آبکاری الیاژی روی- نیکل

تیم تحقیق و توسعه شرکت جلاپردازان پرشیا

چکيده

خصوصیت مهم پوشش های آلیاژی روی -نیکل مقاومت خوردگی مناسب د رمحیط های شیمیایی مختلف همراه با خواص مکانیکی مطلوب می باشد. به منظور بهینه کردن خواص خوردگی این پوشش ها لازم است شرایط فرایند آبکاری الکتریکی د رراستای ایجاد ترکیب شیمیایی مورد نظر ، مورد بررسی قرار گیرد. د راین پژوهش ابتدا به انتخاب ترکیب حمام آبکاری پرداخته شد و پس از تعیین ترکیب بهینه حمام آبکاری، اثر پارامترهای فرایند آبکاری شامل دانسیته جریان ، دما ، تلاطم، و فاصله بین آند و کاتد بر ترکیب شیمیایی و ظاهر پوشش مورد بررسی قرار گرفتند. در نهات ترسیب الیاژی نیکل - روی در محیط اسیدی انجام گرفت. این پوشش به پسیواسیون کروماته خیلی خوب جواب داده وبراحتی توانستیم کروماته زرد، سفید ومشکی را بدست بیاوریم.با توجه به اینکه پوشش های آلیاژی نسبت به پسیو کردن بسیار حساس میباشند این نکته را میتوان از مزایای این محلول دانست.

هدف

پوشش دهي الکتريکي فلز روي به عنوان يکي از روش هاي پوشش دهي فلز روي بر قطعات فولادي در کنار روش هاي ديگر، نظير گالوانيزه غوطه وري گرم، سالهاست که شناخته شده و مورد استفاده قرار گرفته است. برخي محدوديت ها در خواص و عملکرد اين پوشش ها نظير مقاومت خوردگي، سختي، انعطاف پذيري و مقاومت در برابر محيط هاي شيميائي خاص باعث معرفي و بکارگيري آلياژهاي روي، بويژه با عناصر فلزي نظير آهن، کبالت و نيکل پيش شده است. توسعه فناوري و حيطه استفاده از اين نوع پوشش هاي آلياژي همواره رو به گسترش بوده است. امروزه از اين نوع پوشش ها بطور وسيعي در صنعت ساخت قطعات خودرو و اتصالات استفاده مي شود و بدين ترتيب دست يابي به مقاومت خوردگي بيشتر، سختي و انعطاف پذيري بالاتر و حفظ مقاومت خوردگي حتي پس از عمليات حرارتي و عمليات شکل دهي و نيز شفافيت بهتر و کيفيت و شکل ظاهري مطلوب، همراه با انواع پوشش هاي تکميلي کروماته در قالب پوشش هاي آلياژي روي – نيکل، روي – کبالت و روي – آهن ميسر شده است. پوشش روی نیکل نسبت به گالوانیزه روی خالص، حفاظت در برابر خوردگی بهتری را ایجاد می کند.از آنجا که حفاظت در برابر خوردگی این نوع از پوشش حتی پس از عملیات حرارتی نیز بسیار پایدار است، لذا برای پوشش دهی قطعاتی که در محفظه موتور و تحت حرارت قرار میگیرند کاربرد دارد.مقاومت به سایش بالای این پوشش آن را برای استفاده در قسمت زیر اتومبیل مناسب می سازد. به این دلایل، پوشش آلیاژی روی-نیکل به طور فزاینده ای در صنعت خودرو مورد نیاز است. در نهات ترسیب الیاژی نیکل - روی در محیط اسیدی انجام گرفت. این پوشش به پسیواسیون کروماته خیلی خوب جواب داده وبراحتی توانستیم کروماته زرد، سفید ومشکی را بدست بیاوریم.با توجه به اینکه پوشش های الیاژی نسبت به پسیو کردن بسیار حساس میباشند این نکته را میتوان از مزایای این محلول دانست.

