آبکاری آلیاژی روی- نیکل

 تیم تحقیق و توسعه شرکت جلاپردازان پرشیا 95.06.10

چکیده

خصوصیت مهم پوشش های آلیاژی کروم -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 الیاژی نسبت به پسیو کردن بسیار حساس میباشند این نکته را میتوان از مزایای این محلول دانست.

هدف

پوشش دهی الکتریکی فلز روی به عنوان یکی از روش های پوشش دهی فلز روی بر قطعات فولادی در کنار روش های دیگر، نظیر گالوانیزه غوطه وری گرم، سال هاست که شناخته شده و مورد استفاده قرار گرفته است. برخی محدودیت ها در خواص و عملکرد این پوشش ها نظیر مقاومت خوردگی، سختی، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر محیط های شیمیائی خاص باعث معرفی و بکارگیری آلیاژهای روی، بویژه با عناصر فلزی نظیر آهن، کبالت و نیکل پیش شده است. توسعه فناوری و حیطه استفاده از این نوع پوشش های آلیاژی همواره رو به گسترش بوده است. امروزه از این نوع پوشش ها بطور وسیعی در صنعت ساخت قطعات خودرو و اتصالات استفاده می شود و بدین ترتیب دست یابی به مقاومت خوردگی بیشتر، سختی و انعطاف پذیری بالاتر و حفظ مقاومت خوردگی حتی پس از عملیات حرارتی و عملیات شکل دهی و نیز شفافیت بهتر و کیفیت و شکل ظاهری مطلوب، همراه با انواع پوشش های تکمیلی کروماته در قالب پوشش های آلیاژی روی – نیکل، روی – کبالت و روی – آهن میسر 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 روی (Zn) برای محافظت فولاد از چند راه مورد استفاده قرار می‌گیرد:

بوسیله تجهیزات الکتریکی ـ شیمیایی: پوشش‌دهی الکتریکی
از یک حمام فلزی مذاب: گالوانیزه غوطه‌وری گرم (Hot dip galvanizing)
از پاشش یک فلز مذاب : فلز پاشی
در شکل پودری: پوشش مکانیکی
در قالب پوشش گرد رنگ: رنگ پاشی

پوشش روی در قطعات خودرو عمدتا به صورت گزینه اول یعنی پوشش‌دهی الکتریکی انجام می‌شود. روی توسط مکانیسم فداشوندگی (Scarification) بدلیل داشتن تمایل شیمیایی بیشتر به ترکیب با اکسیژن، اکسید شده و با رسوب محصولات خوردگی ناشی از خوردگی روی، از ادامه خوردگی فولاد جلوگیری بعمل می‌آورد.

در دهه‌های گذشته کادمیم نقش روی را ایفا می‌کرد و پوشش کادمیم بطور وسیعی در صنایع مورد بهره‌برداری بود. اما بدلیل بارز شدن مشکلات مربوط به آلودگی و سمی بودن کادمیم، بتدریج پوشش روی خالص جایگزین کادمیم گردید و به عنوان یک عملیات رایج صنعتی در پوشش دادن قطعات متعدد صنعتی و نظامی بکار گرفته شد. دو نکته در مورد فرآیند پوشش‌دهی الکتریکی روی خالص برای قطعات فولادی وجود دارد:

در مورد پوشش‌دهی قطعات فولادی با استحکام بالا بدلیل جذب هیدروژن از حمام آبکاری و بروز پدیده تردی هیدرون (Hydrogen embitterment)، لازم است همواره عملیات هیدروژن‌زدائی صورت گیرد.
برای افزایش خاصیت مقاومت به خوردگی پوشش و امکان دسترسی به ظاهر زیباتر و متنوع، معمولا از یک پوشش تکمیلی مانند کروماته یا فسفاته بعد از عملیات پوشش‌دهی استفاده می‌شود.

