اما وقتي هيپوفسفيت سديم به عنوان عامل كاهنده در آبكاري بدون برق مورد استفاده قرار مي‌گيرد يك تركيب معمول و عادي براي اين روكش داراي %92 نيكل و %8 فسفر است .
مقدار فسفر داراي تاثير زيادي روي خواص روكش است. در نتيجه براي ايجاد يك روكش نيكل بايد ابتدا نوع آن را از نظر دارا بودن مقدار فسفر تعيين كنيم. براي نمونه از نظر ميزان مقاومت در برابر خوردگي و از نظر ميزان خواص سختي، آلياژ كم فسفر و پر فسفر با همديگر تفاوت دارند.
ساختار رسوب الكترولس نيكل پاسخي است به خواص منحصر به فرد اين آلياژ، اختلاف فاحشي مابين ساختار كريستالي ته نشت برقي و ته نشت الكترولس وجود دارد كه اين اختلاف مربوط به ساختار آمورف ته‌نشت الكترولس مي‌باشد. ساختار آمورف در رسوبهايي با فسفري بيش از 5/10% غالب است. فقدان ساختار كريستالي well- defined موجب حذف خوردگي بين دانه‌اي مي‌شود كه اين نوع ساختار كريستالي مي‌تواند مشكلي در ترسيب با اعمال جريان الكتريكي به شمار آيد، بنابراين آبكاري بدون برق نيكل روكشي با اثرات بازدارندگي و حفاظتي در محيطهاي خورنده بوجود مي‌آورد.
آزمون پراش اشعة ايكس نشان مي‌دهد كه شبكة كريستالي آلياژ از فازهاي ناهمگون و جداگانة نيكل فلزي و فسفيد نيكل (Ni3P) تشكيل يافت است.
2-2 خواص فيزيكي:
يكنواختي ضخامت:
يك مشخصه كه بزرگترين اهميت را در كاربرد روكشهاي الكترولس نيكل به خود اختصاص داده است توانايي اين فرآيند براي توليد روكشهايي با بالاترين درجه از نظر يكنواختي ضخامت مي‌باشد. اين فايدة بزرگ كه در آبكاري با استفاده از جريان برق وجود ندارد ناشي از اين حقيقت است كه هيچ جريان درگير و پيچيده‌اي وجود ندارد و به طبع آن مشكلات ناشي از توزيع و پخش جريان بوجود نمي‌آيد.
يكنواختي ضخامت با استفاده از آبكاري با برق خيلي مشكل است ولي تاحدي مي‌توان با بهبود توزيع جريان يا با انتخاب مناسب الكتروليت و با استفاده از آندهاي كمكي و ديواره‌اي تا حدي بر اين مشكل فائق آمد ولي تقريباً و بدون ترديد ضخامت يكنواخت بوسيلة آبكاري بدون برق راحت‌تر و آسانتر از آبكاري با برق قابل دسترسي است.
آبكاري الكترولس نيكل يك فرآيند شيميايي است كه هيچ شار جرياني در آن دخيل نيست و سرعت ترسيب نيكل بر تمام قسمتها مساوي است كه اين با يكنواخت ماندن شرايط محلول به راحتي قابل دسترسي است. دما، pH، بهم زدن و تركيبات محلول پارامترهايي هستند كه سرعت ترسيب و يكنواختي ضخامت را كنترل مي‌كنند. شكل زير مثال و نمونه‌اي از تفاوت ميان يكنواختي ضخامت آبكاري به روش الكترولس و با استفاده از جريان برق را نشان مي‌دهد.
.
آبكاري با برق آبكاري بدون برق
مقايسه يكنواختي روكش ترسيب شده در روش آبكاري با برق و بدون برق.
خواص الكتريكي:
مقاومت ويژه نيكل خيلي خالص 6-10×8/7 ohm/cm است اما آن در روكشهاي الكترولس نيكل مي‌تواند در حدود 10 برابر بيشتر باشد. اين نتايج نشان مي‌دهد ميزان مقاومت ويژه با افزايش مقدار فسفر در آلياژ نيكل- فسفر افزايش مي‌يابد. در شكل زيرمقدار گسترة تغييرات مقاومت ويژه براي آلياژ فسفركم، فسفر متوسط و فسفر زياد نشان داده شده است.
عمليات حرارتي روي روكشهاي الكترولس نيكل باعث كاهش ميزان مقاومت ويژه مي‌شود كه اين مي‌تواند در دماي پاييني مثل 150 درجه سانتي‌گراد رخ دهد اما بيشترين تغييرات در دماهاي مابين 260-280 روي مي‌دهد كه در اين دماها با ترسيب فسفيد نيكل ساختار آلياژ دگرگون مي‌شود.
خواص مغناطيسي:
خواص مغناطيسي روكشهاي الكترولس نيكل داراي اهميت زيادي است و علت در اين است كه بزرگترين زمينه كاربرد آلياژ فسفر زياد بعنوان يك زير لايه براي روكشهاي مغناطيسي در توليد ديسكهاي حافظه است. عكس‌العمل و پاسخ مغناطيسي آلياژ الكترولس نيكل- فسفر با تغييرات مقدار فسفر در شكل زير نشان داده شده است.