مقدمه

پوشش فلز روي (Zn) براي محافظت فولاد از چند راه مورد استفاده قرار مي‌گيرد:

1. بوسيله تجهيزات الکتريکي ـ شيميايي: پوشش‌دهي الکتريکي
2. از يک حمام فلزي مذاب: گالوانيزه غوطه‌وري گرم (Hot dip galvanizing)
3. از پاشش يک فلز مذاب : فلز پاشي
4. در شکل پودري: پوشش مکانيکي
5. در قالب پوشش گرد رنگ: رنگ پاشي

پوشش روي در قطعات خودرو عمدتا به صورت گزينه اول يعني پوشش‌دهي الکتريکي انجام مي‌شود. روي توسط مکانيسم فداشوندگي (Scarification)  بدليل داشتن تمايل شيميايي بيشتر به ترکيب با اکسيژن، اکسيد شده و با رسوب محصولات خوردگي ناشي از خوردگي روي، از ادامه خوردگي فولاد جلوگيري بعمل مي‌آورد.

در دهه‌هاي گذشته کادميم نقش روي را ايفا مي‌کرد و پوشش کادميم بطور وسيعي در صنايع مورد بهره‌برداري بود. اما بدليل بارز شدن مشکلات مربوط به آلودگي و سمي بودن کادميم، بتدريج پوشش روي خالص جايگزين کادميم گرديد و به عنوان يک عمليات رايج صنعتي در پوشش دادن قطعات متعدد صنعتي و نظامي بکار گرفته شد. دو نکته در مورد فرآيند پوشش‌دهي الکتريکي روي خالص براي قطعات فولادي وجود دارد:

1. در مورد پوشش‌دهي قطعات فولادي با استحکام بالا بدليل جذب هيدروژن از حمام آبکاري و بروز پديده تردي هيدرون (Hydrogen embitterment)، لازم است همواره عمليات هيدروژن‌زدائي صورت گيرد.
2. براي افزايش خاصيت مقاومت به خوردگي پوشش و امکان دسترسي به ظاهر زيباتر و متنوع، معمولا از يک پوشش تکميلي مانند کروماته يا فسفاته بعد از عمليات پوشش‌دهي استفاده مي‌شود.

پوشش‌هاي آلياژي روي

پوشش‌هاي آلياژي روي (Zinc alloy coatings)   بجاي روي خالص، از دهه ۱۹۸۰  ميلادي در ژاپن و اروپا بکار گرفته شد و در دهه اخير نيز در آمريکا مورد توجه قرار گرفت. دلايل عمده روآوري به اين پوشش‌ها عبارتست از:

1. دست‌يابي به حد بيشتر مقاومت خوردگي پوشش همزمان با کاهش ضخامت آن
2. تثبت يک جايگزين مناسب براي پوشش سمي کادميم

گرچه در مقايسه با روي خالص، کنترل ترکيب حمام آبکاري در پوشش‌دهي آلياژهاي روي حساس‌تر است و بدليل استفاده از عناصر آلياژي هزينه بيشتري دارد اما افزايش مقاومت خوردگي در عين کاهش ضخامت پوشش و در نتيجه افزايش عمر و بهبود عملکرد پوشش، هزينه‌ها را جبران مي‌سازد. توسعه صنايع خودروسازي، الکترونيک و هوا ـ فضا از عواملي بود که گسترش کاربرد پوشش‌هاي آلياژي روي را باعث گشت. امروزه حمام‌هاي آلياژي روي نه تنها حفاظت خوردگي بهتري را بدست مي‌دهند بلکه سبب افزايش انعطاف‌پذيري، سختي و روانکاوي پوشش نيز مي‌شوند. پوشش فداشونده‌اي که از آلياژهاي روي بدست مي‌آيد محصول خوردگي با حجم کمتري نسبت به روي خالص توليد مي‌کند.