پوشش‌های آلیاژی روی

پوشش‌های آلیاژی روی (Zinc alloy coatings) بجای روی خالص، از دهه ۱۹۸۰ میلادی در ژاپن و اروپا بکار گرفته شد و در دهه اخیر نیز در آمریکا مورد توجه قرار گرفت. دلایل عمده روآوری به این پوشش‌ها عبارتست از:

دست‌یابی به حد بیشتر مقاومت خوردگی پوشش همزمان با کاهش ضخامت آن
تثبت یک جایگزین مناسب برای پوشش سمی کادمیم

گرچه در مقایسه با روی خالص، کنترل ترکیب حمام آبکاری در پوشش‌دهی آلیاژهای روی حساس‌تر است و بدلیل استفاده از عناصر آلیاژی هزینه بیشتری دارد اما افزایش مقاومت خوردگی در عین کاهش ضخامت پوشش و در نتیجه افزایش عمر و بهبود عملکرد پوشش، هزینه‌ها را جبران می‌سازد. توسعه صنایع خودروسازی، الکترونیک و هوا ـ فضا از عواملی بود که گسترش کاربرد پوشش‌های آلیاژی روی را باعث گشت. امروزه حمام‌های آلیاژی روی نه تنها حفاظت خوردگی بهتری را بدست می‌دهند بلکه سبب افزایش انعطاف‌پذیری، سختی و روانکاوی پوشش نیز می‌شوند. پوشش فداشونده‌ای که از آلیاژهای روی بدست می‌آید محصول خوردگی با حجم کمتری نسبت به روی خالص تولید می‌کند.

اساس فرآیند پوشش‌دهی آلیاژی روی توانائی در پوشش‌دهی همزمان دو فلز است که با تغییر غلظت یونی فلزات و در نتیجه تغییر اکتیویته آنها میسر می‌شود. اگر پتانسیل احیاء دو فلز مورد نظر به هم نزدیک باشد با تنظیم عواملی همچون شدت جریان، دما، PH و غلظت یون‌های فلزی می‌توان عملیات را انجام داد. استفاده از عوامل کمپلکس‌ساز (Complexer) نظیر سیانیدها، سولفامیدها، هیدروکسیدها و مواد آلی دیگر که می‌تواند با اضافه شدن به محلول حمام آبکاری، تجزیه شده و با ترکیب شدن با یون فلزی، یون‌های پیچیده تولید کند راه مطلوبی در این زمینه است.

انواع پوشش‌های آلیاژی روی

آلیاژ روی ـ سیکل: Zn/Ni
آلیاژ روی ـ آهن: ‌Zn/Fe
آلیاژ روی ـ کبالت: Zn/Co
آلیاژ قلع ـ روی: Sn/Zn

انتخاب نوع پوشش آلیاژی به الزامات عملکردی قطعه و انتظاراتی که از پوشش مورد نظر وجود دارد برمی‌گردد. آلیاژ کردن روی عموما با فلزات گروه هشتم جدول تناوبی یعنی آهن، کبالت و نیکل صورت می‌گیرد که نجیب‌تر از فلز روی هستند و بنابراین با آلیاژ شدن با فلز روی، سرعت خوردگی آلیاژ نسبت به روی خالص کمتر می‌شود و حفاظت خوردگی بهتری فراهم می‌آید. البته در هر قطعه دارای پوشش، سرعت واقعی خوردگی به ترکیب آلیاژ، یکنواختی رسوب، محیط کارکرد قطعه، نوع پوشش تبدیلی و ماده پایه پوشش بستگی دارد.

عمده‌ترین مورد استفاده پوشش‌های آلیاژ روی که با روش پوشش‌دهی الکتریکی بکار می‌رود و به آن گالوانیزه سرد نیز گفته می‌شود قطعات خودرو است. ۲۰ تا ۳۰ درصد بقیه کارکرد مربوط به صنعت هوا ـ فضا و الکترونیک است.

