فرآیندهای آبکاری کروم سخت
تجارت آبکاری کروم بین سالهای 1924 و 1926 زمانی آغاز شد که حق ثبت اختراعات برای کارهای دکتر کالین جی. فینک و چارلزالدریج در دانشگاه کلمبیا اعطا شد.اختراعات فیک پایه و اساس صنعت آبکاری کروم امروزی را تشکیل می دهد. فینک و الدریج مشخص کردند که می توان کروم را از اسید کرومیک (به عنوان مثال، تری اکسید کروم، CrOg) پوشش داد وقتی که یک مقدار مشخص از کاتالیزور سولفات به محلول اضافه شود. آنها این نسبت را 1به1۰۰ قرار می دهند، یعنی 100 قسمت اسید کرومیک به یک قسمت از سولفات است.این فرآیند در حدود بیست سال با استفاده از محلول اسید کرومیک/ سولفات تنها استفاده تجاری داشت. در ابتدا فقط برای آبکاری کروم سخت و نه برای اهداف تزئینی مورد استفاده قرار میگرفت. در یک برنامه اولیه، یک پوشش سنگین و مات کروم روی یک سری لوله قرار گرفت که این عمل جهت تمیز کردن دوده از روی لوله های گرمایش استفاده می شد. یکی دیگر از کاربردهای اولیه، استفاده از آبکاری کروم به عنوان پوشش نهایی بر روی یک صفحه فولادی که برای اعمال یک سطح صاف بر روی خمیر مرطوب، به نام “ورق دامان مرطوب”، که گرم شده و خشک میشود تا به صورت پانل های ماسونیت گرم شود.
پوشش کروم چگونه انجام می شود
الکترودپوزیشن یا پوشش دهی کروم با دیگر فلزات متفاوت است که برای فلزاتی مانند مس، نیکل و روی، آبکاری توسط ترکیب حمام، دمای کارکرد و همزدن محلول کنترل می شود. عوامل اضافی که کنترل میشوند عبارتند از: پوشش چقدر روشن یا مات، چقدر صاف یا زبر و چقدر پهن یا باریک است. در آبکاری کروم، پوشش توسط یک یا چند کاتالیزور کنترل می شود. این فرهنگ لغت به ما میگوید که کاتالیزور مادهای است که معمولاً در مقادیر اندک نسبت به واکنش دهندهها وجود دارد و واکنش را بهبود میدهد، در موارد خاص افزایش می یابد و میزان واکنش شیمیایی را بدون مصرف شدن در فرایند تغییر می دهد.
“در محلول اسید کرومیک / سولفات، سولفات، که معمولاً به صورت اسید سولفوریک اضافه می شود، کاتالیزور است. در حمام های کاتالیزور مخلوط، فلوراید و همچنین سولفات عملکرد کاتالیزوری را فراهم میکند. کنترل میزان کاتالیزور در حمام آبکاری کروم بسیار مهم است. محلول اسید کرومیک نمیتواند به تنهایی فلز کروم را پوشش دهد مگر اینکه حمام حاوی مقدار مناسب کاتالیزور باشد. اگر کاتالیزور خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هیچ کرومی پوشش نمی شود. محلول اسید کرومیک که فاقد کاتالیزور است، فقط یک هاله آبی از پوشش را رسوب میدهد. تا آنجا که غلظت کاتالیزور به آرامی افزایش مییابد و پوشش تا رسیدن به غلظت مطلوب کاتالیزور ساخته میشود. در آن مرحله، هاله ی آبی رنگ ناپدید میشود و فلز کروم ترسیب میشود. با این حال، اگر کاتالیزور بیش از حد اضافه شود، هاله آبی آسیب دیده و با رسوب کروم تداخل میکند. در تمام عملیات آبکاری به صورت الکتروپلیت ازآند استفاده می شود. در آبکاری کروم، آند یک آلیاژ سرب بی اثر است. در سایر آبکاریهای فلزی، آند معمولاً از همان فلزی ساخته میشود که در آن پوشش میشود. آند ساخته شده از فلز کروم بسیار گران بهاست و اینکه فلز کروم خیلی آهسته حل می شود.
کنترل مؤثر ضروری است.
کنترل فیلم کاتدی کلید پوشش فلز کروم از محلول اسید کرومیک / کاتالیزور است. در حقیقت، کنترل غلظت قطعات تشکیل دهنده و ارتباط این غلظتها با یکدیگر در تمام فرآیندهای آبکاری مهم است. به عنوان مثال، نسبت اصلی 100: 1 با استفاده از 54 اونس بر گالن (332 گرم در لیتر) اسید کرومیک به 0.54 اونس بر گالن (3.3 گرم در لیت) کاتالیزور سولفات اعمال شد. برای حدود 10 سال، تمام آبکاران پوشش دهنده کروم وفادار به فرمول 100: 1، 54.0-54 بودند. بعداً، آبکاران دریافتند که این نسبت با استفاده از حمام رقیقتر برای به دست آوردن نتایج بهتر آبکاری قابل تغییر است. آبکاران دریافتند که سختترین، درخشانترین و نرمترین پوششهای کروم سخت با نسبت 75: 1 تا 100: 1 در یک حمام سولفات/ اسید کرومیک به همین دلایل، وقتی از نسبتهای بالاتر از 100: 1 استفاده می کردند، رسوبهای کروم نرمتر و ماتتر بودند.