اساس فرآيند پوشش‌دهي آلياژي روي توانائي در پوشش‌دهي همزمان دو فلز است که با تغيير غلظت يوني فلزات و در نتيجه تغيير اکتيويته آنها ميسر مي‌شود. اگر پتانسيل احياء دو فلز مورد نظر به هم نزديک باشد با تنظيم عواملي همچون شدت جريان، دما، PH و غلظت يون‌هاي فلزي مي‌توان عمليات را انجام داد. استفاده از عوامل کمپلکس‌ساز (Complexer) نظير سيانيدها، سولفاميدها، هيدروکسيدها و مواد آلي ديگر که مي‌تواند با اضافه شدن به محلول حمام آبکاري، تجزيه شده و با ترکيب شدن با يون فلزي، يون‌هاي پيچيده توليد کند راه مطلوبي در اين زمينه است.

 انواع پوشش‌هاي آلياژي روي

• آلياژ روي ـ سيکل: Zn/Ni
• آلياژ روي ـ آهن: ‌Zn/Fe
• آلياژ روي ـ کبالت: Zn/Co
• آلياژ قلع ـ روي: Sn/Zn

انتخاب نوع پوشش آلياژي به الزامات عملکردي قطعه و انتظاراتي که از پوشش مورد نظر وجود دارد برمي‌گردد. آلياژ کردن روي عموما با فلزات گروه هشتم جدول تناوبي يعني آهن، کبالت و نيکل صورت مي‌گيرد که نجيب‌تر از فلز روي هستند و بنابراين با آلياژ شدن با فلز روي، سرعت خوردگي آلياژ نسبت به روي خالص کمتر مي‌شود و حفاظت خوردگي بهتري فراهم مي‌آيد. البته در هر قطعه داراي پوشش، سرعت واقعي خوردگي به ترکيب آلياژ، يکنواختي رسوب، محيط کارکرد قطعه، نوع پوشش تبديلي و ماده پايه پوشش بستگي دارد.

عمده‌ترين مورد استفاده پوشش‌هاي آلياژ روي که با روش پوشش‌دهي الکتريکي بکار مي‌رود و به آن گالوانيزه سرد نيز گفته مي‌شود قطعات خودرو است. ۲۰ تا ۳۰ درصد بقيه کارکرد مربوط به صنعت هوا ـ فضا و الکترونيک است.

پوشش آلياژي روي ـ نيکل

اين پوشش‌ها سابقه بسيار بيشتري نسبت به بقيه پوشش‌هاي آلياژي روي دارند، علاوه بر آنکه از لحاظ مقاومت خوردگي نيز درصدر پوشش‌هاي آلياژي روي هستند. از ويژگي‌هاي مهم اين نوع پوشش خاصيت شکل‌پذيري (Formability)  قطعه فولادي پوشش داده شده است؛ يعني پس از عمليات حرارتي و انجام عمليات شکل‌دهي، مقاومت خوردگي قطعه تا حد بسيار خوبي حفظ مي‌شود، به همين دليل در پوشش‌دهي قطعاتي مانند اتصالات پيچ و مهره، قطعات سيستم ترمز و سيستم سوخت‌رساني بکار مي‌رود. سختي 300 ـ 250 ويکرزي پوشش باعث پديد آمدن مقاومت به سايش بسيار خوب در قطعه مي‌شود. مقاومت در برابر گرما، نور ماوراء بنفش و سيالات هيدروليکي و سوخت‌ها از جمله ويژگي‌هاي ديگر اين نوع پوشش‌هاست. به همين دليل در قطعات زير کاپوت (under-the-hood) خودرو که در معرض گرما هستند کاربرد وسيعي دارند. کاربرد پوشش‌هاي آلياژي  روي ـ نيکل در صنعت اتصالات و پيچ و مهره و قطعات رزوه‌دار نيز رو به توسعه است. با توجه به اينکه اين پوشش‌ها در تماس با آلومينيوم، خوردگي گالوانيکي از خود نشان نمي‌دهد، در صنايعي که شامل بدنه‌هاي آلومينيومي است کاربرد زيادي دارند. از لحاظ قيمتي، پوشش‌هاي آلياژي روي ـ نيکل گرانترين پوشش‌هاي آلياژي روي به شمار مي‌آيند. پوشش‌هاي آلياژي روي ـ نيکل، هم از حمام‌هاي قيليائي و هم حمام‌هاي اسيدي پوشش داده مي‌شوند که ترکيبات و خواص متفاوت پوشش را پديد مي‌آورند. براي افزايش مقاومت به خوردگي پوشش، افزايش قدرت چسبندگي رنگ يا ساير پوشش‌هاي آلي، افزايش خاصيت روانکاري و پديد آمدن ظاهري خوشايند و متنوع از پوشش‌هاي تبديلي نظير کروماته، در انواع رنگ‌هاي مختلف زرد، روشن، برنزي، قوس و قزحي و مشکي استفاده مي‌شود.