پوشش آلیاژی روی ـ نیکل

این پوشش‌ها سابقه بسیار بیشتری نسبت به بقیه پوشش‌های آلیاژی روی دارند، علاوه بر آنکه از لحاظ مقاومت خوردگی نیز درصدر پوشش‌های آلیاژی روی هستند. از ویژگی‌های مهم این نوع پوشش خاصیت شکل‌پذیری (Formability) قطعه فولادی پوشش داده شده است؛ یعنی پس از عملیات حرارتی و انجام عملیات شکل‌دهی، مقاومت خوردگی قطعه تا حد بسیار خوبی حفظ می‌شود، به همین دلیل در پوشش‌دهی قطعاتی مانند اتصالات پیچ و مهره، قطعات سیستم ترمز و سیستم سوخت‌رسانی بکار می‌رود. سختی 300 ـ 250 ویکرزی پوشش باعث پدید آمدن مقاومت به سایش بسیار خوب در قطعه می‌شود. مقاومت در برابر گرما، نور ماوراء بنفش و سیالات هیدرولیکی و سوخت‌ها از جمله ویژگی‌های دیگر این نوع پوشش‌هاست. به همین دلیل در قطعات زیر کاپوت (under-the-hood) خودرو که در معرض گرما هستند کاربرد وسیعی دارند. کاربرد پوشش‌های آلیاژی روی ـ نیکل در صنعت اتصالات و پیچ و مهره و قطعات رزوه‌دار نیز رو به توسعه است. با توجه به اینکه این پوشش‌ها در تماس با آلومینیوم، خوردگی گالوانیکی از خود نشان نمی‌دهد، در صنایعی که شامل بدنه‌های آلومینیومی است کاربرد زیادی دارند. از لحاظ قیمتی، پوشش‌های آلیاژی روی ـ نیکل گرانترین پوشش‌های آلیاژی روی به شمار می‌آیند. پوشش‌های آلیاژی روی ـ نیکل، هم از حمام‌های قیلیائی و هم حمام‌های اسیدی پوشش داده می‌شوند که ترکیبات و خواص متفاوت پوشش را پدید می‌آورند. برای افزایش مقاومت به خوردگی پوشش، افزایش قدرت چسبندگی رنگ یا سایر پوشش‌های آلی، افزایش خاصیت روانکاری و پدید آمدن ظاهری خوشایند و متنوع از پوشش‌های تبدیلی نظیر کروماته، در انواع رنگ‌های مختلف زرد، روشن، برنزی، قوس و قزحی و مشکی استفاده می‌شود.

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

حمام‌های قلیائی پوشش روی ـ نیکل

رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمام‌های قلیائی روی ـ نیکل حاوی کمتر از ۱۰ درصد نیکل (۹ـ۶ درصد) است. فرمولاسیون این حمام‌ها هرگز قادر به تولید آلیاژهای روی با نیکل بیشتر از ۱۲ درصد نیست. بازده پوشش‌دهی حمام قلیایی ۴۰ـ۲۰ درصد است. سرعت پوشش‌دهی در این حمام‌ها کمتر است اما ترکیب یکنواخت‌تری از پوشش بدست می‌آید. در این حمام‌ها الکترولیت اصلی سود سوزآور (Caustic soda) شامل محلول زینکات Na2Zn(OH)4 است. از عوامل کمپلکس‌ساز و از همه بهتر آمین‌های آلیفاتیک استفاده می‌شود. همین امر باعث کاهش بازده الکتریسیته و در نتیحه کاهش سرعت رسوب‌گذاری می‌شود. همزدن محلول نیز ضخامت لایه نفوذی را کاهش می‌دهد. هر چه دما بیشتر باشد، بدلیل نازک‌تر شدن لایه نفوذی، رسوب فلز غیرفعال‌تر بیشتر می‌شود. این امر باعث افزایش سرعت جوانه‌زنی و ریزتر شدن دانه‌بندی می‌شود. گرچه افزایش سرعت رسوب‌گذاری احتمال بروز ناصافی در سطح را بیشتر می‌کند. دمای مطلوب پوشش‌دهی در این حمام‌ها ۲۹ درجه سانتیگراد است. هر چه دما بیشتر باشد پوشش تیره‌تر و هر چه دما کمتر باشد رسوب نازک شیری رنگ می‌شود. مقدار روی در این حمام‌ها 12 ـ5/7 گرم در هر لیتر الکترولیت است.

حمام‌های اسیدی پوشش روی ـ نیکل

رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمام‌های اسیدی روی ـ نیکل حاوی ۱۵ـ۱۰ درصد نیکل و بقیه فلز روی است. با افزایش مقدار نیکل تا ۱۸ درصد مقاومت خوردگی نیز افزایش می‌یابد اما اگر مقدار نیکل بیشتر شود غیرفعال شدن (passivation)، سطح بیشتر می‌شود و خواص فداشوندگی و حفاظت خوردگی رو به نزول می‌رود. بعلاوه هنگامی که مقدار نیکل زیاد می‌شود غیرفعال‌سازی پوشش کروماته مشکل و حتی غیرممکن می‌شود و کاهش مقاومت خوردگی را در پی دارد. حمام‌های اسیدی حاوی سولفات و کلراید هستند و عوامل کمپلکس‌سازی نظیر کلرید آمونیم نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در روش‌های سنتی و قدیمی، از آندهای مجزای روی و نیکل استفاده می‌شود که به یکسوکننده‌های (rectifier) مجزا متصل هستند. در فناوری‌های جدید از یک یکسوکننده و آندهای روی استفاده می‌شود در حالی که نیکل به شکل یک افزودنی به حمام اضافه می‌شود.

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.