نسبت ها
منابع نسبت، در این کتاب برای حمام سولفات/ اسید کرومیک معمولی، برای حمام تقریبا خود تنظیم شونده مخلوط شده با کاتالیزور سرعت بالا وهمچنین حمام کاملاً خود تنظیم شونده سرعت بالا هستند. وان اسید کرومیک / سولفات دارای یک کاتالیزور منفرد است، که همان سولفات است که باید به صورت دستی تنظیم شود. نسبت در این مورد به نسبت اسید کرومیک به سولفات اشاره دارد. در حمام اسید کرومیک / سولفات، نسبت ممکن است از 75: 1 تا ۱:100 باشد. در حمام های کاتالیزور مخلوط، نسبت اسید کرومیک به سولفات کرومیک بالاتر خواهد بود زیرا این محلولها همچنین حاوی یک کاتالیزور ثانویه،اختصاصی هستند. در محلول کاتالیز کننده کاتالیزور تا حدودی خود تنظیم میشود و نسبت آن تنها به مقدار اسید کرومیک به سولفات اشاره دارد، زیرا غلظت کاتالیزور اختصاصی ثانویه، خود تنظیم شده داده نمی شود. در این حالت، نسبت اسید کرومیک به سولفات، با غلظت معمول اسید کرومیک 28 اونس / گالن (175گرم در لیتر) ، ممکن است از 130:1، با غلظت سولفات 0.22 اونس / گالن(1.37 گرم در لیتر)، تا ۱:240، با سولفات غلظت 0.116 اونس / گالن(0.72 گرم در لیتر) باشد.در محلول آبکاری کاتالیزور کاملاً خود تنظیم شونده، نسبت آن، فقط به مقدار اسید کرومیک به سولفات اشاره دارد و نه به غلظت کاتالیزور ثانویه اختصاصی. در محلول کاملاً خود تنظیم شونده، جایی که سولفات و کاتالیزورهای ثانویه هر دو به طور خودکار کنترل می شوند، نسبت اسید کرومیک به سولفات با 30 اونس بر گالن از 130: 1، با غلظت سولفات 0.23 اونس / گالن، به 250: 1به سولفات با غلظت 0.12 اونس / گالن (0.75 گرم در لیتر) می‌رسد.
رابطه اجزای حمام
علاوه بر استفاده از نسبتهای غیر از 100: 1، آبکارها همچنین رابطه مهم بین غلظت حمام، دما و میزان جریان مصرفی را کشف کردند. در حدود سال 1928، آنها کشف کردند که آبکاری کروم سخت بهتر است در دمای 120 تا 145فارنهایت (50 الی 62 درجه سلسیوس) انجام شود تا محدوده 95 تا 105 فارنهایت (35 الی 40 درجه سانتیگراد) که برای آبکاریهای تزئینی استفاده میشود.درجه حرارت بالاتر استفاده از دانسیته جریان تا چهار آمپر در اینچ مربع (12آمپر بر دسی متر مربع) را امکان پذیر میسازد و امکان آبکاری سریع تر را فراهم میآورد. آنها همچنین دریافتند که کروم در لایههایی قرار دارد که هر لایه حاوی ترکهایی است که ذاتاً در خود پوشش است. با کنترل تمام شرایط آبکاری، در یک حمام سولفات/ اسید کرومیک معمولی امکان تولید پوشش کروم بسیار ترک خورده، کمی ترک خورده یا اصلاً بدون ترک وجود دارد.
مواد اولیه آند
در روزهای اول آبکاری تجاری کروم از سرب برای آندها استفاده میشد، تحقیقات در مورد سرب شیمیایی در اسید کرومیک نشان داد که سرب به سرعت در حال نابودی است. در حقیقت، وقتی قطرهای داخلی آندها در آبکاری اول کوچک تر شد، شیمیدانان تحقیقاتی از سیم پلاتین به دلیل اشکالاتی که در سرب وجود داشت، استفاده کردند. کویل های گرمایشی و خنک کننده ساخته شده از مواد ضد فلز سرب نیز مورد استفاده قرار گرفت، اما هیچ کنترل دمایی در آن زمان در دسترس نبود. در آن روزهای اولیه، هیچ تهویهای در مخازن کروم کار گذاشته نمی شد. آبکاران یک پوشش چوبی روی مخزن قرار میدادند، قطعه کار خود را روی میله کاتد آویزان کرده و اتاق آبکاری را تا زمان پایان آبکاری ترک می کردند. البته استفاده از چوب ناخواسته باعث ایجاد مقداری ناخالصی کروم سه ظرفیتی در محلول می شد. علیرغم این مشکلات و خام بودن نسبی تکنیک، آبکاران نتایج کافی کسب میکردند.
نسبت و الگوی ترک
به جز در موارد خاص، تمام پوششهای کروم ذاتاً ترک خوردهاند. نسبت اسید کرومیک به سولفات یکی از مهمترین فاکتورها در تعیین الگوی ترک است. با پایین آمدن این نسبت، در حدود معینی، تعداد خطوط ترک در هر اینچ افزایش مییابد و در نتیجه پوشش سخت تر می شود. الگوی ترک با سختی صفحه کروم متفاوت است.
پوشش با الگوی ترک خوردگی 1000 خط / اینچ سختی تقریباً 950 تا 1025 ویکرز دارد. با سرعت 2000 خط در اینچ، سختی آن در حدود 1100 ویکرز است. به همین دلیل سختی اکثر قطعات، بیشتر میشود. وقتی این نسبت در یک محلول اسید کرومیک / سولفات، بالاتر از 240: 1 و در محلول کاتالیزور مخلوط، بالاتر از 100: 1 مشاهده میشود، پوشش به حالت بدون ترک می رسد و سختی آن حدود 750 ویکرز میشود. اگرچه این یک پوشش سخت است، اما برای کروم نسبتاً نرم است.
