مقالات علمی فرآیندهای آبکاری

عتیقه سازی با برنج و مس و برنز

ما انسان‌ها با چشمانمان زیبایی‌ها را تشخیص داده و از آن‌ها بسیار لذت می‌بریم. نمونه‌ای از این زیبایی‌ها که موجب شادمانی ما می‌شود عبارتند از: دیدن یراق‌آلات و سایر قطعات فلزی که عتیقه( پاتینه) شده‌اند.مدتی است که عتیقه‌کردن(پاتینه کردن) به عنوان انتخاب متداول و شایع سازندگان درآمده است، که انواع مختلف یراق‌آلات تزیینی از جمله وسایل روشنایی، قفل‌ها، دستگیره‌های کابینت، انواع گیره‌ها، اتصالات و بسیاری از اقلام تزیینی از آن جمله‌اند.
در سال‌های ۱۹۷۰ تقاضای بازار برای این نوع پوشش به طور چشمگیری فزونی یافت که به توسعه فرآیندهای تکنیکی در تولید کارآمد آن منجر شد. از آن تاریخ با توجه به نوسانات بازار، افزایش و تقاضا برای این نوع پوشش، صرف نظر از سلیقه‌های متداول همواره وجود داشته، به طوری‌که برای یراق‌آلاتی که با کیفیت بالا عتیقه شده‌اند تقاضا رو به افزایش بوده است.
قطعات فلزی پایه، که به صورت متداول عتیقه می‌شود، در سه گروه از فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند “برنج سخت، برنز و مس که در اشکال مختلف وجود دارد. این مواد اولیه بیشتر در مصرف قطعاتی که در محیط باز قرار می‌گیرند یا در مصارف داخلی که نیاز به کیفیت بالا دارد استفاده می‌شوند. چون این آلیاژها لایه اکسید محافظ تشکیل می‌دهند، لذا این مواد، انتخاب مناسبی برای اقلامی مانند: قسمت‌های بیرونی قطعات روشنایی، قفل‌ها، قطعات مورد استفاده در صنایع دریایی، قطعاتی که در زیباسازی نمای ساختمان به کار می‌رود، همچنین پیچ و مهره و اتصالات و سایر قطعات تزیینی است.
این لایه اکسید، محافظ دو نوع انتخاب در اختیار آبکار یا طراح در رابطه با پوشش این نوع قطعات قرار می‌گیرد. قطعه را می‌توان به طور مصنوعی عتیقه کرد. سپس برای محافظت در فضاهای بیرونی با لاک مخصوص پوشش داد و یا این‌که قطعه را یک مرحله عتیقه‌سازی سریع کرد(در زمان بسیار کم). سپس فرصت داده شود تا سطح قطعه به مرور و در زمان مناسب، خود به خود به یک عتیقه تبدیل شود. این اکسید طبیعی یا پاتینه، بسیار جذاب‌تر از آن‌هایی است که به صورت مصنوعی عتیقه می‌شوند و در بسیاری از کالاها مانند مجسمه‌سازی، یراق‌آلات ساختمانی و بعضی از قطعات چراغ روشنایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته فلزات پایه درجه‌بندی‌های مختلفی دارد که در ساخت اقلام مذکور فوق به کار گرفته می‌شود. انواع ورق‌های برنجی و مسی سخت (SOLID ) و آلیاژهای مختلف آن در ساخت قطعات و لوازم روشنایی، صفحات پانل، سقف‌های تاسیسات ساختمانی، قطعات اتصالات نوردکاری تا خم‌کاری شده و همچنین سایر اقلامی که نیاز به چکش‌کاری برای آسان شدن شکل‌دهی و قالب‌گیری دارند از آن‌ها استفاده می‌شود.
در مورد مجسمه‌سازی و پلاک‌ها PLAQUES یا یراق‌آلات با کیفیت بالا، از انواع مختلف برنج و برنز ریخته شده استفاده می‌شود. بسیاری از این قطعات هم‌زمان ماشین‌کاری (تراش‌کاری) و پرداخت (سمباده‌زنی) می‌شود، تا سطح نهایی و مطلوب مورد نظر به دست آید سپس پوشش عتیقه‌ای(پاتینه) به آن داده می‌شود. قطعات فولادی پرس‌کاری، خم‌کاری یا تراش‌کاری شده فولاد بیشتر در مواقعی به کار گرفته می‌شود که در مقایسه با آلیاژهای خالص مسی، نیاز به قدرت تحمل بار بیشتر دارد. مانند: پیچ و مهره، اتصالات یا سایر اهرم‌های ساختمانی که باید قدرت تحمل وزن مورد نظر را داشته باشد. علاوه بر آن، فولاد به‌طور معمول نسبت به مس، برنج و برنز سخت، ارزان‌تر است و هزینه کمتری دارد و به همین دلیل، استفاده از فولاد ترجیح داده می‌شود. متاسفانه برخلاف آلیاژهای مسی، فولاد به منظور حفاظت در مقابل عناصر هوا لایه اکسید ایجاد نمی‌کند. لذا در بیشتر مواقع، قطعه فولادی را آبکاری مس یا برنج می‌دهند تا قطعه از خوردگی محافظت شود و بتوان سطح به دست آمده را عتیقه‌ای کرد.
فولاد به طور عام برای ساخت ابزارهایی مانند: لوله‌ها، اتصالات، جعبه ابزار و سایر اقلام کاربردی استفاده می‌شود. علاوه بر آن به دلیل پایین بودن هزینه فولاد، بیشتر آن را برای ساخت بسیاری از قطعات داخلی تزیینی مانند: لوازم روشنایی و وسایل کابینت به‌کار می‌برند.

