عملیات سطحی

الکتروپولیش

پروسه الکتروپولیش، سطح فولاد، فولاد زنگ نزن، آلیاژ‌های مس و آلومینیوم را در حمام الکترولیتی صاف،

براق، صیقلی و تمیز می‌کند. طی این پروسه نقاط برآمده روی سطح فلز از بین رفته و به آن جلای بیشتری می‌دهد.

نحوه عمل

قسمتی از فلز در یک بستر مایع (الکترولیت) غوطه‌‌ور شده و در معرض جریان الکتریکی قرار می‌گیرد. قطعه فلزی به عنوان آند (+) قرار داده می شود و از فولاد زنگ‌نزن 316 و یا مس به عنوان فلز کاتد (-) استفاده می‌شود. جریان مستقیم از آند حرکت کرده و باعث قطبیده شدن آن می شود. و بدین ترتیب یون های فلزی به صورت فیلمی نازک به کاتد نفوذ می کنند و فرایند حل شدن فلز (آند) به صورت کنترل شده صورت می گیرد. مقدار فلز حل شده به حمام، دما، دانسیته جریان و آلیاژ الکتروپولیش شده وابسته است. معمولا در فولاد زنگ‌نزن در 1500 آمپر دقیقه بر فوت مربع، 0005/0 اینچ از فلز کنده می‌شود. جریان و زمان دو عامل قابل کنترل جهت رسیدن به پرداخت و عملیات سطح به شمار می روند. برای مثال 100 آمپر بر فوت مربع الکتروپولیش برای 5 دقیقه، 500 آمپر بر دقیقه است. و 200 آمپر بر فوت مربع برای 5/2 دقیقه نیز 500 آمپر بر دقیقه است. هر دو قطعه فلز باید دارای پروفایل سطح یکسان باشند. دانسیته جریان در این روش از 90 تا 800 آمپر بر فوت مربع بسته به سطح و عوامل دیگر قابل استفاده است. زمان الکتروپولیش نیز از 1 تا 15 دقیقه متغیر است.                                  

مزایا

روش های مکانیکی متداول پرداخت مانند آغشته کردن، خم کردن، فشار و حتی شکست سطح کریستالی فلز برای رسیدن به سطوح صیقلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش الکتروپولیش با کندن فلز از سطح و بدون هیچ گونه فشار و احتباس، از نظر میکروسکوپی سطحی صاف و اغلب بسیار صیقلی را ایجاد می‌کند. بعلاوه بهبود مقاومت در برابر خوردگی و کنش‌پذیری در آلیاژ‌های آهنی و غیر آهنی از مزایای این روش است. این پروسه هم به میزان میکرو و هم ماکرو در فلز انجام می پذیرد. میکرو پولیشینگ برای درخشان کردن و ماکرو پولیشینگ برای صیقلی کردن فلز کاربرد دارد.

فرایند حذف برآمدگی به علت دانسیته جریان بیش‌تر در برآمدگی‌ها به سرعت تکمیل می‌شود و همچنین به دلیل پوشش اکسیژن در شیار‌ها، نوک برآمدگی پیوسته درمعرض قرار می گیرد.

به علت وجود قطعه در حمام اکسیژن در هیدروژن هیچ گونه شکستی رخ نمی دهد. در واقع الکتروپولیشینگ همانند یک پروسه تابکاری بدون فشار عمل می کند. که در طی آن هیدروژن از سطح کنده می شود. و قرارگرفتن قطعه تحت جریان چرخش الزامی است.

مزیت دیگر این روش این است که باکتری ها روی سطوح عاری از هیدروژن نمی‌توانند تکثیر شوند بنابراین روش الکتروپولیش برای تجهیزات پزشکی، دارویی، نیمه‌هادی ها و صنایع غذایی بسیار ایده‌آل است. ترکیب   عدم وجود خطوط جهت دار که ناشی از به کار بردن پرداخت‌ مکانیکی می‌باشد، با وجود سطوح عاری از هیدروژن، باعث ایجاد سطحی تمیز از نظر بهداشتی بدون هیچ باکتری و خاک می‌گردد.