معرفی فرآیندهای مخلوط کاتالیزور
درست پس از جنگ جهانی دوم، حمام های کاتالیزور مخلوط حاوی کاتالیزورهای فلوراید برای استفاده تجاری ایجاد شدند اگرچه محققان آنها را امتحان کرده بودند، اما از کاتالیستهای فلوراید در آبکاری کروم تجاری استفاده نشده بود، زیرا کنترل آنها مشکل بود.
سال 1947 شرکت یونایتد کروم، که بخشی از شرکت شیمیایی ام اند تی است، اولین فرآیندهای حاوی فلوراید تنظیم نشده و با سرعت بالا را برای آبکاری کروم اختراع کردند.اولین فرایند Unichrome SRHS CR-100 بود که توسط فرانک پاسال توسعه یافت.
Unichrome SRHS CR-110، ساخته دکتر جسی ای میباشد و استارک هم آن را دنبال کرد. معرفی فرایندهایی با سرعت بالا و خود تنظیم شونده اولین پیشرفت بزرگ در آبکاری کروم از زمان کار فینک و الدریج در دهه 1920 بود. اتفاقاً، اصطلاحات “سرعت زیاد خود تنظیم شده”، “فلورایدی ” و “کاتالیزور مخلوط” در بسیاری از موارد مترادف هستند. با این حال، برخی از محلولهای حاوی فلوراید نه خود تنظیم شونده هستند و نه سرعت بالایی دارند.
مراحل فرآیندهای آبکاری سخت کروم
از بین تمام آبکارهای کروم که هنوز از یک فرآیند “معمولی” استفاده میکنند، ممکن است 50 درصد از فرآیند اسیدکرومیک/ سولفات استفاده کنند. این فرایند ممکن است تمام سرعت مورد نیاز را برای آبکارانی که قطعه تولیدی کمی دارند، فراهم کند.هر چند آبکارانی با ظرفیت تولید بالا نیاز به استفاده از یکی از سیستمهای با سرعت بالا و خود تنظیم شونده دارند.
در زیر پنج فرآیند مختلف ذکر شده است که بهبود یافتهی مراحل مختلف در فرآیند اسید کرومیک/ سولفات هستند:
1. کاتالیزور سولفات، خود تنظیم شونده
2. کاتالیزور مخلوط، خود تنظیم شونده، سرعت بالا
3. کاتالیزور مخلوط، کاملاً خود تنظیم، بالاترین سرعت
4. کاتالیزور مخلوط، تا حدودی خود تنظیم شونده، سرعت بالا
5- کاتالیزور مخلوط، بدون ترک، کاملاً خود تنظیم شونده
این سیستمهای جدید از آن جهت که تنظیم نسبت کاتالیزور را انجام میدهند دارای ارزش هستند چون آبکاران نیازی به تجزیه و تحلیل ندارند.
حمام سولفات / اسید کرومیک
محلول استاندارد اسید کرومیک / سولفات حاوی یک کاتالیزور منفرد، سولفات است و با اضافه کردن اسید کرومیک، اسید سولفوریک یا کربنات باریم تنظیم می شود. همانطور که تجزیه و تحلیل نشان میدهد. راندمان فعلی این فرآیند حدود 14 درصد است، به این معنی که 14 درصد از انرژی الکتریکی برای پوشش کروم استفاده میکنند و 86 درصد آن هدر می رود.روند اسید کرومیک / سولفات قابل اعتماد بوده اما کند است. تهیه، تجزیه،تحلیل و کنترل با مواد اقتصادی غیر قابل فروش نسبتاً آسان است. پوششهای قابل قبول و صافی با سختی 950 تا 1025 ویکر تولید می شوند. با این حال، پوشش ها به اندازه حمام کاتالیزور مخلوط خوب و براق نیستند و سرعت آبکاری به اندازه ی سرعت یک فرآیند کاتالیست مخلوط نیست.
آبکارهای کروم سخت که از وانهای استاندارد اسید کرومیک / سولفات استفاده میکنند، باید یاد بگیرند که درصد نسبت را به درستی کنترل کنند. بعضی از آنها با نسبت 100: 1 آبکاری را بدون افزودنی شروع می کنند تا جایی که مشکلی ایجاد شود. پس از به وجود امدن مشکل آنها به وان اسید کرومیک اضافه می کنند، اما در اکثر اوقات، قادر به بررسی سطح سولفات که باید گاهی اوقات تنظیم شود نیستند.
حمام کاتالیزور سولفات خود تنظیم شونده
فرآیند سولفات خود تنظیم شونده، طبق استاندارد، تنها از یک کاتالیزور منفرد سولفات استفاده می کند. این کاتالیزور سولفات، درهر حال، خود را تنظیم می کند. این کار را انجام میدهد زیرا، هنگامی که حمام ساخته میشود، مقدار زیادی از کاتالیزور به صورت یک لایه جامد در قسمت پایین مخزن ته نشین می شود. غلظت اسید کرومیک با بیرون آوردن و خارج کردن قطعات کاهش می یابد، سپس از پمپ باد برای همزدن فاز جامد در کف مخزن استفاده می شود تا درصد نسبت به سطح مناسب آن، براساس غلظت اسید کرومیک تنظیم شود. البته غلظت اسید کرومیک باید در حد توصیه شده حفظ شود.
شکل 6. نسبت اسید کرومیک / سولفات که ممکن است در غلظت ها و درجه حرارتهای مختلف اسید کرومیک در یک حمام سولفات کاتالیزور خود تنظیم شونده بدست آید.