بسیاری از این قطعات از ورق‌های فولادی پرس‌کاری شده تولید می‌شود. قطعات مدور را می‌توان در یک فرآیند خم‌کاری تولید کرد. این فرآیند با یک ورق فولاد که به صورت صفحه گرد و مسطح بوده، انجام می‌شود سپس به یک الگوی مورد نظر بسته شده و به سرعت چرخانده می‌شود. قطعاتی که مصرف عمومی دارند از قبیل: کاسه چراغ، زه ساعت و اقلام مشابه را به این روش(خم‌کاری) تولید کرده سپس آبکاری برنج یا مس داده می‌شوند و آن را عتیقه (پاتینه) می‌کنند.
قطعات روی ریختگی، تحت فشار این گروه سوم فلزات برای قطعات تزیینی که اشکال پیچیده دارد و در آن نیاز به تحمل بار کمتری است استفاده می‌شود. بسیاری از این قطعات، دارای اشکال هندسی پیچیده هستند که به راحتی از طریق تراش‌کاری و پرس‌کاری، آن‌ها را به شکل مورد نظر نمی‌توان تولید کرد یا آن‌که، ارزش آن‌ها آنقدر بالا نیست تا بتوان آن قطعات را از طریق برنز ریختگی تولید کرد.
در مورد این قطعات کم‌ارزش، تولید قطعه از طریق ریختگی تحت فشار، مناسب‌ترین پیشنهاد به عنوان فلز پایه بوده چون به دلیل آسان بودن ریختگی قطعات به اشکال پیچیده با کمترین هزینه آن را ایده‌آل برای تولید یراق‌آلات کابینت، قطعات وسایل چراغ‌های روشنایی و سایر اقلام تزیینی می‌کند.
از آنجایی که فولاد و روی، تمایل به خوردگی سریع دارند، لذا باید به منظور مقاومت در برابر خوردگی یا انجام عتیقه‌سازی ابتدا آن را آبکاری مس یا برنج کرد.
متاسفانه بر خلاف فولاد، روی ریخته شده اغلب دارای سطوح منفذدار هستند، لذا لازم است آبکاری مس به منظور پر کردن این منافذ را قبل از انجام عملیات آنتیک‌کاری(پاتینه کردن) استفاده کرد.
تمیزکاری، اولین گام در فرآیند عتیقه‌سازی است. قبل از شروع مرحله شیمیایی عتیقه‌سازی(پاتینه) سطح پایه فلزی آن باید عاری از روغن، اکسیدها، باقی‌مانده‌های واکس، گریس، مواد لحیم‌کاری، اثر انگشت یا سایر مواد خارجی مانده از ساخت قطعه باشد.

