مختصری از آبکاری الکتریکی

آبکاری الکتریکی فرآیندی است که در آن با استفاده از جریان برق لایه نازکی از یک فلز روی سطح فلزی دیگر رسوب داده می شود. جریان برق و عوامل احیا کننده ایی که در این فرآیند مصرف می شوند ارزان هستند. این امر توجیه اقتصادی خوبی برای توسعه این روش است.

هدایت الکتریکی محلول: 

محلول کلرید سدیم و آهک در آب هدایت الکتریکی خوبی دارند در حالی که محلولهای شکر و اوره هادی خوبی نیستند. برای درک این مطلب یعنی اختلاف ظرفیت هدایت الکتریکی محلولها بهتر است آنها را با هم مقایسه کرد. هدایت الکتریکی خوب فلزات به واسطه حرکت آزادانه الکترونهاست.وقتی فلزات در میدان الکتریکی قرار می گیرد الکترونها از قطب مثبت حرکت می کنند ولی عملاً هسته ها و یونهای اتمی داخل فلز ساکن هستند. به طور کلی یک ماده هنگامی می تواند جریان الکتریسیته را هدایت کند که الکترون یا دیگرذرات باردار یعنی یونها در داخل آن حرکتکنند. در تمام محلولهای هادی جریان برق مولکولها به ذرات باردار یا یون (مثبت ومنفی) تجزیه می شوند یونهای بار منفی به طرف آند حرکت می کنند به همین دلیل آنیون نامیده می شوند. برعکس یونهای مثبت به طرف کاتد حرکت می کنند و به همین دلیل کاتیون نامیده می شوند.

کاتد و آند: 

صفحات فلزی غوطه ور در محلول هستند که از طریق آنها الکترون آزاد یا جذب می گردد. این صفحات را الکترود نیز می گویند. الکترودی که الکترون آزاد کرده و بار مثبت پیدا می کند آند و الکترودی که الکترون وارد محلول می کند کاتد می گویند.

الکترولیت: محیط حمل جریان از طریق جابجایی یونهاست. در محلول های هادی جریان ، حلال عوامل موجود را به دو دسته ذرات مثبت و منفی تجزیه می کند.

الکترولیز: در محلول هادی جریان الکتریسیته در اثر واکنش بین حلال و مواد حل شده یونهای بارداری به وجود می آید که با عبور جریان، یونهای منفی (آنیون) به سمت قطب مثبت و یونهای مثبت (کاتیون) به سمت قطب منفی حرکت می کنند.

به این ترتیب در اثر واکنش الکتروشیمیایی که رخ می دهد یونها با از دست دادن الکترون در آند و گرفتن الکترون در کاتد به محصولاتی تبدیل می شوند که از نظر بار الکتریکی خنثی هستند این پدیده را الکترولیز می گویند. مشابه الکترولیز در فرآیند آبکاری الکتریکی برقراری میدان الکتریکی در محلول، آند با از دست دادن الکترون به صورت مثبت وارد محلول شده و به سمت کاتد حرکت می کند. در کاتد یونهای مثبت با دریافت الکترون خنثی شده و به صورت فیلم نازک و صافی روی کاتد (فلز مبنا) رسوب می کنند.

Q = I × t
W  α  Q
W  α  It
W =  ZIt

قوانین الکترولیز: الکترولیزنتیجه جذب و دفع الکترونها است که فقط در سطوح الکترودها انجام می گیرد. به همین دلیل محصولات الکترولیز نیز تنها در سطوح الکترودها به وجود می آیند. در هر فرآیند الکترولیزی، رسوبی که روی الکترود تشکیل می شود مستقیماً با مقدار جریان عبور کرده از الکترولیت متناسب است. مقدار جریان عبوری از الکترولیت با شدت جریان و مدت زمان عبور جریان متناسب است. (قانون اول فارادی). اگر مقدار الکتریسیته بر حسب کولمب Q، شدت جریان عبوری بر حسب آمپر I و مدت زمان عبور جریان بر حسب ثانیه t باشد می توان نوشت:

 W α Qوزن رسوب یا

Z ثابتی است که به مشخصات ذرات یونی فلز رسوبی بستگی دارد.Z را «اکی والان» الکتروشیمیایی ذرات یونی نیز می گویند.یعنی مقدار جرمی که در اثر عبور یک کولمب جریان از الکترولیت از آند آزاد می شود.

ECE اکی والان وزنی یا شیمیایی یا وزنی یک ماده برابر نسبت وزن به ظرفیت آن است.

ظرفیت / وزن اتمی = اکی والان شیمیایی

اگر جریانی که از دو الکترولیت متفاوت عبور می کند یکسان باشد و وزن رسوب روی دو الکترود به ترتیب W1 ، W2 و اکی والان وزنی آنها m1 ، m2 باشد می توان نوشت

در آبکاری الکتریکی آند دو نقش دارد یکی اینکه مدار اکتریکیرا کامل می کند و دوم اینکه در آندهای حل شونده مقدار فلز مصرفی را تامین می کند. در بیشتر فرایندهای آبکاری الکتریکی مثل آبکاری مس، نیکل و روی و ... آند را از جنس فلز رسوبی انتخاب می کنند. از موارد نادری که ازآند نامحلول استفاده می شود آبکاری کرم است. در اینجا از آندهای سربی یا آلیاژی استفاده می شود. در ابکاری روی در حمام های سیاندی برای جلوگیری از اضافه رسوب یا در ابکاری سطوح داخلی یا سطوح باریک برای اینکه ابعاد آند ثابت بماند همراه آند حل شونده، آند نامحلول نیز استفاده می شود.