توجه داشته باشید که فاز جامد در انتهای یک مخزن حاوی یک حمام خود تنظیم شونده سولفات و کاتالیزور به اندازه کافی سبک است که با یک گردش هوا هم زده میشود. فاز جامد در یک حمام کاملاً تنظیم شده و دارای کاتالیزور نسبتا سنگین است و باید آن را صاف کرد. رسوبات کروم حاصل از این فرآیند خود تنظیم شونده از فرآیند استاندارد اسید کرومیک/سولفات براقتر و صافتر هستند. بازده فعلی نیز یکسان است که در حدود 14 درصد میباشد.این سیستم باعث می شود تا آبکاران بتوانند به راحتی نسبت پوشش مطلوب را حفظ کنند. تنها کاری که باید انجام دهید این است که به طور دوره ای غلظت اسید کرومیک را بررسی کنید و با یک ترکیب نگهدارنده تنظیم کنید و مرتباً محلول را هم بزنید تا اجزاء حمام بتوانند کار خود را انجام دهند.
حمام خود تنظیم، با کاتالیزور مخلوط
صفحات سیستم خود تنظیم شونده با کاتالیزور مخلوط سریعتر از سیستم حمام سولفات/ اسید کرومیک و سیستم های سولفات خود تنظیم شونده است. با این حال، سرعت پوشش دهی آن سریعتر از سیستم های ترکیبی مخلوط با سرعت بالا که در بخش بعد شرح داده شده است نمی باشد. این محلول با مخلوط کاتالیزور خود تنظیم شونده حاوی مقدار زیادی از کاتالیزور است، که در قسمت پایین مخزن مستقر می شوند. چند دقیقه قبل از هر تغییر، حمام را باید با یک جریان هوا کاملاً هم بزنید. این باعث می شود که کاتالیزور کافی به محلول برگردد و تعادل مناسب کاتالیزور را نسبت به اسید کرومیک موجود حفظ کند. غلظت اسید کرومیک باید مطابق قرائت هیدرومتر به طور مرتب بررسی و با حفظ ترکیب تنظیم شود. راندمان فعلی این فرایند در حدود 18 درصد میباشد، و بهتر از فرآیندهای مورد بحث در گذشته است. پوششهای محلول با کاتالیزور مخلوط (حداقل 1025 ویکرز) نسبت به پوششهای محلولهای اسید کرومیک / سولفات براقتر و سخت تر هستند.
حمام کاملاً تنظیم شونده، با کاتالیزور ترکیبی
این فرآیند ترکیبی از سرعت بالا و کاملا خود تنظیم میباشد. محلول حاوی مقدار زیادی از کاتالیزور است، که در قسمت زیر مخزن آبکاری مستقر می شود و باید در شروع هر شیفت حدوداً پنج دقیقه بجوشد. این فرایند عملکرد بهتری در غلظت کمتر اسید کرومیک نسبت به حمام های معمولی را فراهم می کند(جدول 6 را ببینید.) به راحتی کنترل می شود. از آنجا که تنظیم اتوماتیک غلظت کاتالیزور وجود دارد، هنگامی که غلظت محلول به درستی حفظ شود، تنظیم خودکار نسبت نیز وجود دارد. راندمان فعلی این فرایند به طور قابل توجهی بالاتر از فرآیند اسید کرومیک / سولفات – حدود 23 درصد- میباشد. دانسیته جریان تا 6.5 asi (20آمپر بر دسی متر مربع) قابل استفاده است. این فرایند با سرعت بالاتر و فرسودگی کمتر، یک صفحه پهن و روشن را تولید می کند.پوشش های حمام کاملاً تنظیم شونده با سرعت بالا همراه با کاتالیزور مخلوط با هر ضخامتی نسبت به حمام های اسید کرومیک / سولفات براقتر و صافتر هستند. این پوشش ها از سختی 1025 تا 1200 ویکرز هستند.
حمام کاتالیزوری کاملاً تنظیم شونده با سرعت بالا، همراه با کاتالیزور مخلوط
در این فرآیند از یک محلول کاتالیزور که به راحتی کنترل شده، و محلول کاملاً حل شده و مخلوط طراحی شده است که با مبدل های آنیون سازگار میباشد. حمام با ترکیبی از اسید کرومیک و کاتالیزور ساخته شده است. پس از اینکه ترکیب ساخته شده در آب داغ حل شد، حمام برای سولفات تجزیه و تحلیل می شود و با غلظت توصیه شده تنظیم می شود. پس از آن، افزودنیهای حفظ محلول با قرائت هیدرومتری ساده غلظت اسید کرومیک و آنالیز سولفات تعیین می شود. در این فرآیند، غلظت کاتالیزور فلوراید به طور خودکار با اسید کرومیک همراه می شود. با این وجود، کاتالیزور سولفات باید با تجزیه و تحلیل شیمیایی کنترل شود، پس از آن تنظیماتی با افزودن اسید سولفوریک برای افزایش غلظت سولفات انجام می شود، یا با هم زدن در کربنات باریم به صورت کامل، کاهش محتوای سولفات انجام می شود. حمام آبکاری با سرعت زیاد پوشش نرم و براق تر از اسیدهای کرومیک / سولفات را فراهم می کند. این صفحات با کارآیی کاتد بالا (23 قطعه و بیشتر) و تا 6/5 asi (15 الی 18 امپربر دسیمتر مربع) قابل اجرا است.