خلاصه مزایا و ویژگی‌های منحصر بفرد

• عدم وجود فشار در سطح
• حذف اکسید
• کنش‌پذیری فولاد زنگ‌نزن، برنج و مس
• مقاومت در برابر خوردگی فوق‌العاده
• سطوحی تمیز از نظر بهداشتی
• کربن زدایی فلزات
• بدون شکنندگی هیدروژن
• عدم وجود خطوط جهت‌دار
• مقاومت کم سطح جوش
• کاهش اصطکاک
• حذف برامدگی و صیقلی شدن قسمت های کج و نامناسب قطعه
• برش دادن و تیز‌کردن لبه‌ها بسته به مکان رک
• کاهش مراحل تابکاری
• سادگی سیستم

وجود سه مرحله مهم در الکتروپولیش موفق سطوح فلزات الزامیست:

1- آماده‌سازی و تمیز‌کردن سطح

2- الکتروپولیش (آبکشی الکتروپولیش)

3- بعد از عملیات (آبکشی، نیتریک اسید 30% با درجه بوم 42 ، آبکشی، آبکشی با آب دوبار تقطیر گرم)

تجهیزات مورد نیاز جهت الکتروپولیش

مخزن الکتروپولیشینگ

مخزن الکتروپولیش که معمولا از فولاد زنگ‌نزن 316 که داخل و خارج آن دوبار جوش‌کاری شده است، می‌باشد. وجود فولاد زنگ‌نزن که دارای مقاومت در برابر حرارت می‌باشد، در مواقعی که آب زیادی وارد الکترولیت می‌شود، الزامیست.

پلی‌پروپیلن با ضخامت  تا 1 اینچ نیز می‌ تواند به عنوان مخزن مورد استفاده قرار گیرد.این مخزن می‌‌تواند دمای 180 تا 190 درجه فارنهایت را تحمل کند.

منبع تغذیه

منبع جریان مستقیم یکسوکننده نام دارد.بطور معمول یکسوکننده متناسب با اندازه مخزن الکتروپولیش می باشد. اگر مخزن توسط شیر آب در میان سیم پیچ سرد شود، اندازه یکسوکننده بیش از 5 آمپر بر گالن مورد نیاز نیست. بنابراین در مخزن به اندازه 500 گالن، ظرفیت یکسوکننده نباید بیش از 2500 آمپر باشد. اگر 3500 آمپر مورد نیاز باشد، سایز مخزن باید جهت جبران افزایش ولتاژ ورودی به تانک افزایش یابد (آمپر x ولت = وات).

همچنین میزان ولتاژ متناسب با تعداد آمپر مورد نیاز جهت الکتروپولیش تعیین می شود. معمولا 600 تا 3000 آمپر برای ولتاژی به اندازه 18 ولت و 3500 تا 10000 آمپر برای ولتاژ 24 ولت در یکسوکننده مورد نیاز است. ولتاژ بهینه برای فولاد زنگ نزن 9 تا 13 ولت است.

ولتاژ مورد نیاز یکسوکننده برای الکتروپولیش آلومینیوم مورد نیاز است. برای آلومینیوم تغییرات ولتاژ موثر تر از آمپر است.

 رک ها

رک های الکتروپولیش برای اکثر فلزات از مس ساخته شده اند که لایه بسیار نازکی از تیتانیوم نیز روی آن ها پرس شده است.گیره های مسی، فسفر – برنز ویا تیتانیوم مورد استفاده قرار می گیرند و می تواند با پیچ و مهره ایی از جنس تیتانیوم چفت شوند.برخی از رک های مسی با پی وی سی پوشیده شده اند.این رک ها برای الکتروپولیش کردن آلومینیوم، مس، برنج،برنز و همچنین تیتانیوم به کار می رود.

در هنگام ساخت رک باید به این نکته توجه داشت که 1 اینچ مربع از مس 1000 آمپر را حمل می کند بنابراین اگر دو اسپین 1 x استفاده شود این رک توانایی حمل 500 آمپر را دارد.