از مزایای دیگر این فرایند :

ایجاد پوشش یکنواخت آلیاژی روی نیکل با درصد نیکل 15-10 %

عدم خوردگی گالوانیزه هنگام مونتاژ شدن با آلومینیوم.
مقاومت بیشتر در برابر تنشهای حرارتی.

مناسب برای قطعات با ژئومتری پیچیده.

حمام مورد نیاز برای ترسیب الیاژی نیکل -روی دو دسته موجود می باشد:

1-حمام های قلیایی

2-حمام های اسیدی

 حمام‌هاي قليائي پوشش روي ـ نيکل

رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمام‌هاي قليائي روي ـ نيکل حاوي کمتر از ۱۰ درصد نيکل          (۹ـ۶ درصد) است. فرمولاسيون اين حمام‌ها هرگز قادر به توليد آلياژهاي روي با نيکل بيشتر از ۱۲ درصد نيست. بازده پوشش‌دهي حمام قليايي ۴۰ـ۲۰ درصد است. سرعت پوشش‌دهي در اين حمام‌ها کمتر است اما ترکيب يکنواخت‌تري از پوشش بدست مي‌آيد. در اين حمام‌ها الکتروليت اصلي سود سوزآور (Caustic soda)  شامل محلول زينکات Na₂Z_n(OH)₄ است. از عوامل کمپلکس‌ساز و از همه بهتر آمين‌هاي آليفاتيک استفاده مي‌شود. همين امر باعث کاهش بازده الکتريسيته و در نتيحه کاهش سرعت رسوب‌گذاري مي‌شود. همزدن محلول نيز ضخامت لايه نفوذي را کاهش مي‌دهد. هر چه دما بيشتر باشد، بدليل نازک‌تر شدن لايه نفوذي، رسوب فلز غيرفعال‌تر بيشتر مي‌شود. اين امر باعث افزايش سرعت جوانه‌زني و ريزتر شدن دانه‌بندي مي‌شود. گرچه افزايش سرعت رسوب‌گذاري احتمال بروز ناصافي در سطح را بيشتر مي‌کند. دماي مطلوب پوشش‌دهي در اين حمام‌ها ۲۹ درجه سانتيگراد است. هر چه دما بيشتر باشد پوشش تيره‌تر و هر چه دما کمتر باشد رسوب نازک شيري رنگ مي‌شود. مقدار روي در اين حمام‌ها 12 ـ5/7 گرم در هر ليتر الکتروليت است.