فرآیند خود تنظیم، بدون ترک
این فرایند با فرآیندهای قبلی متفاوت است زیرا باعث می شود که رسوبات مات نرمتر، منعطف تر و بدون ترک باشد. پوششهای بدون ترک می توانند به تنهایی یا به عنوان بخشی از سیستم دولایه استفاده شوند. هنگامی که به عنوان یک پوشش تنها استفاده می شود، ممکن است در صورت تمایل، پوشش مات پولیش و به درخشندگی بالایی تبدیل شود. با این وجود برای مقاومت در برابر خوردگی بیشتر، فرآیند بدون ترک ممکن است بخشی از یک سیستم کروم مضاعف باشد، که در آنجا پوشش مات متعاقباً با یک کروم روشن و سخت، آبکاری می شود.
حمام های خود تنظیم کننده آبکاری کروم
“خود تنظیم” به کنترل غلظت کاتالیزور و نه غلظت اسید کرومیک در حمام آبکاری کروم اشاره دارد تا اینکه فرایندهای خود تنظیم شونده به طور صحیح کار کنند.برای به دست آوردن نسبت مناسب اسید کرومیک به سولفات باید غلظت صحیح اسید کرومیک حفظ شود. مفهوم خود تنظیم شونده در آبکاری کروم نسبتاً ساده است، گرچه واکنشهای شیمیایی آن بسیار پیچیده است. در هر فرآیند آبکاری کروم کاملاً تنظیم شونده، حمام با مقدار محاسبه شده ای از یک ماده واحد حاوی اسید کرومیک و کاتالیزور ساخته می شود. در برخی از حمام های کاتالیزور مختلط، ماده واحد حاوی مواد شیمیایی کنترل کننده ی دیگری نیز هست. این ماده با هم زدن شدید در آب و در دمای حدود 10 فارنهایت بالاتر از دمای کارکرد مورد نظر کاملاً حل می شود. پس از حل شدن مواد ساخته شده، حمام تا دمای اولیه سرد می شود و دوباره کاملاً هم زده می شود. در این مرحله، مقدار زیادی از کاتالیزور (و مواد شیمیایی کنترل کننده) در ته مخزن آبکاری رسوب می کند. در این صورت تعادل حمام با حل کردن بخشی از نمک های رسوب کرده در ته محلول حفظ می شود. این کار با احتکار کامل نمک های رسوب شده برای چند دقیقه در ابتدای هر شیفت کاری انجام می شود.
تنظیم شرایط آبکاری در حمام های تنظیم شونده
در حمام های آبکاری شرایط آبکاری با روش درست ترکیب دو عامل کنترل غلظت اسید کرومیک و کنترل دمای آبکاری تنظیم می شود. کنترل غلظت و دمای اسید کرومیک به طور خودکار غلظت کاتالیزور را تنظیم می کند و بنابراین، کیفیت پوشش کروم مشخص می شود. در فرآیندهای خود تنظیم شونده ی سولفات و خود تنظیم شونده مختلط (کاتالیزور مختلط (نه با سرعت بالا))، حمام با استفاده از یک گردش هوا، حداقل یک بار در هر شیفت کنترل می شود تا نمک های رسوب شده در قسمت ته مخزن هم بخورند.در فرآیندهای سرعت بالا و فرآیند های بدون ترک (بدون سرعت) کاتالیزور مختلط که کاملاً خود تنظیم شونده هستند، حمام با احتکار مکرر و کامل نمک های رسوب شده ای که در ارتباط با محلول هستند کنترل می شود. اسید کرومیک نیز همچنین باید در محدوده 28 تا 32 اونس / گالن (175 الی 200 گرم در لیتر) کنترل شود.
مقررات کاتالیزور
در یک محلول آبکاری کروم کاملاً تنظیم شونده، غلظت کاتالیزور به حفظ غلظت اسید کرومیک و درجه حرارت بستگی دارد. احتکار مواد رسوب شده در پایین مخزن نیز ضروری است. در چنین فرآیندهای خود تنظیم شونده ای، تغییر غلظت اسید کرومیک تأثیر خودکار معکوس بر غلظت کاتالیزور دارد.
تصویر7:با افزایش غلظت اسید کرومیک در محلول آبکاری کروم خود تنظیم شونده بطور خودکار غلظت کاتالیزورکاهش می یابد و نسبت را بالا می برد.
تصویر8: . با کاهش غلظت اسید کرومیک، غلظت کاتالیزور کاهش می یابد و نسبت آن کاهش می یابد.
تصویر9: هنگامی که درجه حرارت آبکاری افزایش می یابد، غلظت کاتالیزور نیز اتفاق می افتد. نسبت کاهش می یابد.
تصویر10: با کاهش دمای محلول آبکاری، غلظت کاتالیزور به طور خودکار کاهش می یابد و نسبت آن افزایش می یابد.
تغییرات دما اثر مستقیمی بر روی غلظت کاتالیزور دارد. این تغییرات به نوبه خود تأثیر خودکار بر نسبت حمام آبکاری دارد. حتی همه چیز یکسان باشد، غلظت اسید کرومیک افزایش میابد.غلظت در یک محلول آبکاری کروم کاملاً خود تنظیم شونده غلظت کاتالیزور را کاهش داده و این نسبت را افزایش می دهد. شکل 7.هنگامی که غلظت اسید کرومیک کاهش می یابد، غلظت کاتالیزور به طور خودکار افزایش می یابد و نسبت کاهش می یابد. شکل۸. با افزایش دمای آبکاری، غلظت کاتالیزور به طور خودکار افزایش می یابد و نسبت کاهش می یابد. شکل 9.اگر دمای آبکاری کاهش یابد، غلظت کاتالیزور به طور خودکار کاهش می یابد و نسبت افزایش می یابد. شکل 10.