هنگام انجام پروسه روی حجم بالایی از قطعات، بشکه و یا سینی باید مورد استفاده قرار بگیرد.

ایجاد آشفتگی

معمولا در انتهای مخزن الکتروپولیش یک جریان هوا جهت هم زدن مایع به صورت مورب تعبیه می شود تا از ایجاد اختلاف دما جلوگیری شود. به علت وقوع پدیده وایت واش باید از قرارگرفتن مستقیم هوا در زیر قطعات جلوگیری شود.

آشفتگی مکانیکی بهترین روش برای ایجاد تلاطم است. این عمل باعث حرکت دادن محلول تازه به سطح و سرعت بخشیدن به عمل الکتروپولیش می شود. از روش های دیگر آشفتگی می توان به هم زدن، پمپ فیلتر و پمپ مجزا اشاره کرد.

فیلتراسیون در بسیاری از سیستم های الکتروپولیش کاربرد دارد. این روش باعث ماندگاری طولانی محلول می شود و نیازی به تمیز کردن مداوم تانک نیست. در سیستم های با تکنولوژی بالا فیلتراسیون ضروری است.

دما

بیشتر محلول های الکتروپولیش باید در طول پروسه حرارت داده و خنک شود. حرارت دهی کنترل شده  با هیترهای الکتریکی از جنس فولاد زنگ نزن با پوشش کوارتز و یا تفلون کامل می شود. در سیستم هایی که بخار استفاده می شود از سیم پیچ تفلون استفاده می شود.سرب به علت سمی بودن به ندرت استفاده می شود. خنک کردن نیز  با سیم پیچ هایی از جنس فولاد زنگ نزن 316 کامل می شود.در سیستم هایی که حمام آبکاری اسید سولفوریک است نمی توان از فولاد زنگ نزن استفاده کرد زیرا در دمای بالای سطح سیم پیچ اسید به فولاد آسیب می رساند. از آنجا که دما از 250 درجه فارنهایت بالاتر نمی رود، جنس فولادی مخزن بسیار مناسب است.

خنک کننده ها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که محلول درون مخزن 10 تا 15 آمپر بر گالن از طرف یکسوکننده دریافت کند.

مبدل های حرارتی نیز زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که جریان ورودی بیش از 5 آمپر بر گالن باشد.

محلول های شاخص

حمام های آلی، معدنی و آلی/ معدنی مورد استفاده در الکتروپولیش هستند. تعدادی از فرمول های شاخص در زیر آمده است.

آلومینیوم

به علت طبیعت آمفوتری آلومینیوم، این فلز می تواند در هر دو الکترولیت اسیدی و قلیایی الکتروپولیش شود. پروسه درخشان شدن با کمترین میزان آسیب، استفاده از آلومینیوم خالص و پیش پرداخت کامل می شود.

پروسه آلزاک : مرحله اول (درخشان کردن)

فلوبوریک اسید، %5/2

دما،85 درجه فارنهایت

ولتاژ،15 تا 30 ولت

دانسیته جریان،10تا20 آمپر بر فوت مربع

فیلم قطبی در محلول قلیایی داغ عریان سازی می شود.آندی شدن طبق معمول در حمام اسید سولفوریک دنبال می شود. در این شرایط فقط آلیاژهای بسیار خالص (95/99%) مورد استفاده قرار می گیرد.

صیقلی و درخشان شدن در محلول های اسیدی غلیظی که خاصیت حذف بهتر و نرم کردن بیشتر دارند، بدست می آید.

Batteelle

اسید سولفوریک، %7/4

فسفریک اسید، 75%

کرومیک اسید،%5/6

Al⁺³ و Cr⁺³ تا 6%

دانسیته جریان، 150آمپر بر مربع فوت

دما، 175 تا 180 درجه فارنهایت

ولتاژ، 10 تا 15 ولت

اسید کرومیک فرایند آبکاری را کاهش می دهد اما از شش ظرفیتی به سه ظرفیتی تغییر فرم می دهد. اسیدسولفوریک مقاومت سل و یا ولتاژ را کاهش می دهد اما سرعت آبکاری را افزایش می دهد.