 حمام‌هاي اسيدي پوشش روي ـ نيکل

رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمام‌هاي اسيدي روي ـ  نيکل حاوي ۱۵ـ۱۰ درصد نيکل و بقيه فلز روي است. با افزايش مقدار نيکل تا ۱۸ درصد مقاومت خوردگي نيز افزايش مي‌يابد اما اگر مقدار نيکل بيشتر شود غيرفعال شدن (passivation)، سطح بيشتر مي‌شود و خواص فداشوندگي و حفاظت خوردگي رو به نزول مي‌رود.  بعلاوه هنگامي که مقدار نيکل زياد مي‌شود غيرفعال‌سازي پوشش کروماته مشکل و حتي غيرممکن مي‌شود و کاهش مقاومت خوردگي را در پي دارد. حمام‌هاي اسيدي حاوي سولفات و کلرايد هستند و عوامل کمپلکس‌سازي نظير کلريد آمونيم نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در روش‌هاي سنتي و قديمي، از آندهاي مجزاي روي و نيکل استفاده مي‌شود که به يکسوکننده‌هاي (rectifier)  مجزا متصل هستند. در فناوري‌هاي جديد از يک يکسوکننده و آندهاي روي استفاده مي‌شود در حالي که نيکل به شکل يک افزودني به حمام اضافه مي‌شود.

متد کار

برای دست یابی به این ترسیب الیاژی محلول های متفاوتی بکار گرفته شد .نکته حائز اهمیت این بود که پوشش حاصله دارای رنگ ظاهری و بافت مناسب باشد .بنابراین علاوه بر اینکه به دنبال ترکیب مناسب برای حمام باشیم بدنبال راهکاری بودیم تا بتوانیم راحت ترین شرایط اعمال را داشته باشیم .در نهایت حمام بکار گرفته شده در این کار در دسته حمام های اسیدی بوده و پی اچ این محلول در حدود 3 میاشد.این فرایند در دمای محیط صورت میگیرد.این محلول حاوی نمک های روی و نیکل وهمچنین عامل کمپلکس دهنده می باشد.کنترل پی اچ این وان رانیز میتوان توسط اسید سولفوریک انجام داد.نکته مهم در ترسیب پوشش های الیاژی میزان گرم از هر نوع فلز میباشد.با مطالعات انجام شده نهایتا به نسبت مورد نظردست یافتیم.

مانند هر فرایند ترسیبی اماده سازی قطعه قبل ازاعمال فرایند بسیار مهم میباشد .این پوشش مانند پوشش گالوانیزه به مراحل چربیگیری و اسید شویی بسیار حساس میباشد بنابراین مراحل انجام فرایند را میتوان بدین گونه طراحی نمود:

1-چربیگیری

2-اسیدشویی

3-ترسیب الکتریکی

4-پسیواسیون

که پس از انجام هر مرحله قطعه شستشو داده میشود.

از نکات مورد توجه این بود که پس از ترسیب بتوان از محلول های پسیو کننده معمول جهت پسیواسیون این پوشش استفاده کرد. این پوشش به پسیواسیون کروماته خیلی خوب جواب داده وبراحتی توانستیم کروماته زرد، سفید ومشکی را بدست بیاوریم.با توجه به اینکه پوشش های الیاژی نسبت به پسیو کردن بسیار حساس میباشند این نکته را میتوان از مزایای این محلول دانست.محلول های پسیواسیون مورد استفاده حاوی یون کروم میباشند که متناسب با رنگ محصول مورد نظرمیتوان  از نمک فلزات واسطه استفاده کرد.این ترکیبات قادرند پوششی یکنواخت با محافظت بالا در برابر خوردگی از خود نشان دهند.از دیگر مزایای این نمک های مورد استفاده در محلول پسیو کننده طراحی شده پایداری بالا ومقاومت در برابر تجزیه شدن میباشد.

نتیجه گیری

حمام بدست امده برای ترسیب الیاژی روی -نیکل اسیدی بوده ودر دمای محیط اعمال میشود.پس از ترسیب از محلول های کروماته معمول جهت پسیواسیون استفاده گردید که پوشش های کروماته زرد،سفید ومشکی حاصل گردیدند.در محلول های پسیواسیون از نمک های متناسب با نوع ترسیب استفاده شد تا در نهایت بالاترین کیفیت در رنگ ظرهری ومقاومت در برابر خوردگی قطعه حاصل گردد.