افزایش غلظت اسید کرومیک در یک حمام کاملاً تنظیم شونده باعث کاهش سرعت آبکاری و کاهش براقیت می شود. برای غلبه بر این مشکل، درجه حرارت افزایش می یابد، این امر باعث افزایش تراکم جریان می شود. در نتیجه، پوشش دوباره نسبتاً براق میشود، زیرا راندمان جریان کاتدی از دست رفته مجددا بازیابی شده است.
ساخت حمام کاتالیزور مختلط
حمام کاتالیزور مختلط از موادی تشکیل شده است که حاوی اسید کرومیک و یک یا چند کاتالیزور است. فرض کنید آبکاری در دمای 130 فارنهایت (55درجه سلسیوس) در حمام کروم سخت انجام می شود. دو سوم مخزن از آب پر شده و تا 140 فارنهایت (60 درجه سلسیوس) گرم می شود. 10 درجه حرارت اضافی، میزان حلالیت نمک ها را افزایش می دهد و باعث می شود تا آنها را راحت تر حل کنید. با افزودن نمک ها محلول کاملاً اشباع میشود، و فعالیت کاتالیزور آغاز می شود. هنگامی که کاتالیزور در آن جمع شده و شروع به کار میکند، مقدار اضافی آن در ته مخزن رسوب می کند.
نمونه گیری از محلول ها
استفاده از تکنیک مناسب هنگام گرفتن نمونه از حمام آبکاری بسیار مهم است تا تجزیه و تحلیل بعدی وضعیت دقیق محلول را منعکس کند. قبل از نمونه برداری، مقدار محلول حمام باید در سطح مناسب آن تنظیم شود، کاملاً مخلوط شود و به مدت پنج دقیقه اجازه داده شود تا حل شود. فقط در این صورت باید نمونه برداری انجام شود. یک نمونه مناسب با استفاده از یک لوله شیشه ای به اندازه کافی بلند انجام می شود که طول آن به شش اینچ از عمق مخزن آبکاری برسد. چند نمونه باید از مکان های مختلف موجود در مخزن آبکاری گرفته شود.
بهره برداری و کنترل حمام سولفات /کرومیک اسید
معمولاً حمام اسید کرومیک / سولفات با دانسیته جریان کاتدی بین یک تا دو asi (3 الی 6 امپر بر دسی متر مربع) عمل می کند. (برای محدودیتهای عملی نسبتهای اسید کرومیک / سولفات به جدول 5 مراجعه کنید.)در این شرایط معمولاً دمای ۱۲۵ فارنهایت (52 درجه سانتگیراد) استفاده می شود. اگر درجه حرارت مجاز به افزایش باشد، باید چگالی جریان افزایش یابد تا پوشش کروم در محدوده براق نگه داشته شود. در زمان استفاده از فرآیند اسید کرومیک و سولفات، بسیاری از آبکاران توجه کمتری به نسبت ها می کنند. هنگامی که غلظت فلز کاهش می یابد، آبکاران باید به خاطر داشته باشند که غلظت سولفات را بررسی کنند، علاوه بر این غلظت اسید کرومیک برای تعیین چگونگی بازگشت حمام به نسبت اصلی آن است.
بهره برداری و کنترل سیستم های کاتالیزور مختلط
بیشتر حمام های اختصاصی با دقت فرموله شده اند تا با حداقل بررسی در تعادل باقی بمانند.
شکل 11. صفحه تخلیه مخصوص با حمام های کاملاً خود تنظیم شونده کاتالیزور مختلط استفاده می شود.
این ماده به راحتی از مواد موجود در بیشتر فروشگاههای آبکاری تهیه می شود.غالباً ناشی از1) عدم تخلیه کامل رسوبات یا هم زدن ناکافی،۲) یا افزودن مواد شیمیایی غیر ضروری یا فی البداهه به محلول است. کار با سیستمهای کاملاً خودتنظیم آنقدرها که گاهی اوقات کارشناسان می گویند دشوار نیست. کلید اصلی این حمام های اختصاصی خود تنظیم شونده، مواد حل نشده در کف مخزن است.این ماده حل نشده بسیار متراکم است. در ابتدای هر شیفت ده دقیقه طول می کشد با یک قلاب مخصوص به طور کامل جمع آوری شود.شکل 11
تخلیه باید دقیق باشد! اگر تخلیه مواد به درستی انجام نشود، مواد سنگین در قسمت زیر مخزن فشرده و سفت می شوند و برداشتن آن دشوار خواهد بود. این کار بر عملکرد محلول آبکاری تأثیر منفی می گذارد.
صفحه تخلیه ساده که در شکل 11 نشان داده شده است می تواند به طور موثری جهت تخلیه مورد استفاده قرار گیرد تا حمام های آبکاری کاملاً تنظیم شونده و کاتالیزور مختلط تنظیم شود. و باید طوری ساخته شود که بین آند و نوار کاتد در مخزن آبکاری قرار بگیرد. یک صفحه تخلیه ساده به این صورت ساخته می شود که باید در حدود ده اینچ عرض و پنج تا شش اینچ عمق داشته باشد، و حتی می تواند از آهن مشکی بدون پوشش و 4 اینچی ساخته شود که سوراخ های 0.25 اینچی (6میلیمتری) در کل سطح آن حفر شده است. انتهای صفحه را درون محلول پایین بیاورید و با شدت آن را بالا و پایین پمپ کنید. با نزدیک شدن قسمت پایین صفحه به فاز جامد در قسمت زیرین مخزن آبکاری، مواد از طریق سوراخ های صفحه مشبک وادار به تماس با محلول می شوند. این تعامل مواد اضافی با محلول، کلید تنظیم خود تنظیم شوندهها است. پس از راه اندازی صحیح حمامها، غلظت اسید کرومیک با یک دماسنج کالیبره شده در درجه بومه بررسی می شود که رابطه ای با غلظت اسید کرومیک دارد همانطور که در جدول 4 نشان داده شده است. وجود ناخالصیهای فلزی در محلولهای آبکاری کروم باعث افزایش درجه بومه می شود. . در محلول آلوده کروم، غلظت اسید کرومیک فقط با تجزیه و تحلیل شیمیایی می تواند دقیقاً تعیین شود.