بخشهاي فرومغناطيسي در نيكل خالص با افزايش مقدار فسفر در آلياژ كاهش شگرفي مي‌يابد و رسوبهايي با مقدار فسفر بيش از %11 مانند يك غيرمغناطيس عمل مي‌كنند. اين شرايط مي‌تواند بطور همتراز بعد از عمليات حرارتي تا 260 درجه سانتي‌گراد در يك زمان كوتاه باقي بماند اما هرگاه عمليات حرارتي موجب ترسيب فسفيد نيكل شود به علت اينكه موجب تغيير ساختار آلياژ مي‌شود خاصيت فرومغناطيسي افزايش خواهد يافت.
خواص گرمايي:
ضريب همبستگي دمايي انبساط روكش الكترولس نيكل از μm/m/c 3/22 در فسفر %3 به 1/11 در فسفر %11 تغيير مي‌يابد كه در مقايسه با نيكل خالص كه با آبكاري با برق تهيه شده است اين رنج در حدود 17 تا 14 μm/m/c مي‌باشد.
خواص مكانيكي:
سختي روكشهاي الكترولس نيكل فاكتور خيلي مهمي است كه در بسياري از كاربردها مفيد است. ميزان سختي روكشهاي الكترولس نيكل بطور زيادي تحت تاثير مقدار فسفر است كه اين موضوع در شكل زير نشان داده شده است.
Dependence of hardness of EN deposit on phosphorus content [Duncan, 1996].
افزايش سختي مي‌تواند همچنين در دماهاي پايين ولي با مدت زمان زيادتر بدست آيد.
مقدار فسفر همچنين يك فاكتور در سرعت سختش است. افزايش مدت زمان عمليات حرارتي در رسوبهاي با فسفر زياد اثر خيلي كمي در سختي دارد.
رسوبهاي با فسفركم رفتار متفاوتي نشان مي‌دهند و افزايش مدت زمان عمليات حرارتي باعث كاهش ميزان سختي در مقدار ماكزيمم بدست آمده مي‌شود.
مقاومت در برابر فرسودگي:
روكشهاي الكترولس نيكل داراي مقاومت خوبي در برابر فرسودگي هستند بعلت اينكه سختي‌اشان بالا و خاصيت لغزندگي و ليزي طبيعي خوبي دارند. مقاومت در برابر فرسودگي مي‌تواند بوسيلة عمليات حرارتي و در صورت نياز بوسيلة مواد ريزي مانند كربيدسيليكون، دياموند، آلومينا، تركيبات كربن فلوريد و پلي‌تترافلرواتيلن افزايش يابد.
فرسودگي مي‌تواند مربوط به از دست دادن موادي از سطح در نتيجة واكنشهاي مكانيكي باشد. فرسودگي مي‌تواند بوسيلة ساييدگي يا خراشيدگي اتفاق بيافتد. سختي مطمئناً تنها فاكتور در برآورد مقاومت در برابر فرسودگي روكشها نيست ولي يكي از مهمترين موارد است. روكشهاي الكترولس نيكل داراي مقاومت خوبي در برابر ساييدگي و خراشيدگي هستند. اگرچه آنها به سختي ديگر روكشها مانند روكشهاي بدست آمده از آبكاري با برق كرم نيستند، با اين وجود، سختي و مقاومت در برابر فرسودگي مي‌تواند بوسيلة عمليات حرارتي در اندازه‌هاي نزديك به كروم افزايش يابد.
مسائل و مشكلات مربوط به فرسودگي زماني كه دو سطح فلزي در تماس با هم هستند موجب پوسته پوسته شدن روكش مي‌شود خصوصاً اگر سختي دو سطح نزديك به هم باشد.
توانايي در تغيير سختي روكشهاي الكترولس نيكل با عمليات حرارتي يا با كنترل مقدار فسفر مي‌تواند در جلوگيري از پديدة پوسته پوسته شدن مفيد واقع گردد، خصوصاً اگر هر دو سطح تماس روكش نيكل باشد.
روشن است كه روكشهايي با محتواي فسفركم خواص مقاومت خوبي در برابر فرسودگي از خود نشان مي‌دهند و اين خصيصه طبيعتاً مربوط به سختي زياتر آنها است.
مقاومت در برابر خوردگي:
مقاومت در برابر خوردگي براي روكشهاي الكترولس نيكل يكي از دلايل مهمي است كه بطور شايع و روزافزون بعنوان يك روكش حفاظتي استفاده مي‌گردد. سرعت خوردگي در اين روكشها به مقدار فسفر الياژبستگي دارد( شكل زير)
Effect of phosphorus content on corrosion rate of EN deposition in 10% HCl [Duncan, 1996].
براي نمونه، رسوبهايي با محتواي فسفر زياد روكشهايي ضعيف‌تر از روكشهاي با محتواي فسفركم در دماي بالا و محيطهاي خيلي قليايي هستند اما در محيطهاي خنثي و اسيدي متوسط فوق‌العاده بهتر هستند.
--
Farid Bensaeed
۱ نظر:
لطفا شرایط آبکاری بدون برق نقره را در صورت امکان برای اینجانب ایمیل کنید . با تشکر
ارسال یک نظر