پس از برداشتن مواد مذکور از روی سطح ماده شیمیایی فعال شده، عتیقه‌سازی، آبکاری و سایر عملیات آماده خواهد شد. موارد متعددی برای عملیات تمیزکاری وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد.
در انتخاب فرآیند تمیزکاری فلزات، عوامل مختلفی وجود دارد از جمله: شناخت وضعیت سطح قطعه و ساختار آن به منظور حداکثر استفاده از قطعه، همچنین شناسایی آلودگی‌هایی که باید برداشته شود، اثرگذاری روش‌های تمیزکاری بر محیط، هزینه عملیات آبکاری و همچنین توجه به تمام مراحل شیمیایی، بعد از تمیزکاری انتخاب روش مورد نظر باید با دقت انجام پذیرد.
به طورکلی روش‌های تمیزکاری را با توجه به میزان تمیزکاری مورد نظر به شرح زیر می‌توان درجه‌بندی کرد که با در نظر گرفتن نوع و اندازه آلودگی‌های سطح فلز، روش مورد نظر باید انتخاب شود. تمیزکاری حلالی سرد، چربی‌گیری با بخار، تمیزکاری امولسیون غوطه‌وری، تمیزکاری قلیایی الکتریکی، تمیزکاری قلیایی غوطه‌ای به دنبال آن تمیزکاری اسیدی و در نهایت تمیزکاری التراسونیک(فرا صوتی).هریک از روش‌های فوق، مزایا و معایب خود را دارد که باید مناسب پاک کردن هر یک از آلودگی‌ها باشد. به هر حال یک روش عمومی که بتواند هر نوع آلودگی‌ها را از بین ببرد وجود ندارد. برای مثال: قطعات برنجی و مسی سخت، که لحیم‌کاری شده‌اند روی سطح آن مواد لحیم‌کاری یا روغن با کدری جزیی ایجاد خواهد شد. برای از بین بردن مواد روان از لحیم‌کاری FLUX، استفاده از محلول‌های قلیایی ملایم ممکن است به خوبی جواب داده و یا به تکان دادن مکانیکی و یا مالش قطعه در محلول نیاز باشد. قطعات برنجی یا برنزی ریخته‌گری شده در بیشتر مواقع لایه اکسید ضخیمی از عملیات ریخته‌گری خواهند داشت اما آلودگی روغنی بسیار کمی دارند. قطعاتی که در صورت وجود زبری سطح مشکل ظاهری نخواهد داشت، “ذره‌پاشیBead BLAST” می‌توانند با موفقیت انجام شوند. سایر قطعات ریختگی که در نهایت نیاز به سطح براق و صافی دارند ممکن است مواد به‌جا مانده از پرداخت‌کاری(نمدکاری و گلانس‌کاری) بر روی آن‌ها ایجاد شده که به راحتی زدوده نشود. در این مورد تمیزکاری الکتریکی یا فراصوتی الترامونیک خیلی خوب و مطلوب عمل خواهد کرد. این روش‌ها ترکیبی از امولسیفیکاسیون قلیایی به همراه هم‌زدن مکانیکی به وسیله جریان صوتی ارائه می‌دهد که سبب حذف آلودگی از قطعه می‌شود.
قطعات فولادی پرس‌کاری یا تابیده شده لایه‌ای از مواد روان‌ساز روغنی بر روی خود دارند. از آنجایی که فولاد می‌تواند در مقابل تمیزکننده‌های قوی قلیایی مقاومت کند، بنابراین بهترین روش، همان استفاده از یک محلول تمیزکننده قلیایی غوطه‌ای داغ و یا تمیزکاری الکتریکی است که پس از آن استفاده از یک تمیزکننده قلیایی ضعیف‌تر، مراحل آبکشی بعدی را آسان می‌کند.