درجه حرارت
به طور کلی، درجه حرارت بالاتر استفاده از دانسیته جریان بالاتر را مجاز می کند. در نتیجه این منجر به افزایش سرعت آبکاری می شود و دامنه چگالی جریان قابل استفاده وسیع تری را فراهم می کند. هرچند دمای انتخاب شده در طول عملیات آبکاری باید در1± فارنهایت قراربگیرد تا در محدوده صفحه براق باقی بماند. کنترل دما برای تولید پوششهای بدون ترک بسیار مهم است
| جدول 3کنترل شیمیایی حمام های آبکاری کروم اسید کرومیک / سولفات |
| کنترل پردازشتنظیم غلظت اسید کرومیک کرومیک اسید / سولفاتتنظیم غلظت سولفات |
| غلظت اسید کرومیک را با ترکیب نگهدارنده تنظیم کنید. کاتالیزور سولفات، خود تنظیم شوندهسولفات خود تنظیم می شود. مواد اضافی را با جریانباد یک بار در هر شیفت هم بزنید. |
| غلظت اسید کرومیک را با ترکیب نگهدارنده تنظیم کنید. کاتالیزور مخلوط، سرعت بالا، خودکاتالیزورها خود تنظیم می شوند مواد اضافی را با جریان تنظیم شوندههوا یک بار در هر شیفت هم بزنید. |
| غلظت اسید کرومیک با استفاده از نمک های مناسب کاتالیزور مخلوط، کاملاً تنظیم شونده،نگهداری می شود. کاتالیزورها خود تنظیم می شوند. بالاترین سرعتمواد اضافی را یکبار در هر شیفت تغییر دهید. |
| حمام کاملا محلول. غلظت اسید کرومیک را با استفاده کاتالیزور مخلوط، بالاترین سرعت، تااز نمکهای مناسب نگهداری تنظیم کنید. کاتالیزور اندازه ای خود تنظیم شوندهثانویه خود تنظیم می شود. تنظیم برای سولفات. |
| غلظت اسید کرومیک را با استفاده ازترکیبات نگهدارنده کاتالیزور مخلوط، بدون ترک، کاملاتنظیم کنید. کاتالیزورها خود تنظیم میشوند. خود تنظیم شونده.مواد اضافی را یکبار در هر شیفت تغییر دهید. |
اگر درجه حرارت بسیار کمتر از150 فارنهایت باشد، تمایل به سمت مات بودن و ترک خوردگی های عمیق و بزرگ در صفحه وجود دارد. برای جلوگیری از طبقه بندی درجه حرارت در حمام، تمام محلول های آبکاری کروم باید دارای جریان هوا باشند. فقط برای تهویه هوا باید از یک دمنده کم فشار استفاده کنید. ممکن است با استفاده از دمندههای فشار قوی نشت روغن رخ دهد و باعث آلوده کردن حمام و تولید کروم سه ظرفیتی شود.
محدودیتهای عملیاتی
جدول 5 محدودیتهای عملی برای فرآیندهای آبکاری کروم استاندارد کاتالیزور مخلوط را نشان می دهد.
| جدول 4مقایسه درجه بومه غلظت اسید کرومیک در یک محلول آبکای بدون آلودگی |
| اسید کرومیک اسید کرومیک وزن مخصوص درجه بومه درجه بومه گ5رم / لیتر اونس/ گالن 60F 60F 130 187.3 25.0 1.1328 17 15.6200.0 26.7 1.1417 18 16.8213.0 28.5 1.1508 19 17.9224.7 30.0 1.1600 20 18.6241.2 32.2 1.1694 21 19.5255.4 34.1 1.1789 22 20.7269.6 36.0 1.1885 23 21.7283.9 37.9 1.1983 24 22.9 298.1 39.8 1.2083 25 23.4 |
| جدول ۵محدودیتهای کاربرد عملیاتی فرایند آبکاری کروم | ||||||
| غلظت اسید کرومیک انس بر گالن | ||||||
| CrO3/SO4رنج* | کاتد C.D(asi) | دما(F) | زیاد | حالت مطلوب | کم | فرایند |
| 75:1 تا100:1 | 3——14 | 120-130145 | 40 | 32 | 26 | کرومیک اسید/سولفات |
| 75:1 تا100:1 | 3——14 | 120-130145 | 40 | 32 | 25 | کاتالیزور سولفات خود تنظیم شونده |
| 86:1 تا130:1 | 3.5—-25——4 | 130140 | 36 | 32 | 26 | کاتالیزور مخلوط سرعت بالا خود تنظیم شونده |
| 131:1217:1 | 4—–26.5—3.5 | 130140 | 34 | 28-30 | 26 | کاتالیزور مخلوط بالاترین سرعت کاملا خود تنظیم شونده |
| 127:1 تا238:1 | 4—–26.5—3.5 | 13140 | 38 | 28 | 263 | کاتالیزور مخلوط بالاترین سرعت کاملا خود تنظیم شونده |
| 143:1 تا212:1 | 2.5—1.5 | 150FF | 36 | 32 | 30 | کاتالیزور مخلوط بدون ترک کاملا خود تنظیم شونده |
*برای استثنائات مربوط به تخلل کروم به تصویر11 مراجعه فرمایید
| جدول 6کارایی جریان کاتد(pct) | |||||||||
| مقایسه سیستم های انحصاری کرومیک اسید /سولفات | |||||||||