مس و آلیاژها

R.W.Manuel

آب، 100 قسمت با درصد وزنی

فسفریک اسید، 75%

سدیم دی کرومات، 5/37 قسمت با درصد وزنی

استیک اسید، 5/12 قسمت با درصد وزنی

سولفوریک اسید، 10 قسمت با درصد وزنی

دانسیته جریان، 250 تا 1000 آمپر بر مربع فوت

دما، 86 درجه فارنهایت

H.J.Wiesner

سدیم تری پلی فسفات، 14 تا 16 اوز بر گالن

بوریک اسید4 تا 5 اوز بر گالن

pH، 7 تا 5/7 اوز بر گالن

دما، 125 تا 135 درجه فارنهایت

مینیمم دانسیته جریان، 100 آمپر بر مربع فوت

S.B.Emery

آمونیوم فسفات، 100 قسمت

سیتریک اسید، 100 قسمت

پتاسیم فسفات، 25 قسمت

آب، 1000 قسمت

ولتاژ، 6 تا 25 ولت

دانسیته جریان، 75 تا 575 آمپر بر مربع فوت

نیکل و آلیاژها

سولفوریک اسید، مینیمم 60%

کرومیک اسید، تا حد اشباع

آب، به میزان لازم

سولفوریک اسید، مینیمم 60%

گلیسیرین، 200 میلی لیتر بر لیتر

آب، به میزان لازم

نیکل سولفات، 240 گرم بر لیتر

آمونیوم سولفات، 45 گرم بر لیتر

پتاسیم کلرات، 35 گرم بر لیتر

ارتوفسفریک اسید، 15 تا 70%

سولفوریک اسید، 15 تا 60%

آب، به میزان تعادل

فولاد

فولاد در مقایسه با دیگر فلزات و با کیفیت مشابه سخت تر الکتروپولیش می شود. این فلز پتانسیل ویژه ای برای استفاده در صنعت همچنین در درخشان و صیقلی شدن دارد. اگرچه همه نتایج به علت تنوع زیاد در ساخت و شرایط سطح در مواجهه با آسیا و اصلاحات سطح یکسان نیست.

R.Deelaplace and C.Bechard

پلی فسفریک اسید، 400 گرم

اتیل الکل، به میزان 1 لیتر

دما، 20 درجه فارنهایت

دانسیته جریان، 300 آمپر بر مربع فوت

خنک کردن الکترولیت و عدم حضور آب ضروریست.

C.Faust

سولفوریک اسید، 15%

فسفریک اسید، 63%

کرومیک اسید، 10%

دانسیته جریان، 50 تا 1000 آمپر بر مربع فوت

دما، 125 درجه فارنهایت

این محلول طول عمر محدودی دارد.

Weisberg and Levin

لاکتیک اسید، 33%

فسفریک اسید، 40%

سولفوریک اسید، %5/15

دانسیته جریان، 100 آمپر بر مربع فوت

دما، 65 تا 90 درجه فارنهایت

سرعت پولیش کردن بسیار کم است. 1 الی 2 ساعت زمان نیاز دارد.

Hammond,Edgeworth, and Bowman

فسفریک اسید، 55 تا 85%

فلز فسفات تری آلکالی ، 55 تا 85%

فلز سولفات آلکالی، مینیمم 5/0 %

فولاد زنگ نزن

امروزه فولاد زنگ نزن یکی از پرکاربردترین فلزات در الکتروپولیش است. این فلز پرداخت خود را حفظ می کند و هیچ گونه اصلاحات ثانویه ای مورد نیاز نیست.

H.Uhlig

فسفریک اسید و گلیسرین، 90%

گلیسیرین کمتر از 50%

دانسیته جریان، کمتر از 20 آمپر بر مربع فوت

J.Ostrofsky

سیتریک اسید، 55%

سولفوریک اسید، 15%

مینیمم دانسیته جریان، 100% آمپر بر فوت مربع

دما، 200 درجه فارنهایت

محلول تا دمای زیر 130 درجه فارنهایت فریز می شود. و از الکل جهت کاهش نقطه انجماد استفاده می شود.