از طرفی، دیگر قطعات ساخته شده از روی ریختگی در قالبی از مواد روان‌ساز مومی استفاده می‌شود که به سختی از روی قطعه پاک می‌شود. به علاوه، “روی” یک فلز فعال است که در مقابل محلول‌های تمیزکننده حاوی سود سوزآور غلیظ نمی‌تواند مقاومت کند.
به طورکلی با اطمینان می‌توان گفت که، تمیزکاری از مهم‌ترین مراحل فرآیند آبکاری یا پاتینه‌کاری بوده و پیش شرط لازم برای یک پوشش چسبنده و یکنواخت در آبکاری، عملیات عتیقه‌سازی و لاک‌کاری است.
نه تنها تمیزکاری عامل بسیار مهمی است، بلکه یکی از نازل‌ترین هزینه‌های عملیات در فرآیند آبکاری است. بنابراین باید به اندازه کافی در طراحی قسمت تمیزکاری در فرآیند آبکاری دقت لازم مبذول شود و برای نگهداری محلول‌های تمیزکاری، توصیه‌های داده شده را به شدت رعایت کرد. بخشی از نتایج حائز اهمیت و کم‌هزینه عملیات تمیزکاری، دستیابی به اکسیدزدایی درپی تمیزکاری اسیدی و کاهش PH سطح قطعه است که نتایج قابل توجهی را در نهایت ارائه می‌دهد.
در این مرحله، از مواد متنوع و اسید سولفوریک، اسید کلریدریک، اسیدهای فلوبوریک، یا نمک‌های اسید سولفوریک با توجه به جنس فلز پایه و نحوه فعالیت مطلوب اسیدها استفاده خواهد شد.

آزمون تمیزکاری

ارزیابی نهایی اثربخشی فرایند تمیزکاری، در یک آزمون عملی انجام می‌شود که آزمون “آب گسستBREAK TEST WATER” از ساده‌ترین و عمومی‌ترین آن‌ها است. این روش شامل طی کردن عملیات تست قطعه یا انجام تست متعارف صفحه آزمون “‌استاندارد STANDARD TEST PANEL” می‌باشد که از طریق تمیزکاری متوالی در حالت عادی، سپس فرو بردن قطعه در آب تمیز و مشاهده چگونگی روان شدن آب روی سطح قطعه به دست می‌آید. چنانچه هنوز پس مانده روغن روی سطح قطعه باقی باشد آب به صورت یک فیلم غیرپیوسته روی آن صفحه ظاهر می‌شود و آب گسست تشکیل می‌گردد ولی برای قطعه‌ای که به شکل یکنواخت روغن‌زدایی شده باشد اجازه می‌دهد آب بر روی سطح قطعه جریان یابد و بدون هیچ گسستی، به صورت یک فیلم پیوسته روی سطح جریان خواهد داشت. به طور معمول سطح قطعه که روغن‌زدایی و پاک شده است به طور یکنواخت مرطوب و تر می‌ماند و آب به آسانی روی سطح جریان می‌یابد.
روش دیگری که فقط روی قطعات فولادی قابل استفاده است، به‌کارگیری محلول آبکاری شیمیایی مس اسیدی می‌باشد. در این روش سطح فلزی تمیز و پاک شده را در محلول رقیق مس اسیدی قرار می‌دهیم در صورتی که سطح فلز عاری از مواد روغنی باشد مس از این محلول بر سطح قطعه قرار گرفته بدون آن‌که قسمت‌هایی از سطح قطعه لخت یا آب نگرفته باشد.
اگر قسمت‌هایی پوشش آبکاری نگرفته باشند نشانه وجود پس‌ مانده‌های مواد روغنی روی سطح است. پس از آن‌که قطعه به طور مطلوب و عاری از هرگونه مواد خارجی پاک و تمیز شده برای مرحله بعدی آبکاری و عتیقه‌سازی آماده خواهد بود.