آندهای حل شونده به طور اتوماتیک فلز مصرفی در حمام را تامین می کنند. در این موارد حداقل مواد به حمام اضافه می شود. کیفیت آندها بر حسب روش تولید یا ساخت آن تغییر می کند. برای مثال آندهای ریختگی دانه های درشتی داشته و به طور غیر یکنواختی حل می شود. ولی آندهای نورد شده ساختار دانه ریزی داشته و به طور یکنواخت تر حل می شود. آندهای نامحلول معایب و مزایایی دارد.

مزایای آندهای نامحلول به شرح زیر است.

خیلی محکم قابل نصب هستند

فقط یکبار در وان نصب می شود و نیاز به تعویض مکرر آنها نیست

چون ابعاد آنها ثابت می ماند بناراین فاصله بین الکترودها نیز ثابت مانده و نیازی به اصلاح نیست. این امر در آبکاری سطوح داخلی بسیار مهم است.

معایب آندهای نامحلول به شرح زیر است

فلز مصرف شده را جبران نمی کند. بنابراین باید به طور مرتب ترکیب حمام چک شده و مواد جدید به آن اضافه می شود.

احتمال تغییر پی اچ بسیار زیاد است مخصوصاً اگر محلول حاوی ترکیبات بافری نباشد.

حضور اکسیژن در آندها ترکیبات آلی و سیانید حمام را اکسید کرده و مقدار آنها را کاهش می دهد.

تشکیل رسوب فلز:

در آبکاری الکتریکی دو پارامتر خیلی مهم باید کنترل شود. یکی سرعت تشکیل هسته های فلزی روی کاتد و دیگر رشد این هسته ها است. کنترل هر عامل دیگر روی دو پارامتر مزبور اثر می­گذارد. اگر شرایط برای رسوب به گونه ای باشد که هسته های جدید بیشتری روی سطح کاتد تشکیل شود، رسوبی دانه ریز، سخت و صاف تولید خواهد شد. برعکس اگرپارامترهای عملیات به گونه ای باشد که رشد هسته های روی کاتد تسریع شود، رسوبی دانه درشت، زبر و نرم تولید خواهد شد.

دانسیته جریان:

در دانسیته جریان پایین(کم) فلز خیلی آرام رسوب میکند، به عبارتی روند احیا یونها در کاتد که به تشکیل رسوب منجر می شود آرام است. در این شرایط برای رشد هسته های فلزی فرصت کافی وجود دارد از این رو رسوبی دانه درشت ایجاد می شود. با افزایش دانسیته جریان سرعت تخلیه یون ها در کاتد افزایش یافته و در نتیجه دامنه تشکیل هسته های جدید افزایش پیدا می کند. دراین حالت رسوبی دانه ریز ایجاد می شود ولی باد توجه کرد ک داسیته جریان از دانسیته جریان حد نباید تجاوز کند.

درجه حرارت:

معلوم شده است که اگر دانسیته جریان بالاتری انتخاب شود به هما نسبت دمای حمام بید افزایش یابد تا کیفیت رسوب محفوظ بماند. افزایش دمای حمام روی سه عامل اثر می گذارد.

·        یون های مصرفی در کاتد خیلی سریع تامین می شود طوریکه اثرات منفی ناشی از کمبود یون برطرف شود

·        سرعت رشد هسته ها افزایش یافته و در نتیجه رسوبی دانه درش ایجاد می شود.

·        اضافه ولتاژ هیدروژن پایین آمده و کیفیت رسوب کاهش پیدا می کند.

غلظت فلز:

غلظت نمک فلزی که روی سطح کار رسوب می کند خیلی مهم است. تجربه نشان می دهد که اگر غلظت فلز رسوبی در حمام زیاد باشد می توان دانسیته جریان را افزایش داد. چون در این شرایط با افزایش دانسیته جریان، ضافه ولتاژ هیدروژ نیز افزایش پیدا می کند که خود مزیت دیگری است. در این حال علاوه بر افزایش دانسیته جریان، حرکت میله کاتدی، هم زدن محلول برای رساندن یون های مصرفی به کاتد برای دست یبی به نتایج مطلوب مفید خواهد بود.

نوع حمام:

رسوب خوب در حمامی ایجاد می شود که یون های کمپلکس آن بیشتر از یون های ساده فلز باشد.

ویژگی های آبکاری الکتریکی:

آبکاری الکتریکی باید خواص مورد نیاز برای تشکیل رسوب را داشته باشند، برای مثال

·        به اندازه کافی حاوی فلز رسوبی باشد.

·        برای کم شدن مصرف انرژی هدایت الکتریکی خوبی داشته باشد

·        در هر شرایط جغرافیایی پایدار بماند به عبارتی پوشش نباید تحت تاثیر شرایط اتمسفری قرار گیرد

·        ظرفیت کافی برای تشکیل آند مناسب را داشته باشد تا مقدار فلز در محلول متعادل بماند

·        توانایی ایجاد پوششی محکم و صاف را داشته باشد.

·        قدرت پرتابی آن بالا باشد.

محلول های استفاده شده نسبت به محلول ها تازه نتایج بهتر ارائه می دهند.

کیفیت آبکاری با توجه به کاربرد آن فرق می کند. کیفیت رسوب های نازک را می توان با کنترل ضخامت و مقاومت به خوردگی آن بررسی  کرد. برای رسوب های ضخیم پارامترهای دیگر نیز مطرح است از قبیل عدم وجود ترک های مویی در پوشش.اصو