C.Faust

سولفوریک اسید، 15%

فسفریک اسید، 63%

مینیمم دانسیته جریان، 50% آمپر بر فوت مربع

دما، 80 تا 175درجه فارنهایت

I.Clingan

فسفریک اسید، 56%

سولفوریک اسید، 27%

دی اتیلن گلیکول مونو بوتیل اتر، 7%

دما، 125 تا 165 درجه فارنهایت

Weisberg and Levin

لاکتیک اسید، 33%

فسفریک اسید، 40%

سولفوریک اسید، %5/13

دانسیته جریان، 75 تا 300 آمپر بر مربع فوت

دما، 160 تا 200 درجه فارنهایت

C.Faust

فسفریک اسید، 56%

کرومیک اسید، 12%

دانسیته جریان، 100 تا 1000 آمپر بر مربع فوت

دما، 80 تا 175 درجه فارنهایت

J.Kreml

سولفوریک اسید، 10 تا 60 درصد

گلیکولیک اسید، 20 تا 80%

مینیمم دانسیته جریان، 150 آمپر بر مربع فوت

دما، 175 تا 212 درجه فارنهایت

عریان سازی پوشش های فلزی

هنگامی که قطعات دارای پوشش های فلزی بعد از فرایند آبکاری مورد آسیب قرار می گیرند، عریان سازی می شوند. وقوع این آسیب به دلیل وجود یک یا چند مورد زیر اتفاق می افتد:

1- عدم ترسیب یکنواخت

2- بی رنگ شدن

3- زبری

4- عدم چسبندگی

5- پوشش ضعیف

6- ضخامت نامناسب

اگر قطعات با ارزش باشند، مرمت و احیا آن با عریان سازی و آبکاری مجدد امکان پذیر است. فلزات گرانبها نظیر رادیوم، طلا و نقره به حدی نفیس هستند که حتی احیا مقادیر بسیار اندک نیز ارزشمند است. در صنعت تخته مدار چاپی، فلزات مقاوم مانند قلع یا سرب-قلع به صورت انتخابی از سطح تماس عریان سازی می شوند. عریان سازی باید در نهایت دقت و در مقدار مورد نیاز برای پروسه اصلی آبکاری انجام شود.

اسید های مورد استفاده باید به میزانی قوی باشند که توانایی کندن رسوب را داشته باشد و در عین حال هیچ گونه آسیبی به فلز پایه نرسانند. فعالیت شیمیایی اسید موردنظر اغلب با محدود کردن حضور آب در سیستم متوقف می شود. این مرحله هم با استفاده از اسید های غلیظ نظیر سولفوریک، استیک و یا فسفریک اسید که میزان آب کمی دارند و هم با اضافه کردن مواد آلی نظیر گلیسیرین به اسید به جای آب کامل می شود.

عوامل کیلیت ساز که مخصوص عریان سازی فلز است، ممکن است جهت جلوگیری از ترسیب مجدد فلز عریان سازی شده با غوطه وری به محلول اضافه شوند.

روش های شیمیایی و الکتروشیمیایی بسیاری جهت عریان سازی انتخابی پوشش های فلزی وجود دارند (جدول I). عریان سازی غوطه وری (شیمیایی) رسوب ها را با انحلال از بین می برد، در حالیکه عریان سازی آندی (الکترولیتی) یون های فلزی را روی کاتد ها پوشش می دهد. عریان سازی غوطه وری به دلایل متعددی ترجیح داده می شود:

1- اشکال پیچیده به صورت یکنواخت عریان سازی می شوند.

2- تجهیزات کمتری مورد نیاز است.

3- عمیات ساده ای دارد.

4- رک مورد نیاز نیست.

5- جریان الکتریسیته مورد نیاز نیست.

6- کنش ناپذیری کمتری رخ می دهد.

عریان ساز های اختصاصی همه ترسیب ها از تولیدکننده های مختلف قابل خریداری هستند.

جدول I  فرمولاسیون ها برای عریان سازی پوشش های فلزی