آبکاری

همان طور که در گذشته اشاره شد، بسیاری از قطعات برای عتیقه‌سازی نیاز به آبکاری ندارند. بدیهی است که قطعات پایه مس، برنج سخت و برنز به طور حتم نیاز به آبکاری برنج و مس ندارند. پس از تمیزکاری سطح فلز، قطعه آماده رنگ‌کاری یا پاتینه‌کاری در محلول مناسبی می‌باشد. سایر قطعات مانند سطوح فولادی و یا ریخته‌گری روی (روی تزریقی) قبل از پاتینه‌کاری (رنگ‌کاری و عتیقه‌کاری) نیاز به لایه آبکاری الکتریکی دارند. در این مرحله انجام روش‌های آبکاری متداول ضروری و قابل استفاده است. مناسب‌ترین و مرغوب‌ترین پوشش‌های آبکاری شده را به طور معمول با لایه استری مس شروع می‌کنند که به دنبال آن یک پوشش برنج یا برنز با ضخامتی حدود دو یا سه هزارم اینچ (۵ تا ۸ میکرون) داده می‌شود. این لایه استری مسی روش بسیار مناسبی برای آب‌بندی هرگونه تخلخلی موجود در فلز پایه می‌باشد و قطعه را برای پوشش برنج با قابلیت چسبندگی مناسب و با تخلخل کم آماده می‌کند. بسیاری از وان‌های آبکاری تجارتی برنج، محتوی سیانور است. به طور معمول در وان‌های فاقد مواد سیانور چون ثبات محلول کمتر است و ایجاد رسوبات می‌کند استفاده از آن‌ها محدود است. لایه آبکاری حاصل از این محلول، تیره رنگ‌تر و زبرتر از وان‌های متداول سیانوری می‌باشد. علاوه بر آن از آنجایی که در این محلول از مواد آلی کی‌لیت‌ساز استفاده می‌شود، تصفیه پساب‌های آن‌ها نیز دشوار است. وان‌های متداول سیانوری را هم باید تصفیه و خنثی‌سازی کرد در صورتی‌که روی و مس به آسانی ته‌نشین می‌شوند. در این راستا فروشندگان مواد شیمیایی مساعدت و راهنمایی فنی برای انجام عملیات صحیح و نگهداری مناسب از وان‌های آبکاری برنجی ارائه می‌دهند. لذا باید تحت سرویس منظم و نگهداری مداوم باشند تا بتوان آن‌ها را در شرایط و کارایی مطلوبی حفظ کرد.رنگ‌کاری و عتیقه‌سازی سطح

پس از آبکاری برنج بر سطح قطعه آن را آماده رنگ‌کاری و عتیقه‌سازی با یکی از انواع محلول‌های موجود عتیقه‌سازی (پاتینه) می‌کنند.

محلول‌هایی با پایه سولفور و آرسنیک

روش سنتی برای رنگ‌کاری سطوح برنجی اکسید کردن آن‌ها به وسیله یکی از محلول‌های مشروحه زیر است. روش اکسید کردن با پایه سولفور به نام جگری یا گوگردی LIVER OF SULFUR  معروف است و از ترکیب نمک پلی سولفید برای ایجاد لایه سولفور مس سیاه یا قهوه‌ای روی سطح استفاده می‌شود. این روش بر روی مس بهتر از برنج جواب می‌دهد. ولی عامل ذاتی منفی آن داشتن سولفور قوی می‌باشد. علاوه بر آن، سولفور دارای حالت‌های اکسید متعددی است و می‌تواند ترکیب‌های پلی سولفید (غیرفعال) تشکیل دهد که به نسبت زیادی کارایی و عمر مفید وان را کاهش می‌دهد. در واقع در یک عملیات پاتینه‌کاری در این وان‌ها به دلیل قدرت اکسیدکنندگی آن‌ها و تغییرات نامنتظره‌ای که از یک محموله تولید به محموله دیگر ایجاد می‌شود، همیشه مقداری محلول را به عنوان ذخیره نگهداری می‌کنند چون محلول قبلی دیگر قابل استفاده نیست (با تقویت محلول قبلی نیز استفاده از آن میسر نمی‌باشد) به طور کلی این روش برای تولید انبوه مناسب نبود و توصیه نمی‌شود. محلول‌هایی با پایه آرسنیک، اکسید سیاه آرسنیکی روی قطعه ایجاد کرده و به طور معمول در دمای اتاق عمل می‌کند. به هر حال خطر مسمومیت قابل توجهی برای مصرف‌کننده دربردارد، لذا لازم است با احتیاط زیادی با آن برخورد کرد. علاوه بر دو روش مذکور، محلول‌های دیگری وجود دارند که برای رنگ‌کاری برنج و برنز می‌توان از آن‌ها در سطح محدود و کوچکتری استفاده کرد . در این روش‌ها از مواد متعدد شیمیایی برای ایجاد رنگ‌های مختلف روی فلزات پایه استفاده می‌شود و طوری طراحی شده‌اند که برای کارهای نمونه‌ای توسط افراد صنعتگر مورد استفاده قرار می‌گیرد و به صورت انبوه قابلیت کاربردی ندارد.