| 6asi | 5asi | 4asi | 3asi | Asi2 | 1asi | انس/گالنCrO3 | دماF | فرایند | |
| ** | ** | *16.5 | 16.315.0 | 14.0* | 10.9* | 3232 | 120-130145 | کرومیک اسید/سولفات | |
| ** | ** | *16.5 | 16.315.0 | 14.0* | 10.9* | 3232 | 130145 | کاتالیزور سولفات خود تنظیم شونده | |
| ** | ** | *17.3 | 18.616.6 | 16.8140 | 13.5 | 3232 | 130145 | کاتالیزور مخلوط خود تنظیم شونده | |
| *27.4 | *26.7 | 26.025.2 | 24.6* | 21.7* | 15.6 | 2828 | 130145 | کاتالیزور مخلوط کاملا خود تنظیم شونده | |
| *28.1 | *27.6 | 26.927.1 | 24.9* | 21.9* | 15.6 | 2828 | 130145 | کاتالیزور مخلوط تقریبا خود تنظیم شونده | |
| 6.6 | 32 | 150 | کاتالیزور مخلوط بدون ترک خود تنظیم شونده | ||||||
*در این دانسیته جریان و دما، پوشش براق نخواهد
| جدول 7سرعت آبکاری در هزارم یک اینچ/ ساعت | |||||||||
| مقایسه سیستم های انحصاری کرومیک اسید/سولفات | |||||||||
| 6asi | 5asi | 4asi | 3asi | Asi2 | 1asi | انس/گالنCrO3 | دماF | فرایند | |
| ** | ** | *1.81 | 1.41.24 | 0.8* | 0.31* | 3232 | 120-130145 | کرومیک اسید/سولفات | |
| ** | ** | *1.82 | 1.401.24 | 0.08* | 0.31* | 3232 | 130145 | کاتالیزور سولفات خود تنظیم شونده | |
| ** | ** | 2.20* | 1.60* | 0.90* | 0.40 | 3232 | 130145 | کاتالیزور مخلوط خود تنظیم شونده | |
| *4.20 | *3.74 | 2.902.85 | 2.00* | 1.20* | 0.43 | 2828 | 130145 | کاتالیزور مخلوط کاملا خود تنظیم شونده | |
| *4.47 | *3.76 | 2.902.85 | 2.00* | 1.20* | 0.43 | 2828 | 130145 | کاتالیزور مخلوط تقریبا خود تنظیم شونده | |
| 0.79 | 0.30 | 32 | 150 | کاتالیزور مخلوط بدون ترک خود تنظیم شونده | |||||
*در این دانسیته جریان و دما، پوشش براق نخواهد بود.
حمام های سولفات کرومیک معمولاً کم استفاده می شوند. آنها قادر به بازده جریان و نسبت پوشش بالاتر از آنچه که اکثر آبکاران تصور می کنند، هستند. اکثر حمامهای کرومیک اسید/سولفات معمولاً بین یک تا دو asi کار می کنند. با این حال، می توان آنها را در چگالی جریان تا 5 asi در 145فارنهایت استفاده کرد.از قابلیتهای حمام پرسرعت نیز کم استفاده شده است. بسیاری از این سیستم‌ها با دو asi کار میکنند، در حالی که می‌توانند با 6.5 asi در 145 فارنهایت اجرا شوند.در هر صورت، برای به دست آوردن حمام های آبکاری کروم سخت، محل مناسب، ظرفیت کافی مخزن و یکسوکننده جریان باید فراهم شود.
همانطور که در جدول 7 نشان داده شده است تفاوتهای شدید بین سرعت آبکاری سیستمهای مختلف آبکاری کروم وجود دارد. به عنوان مثال در۳ asi (9امپردر دسیمترمربع) و130فارنهایت
(55درجه سانتیگراد) سرعت آبکاری سیستمهای میکس کاتالیزور با سرعت بالا، 42 قطعه بیشتر از سرعت اسید کرومیک / سولفات یا سیستمهای سولفات خود تنظیم شونده است. با توجه به پوشش های ضخیم مورد نیاز در آبکاری کروم سخت، این می تواند تفاوت قابل توجهی در سود ایجاد کند.با استفاده از دانسیته جریان بالاتر در فرآیندهای سرعت بالا، کاتالیزور مخلوط، می توان سود بیشتری نیز به دست آورد. در ۶ asi، هر دو حمام پر سرعت با سرعت بیش از 0.004 اینچ (100 میکرون) در ساعت با دمای 145فارنهایت (62درکه سانتیگراد) پوشش دهی انجام میدهند. این بیش از دو برابر سرعت سیستم اسید کرومیک/ سولفات در بالاترین دانسیته جریان آن در ۴ asi (13آمپر بر دسمتر مربع) در 145فارنهایت (62درجه سانتیگراد) است. برای به دست آوردن حداکثر مزیت از حمامهای پر سرعت، مطمئن شوید که تجهیزات مناسب، ظرفیت مخزن مناسب و یکسو کننده جریان وجود دارد. مورد دوم از اهمیت ویژهای برخوردار است. راه اندازی یک حمام پر سرعت و عدم استفاده از یک دستگاه یکسو کننده جریان مورد نیاز جهت استفاده از قابلیت های حمام پرسرعت، اشتباه است. از آنجا که فرآیندهای پر سرعت در ۴، ۵یا۶ asi (12 و 15 و 18 امپربر دسی متر) با موفقیت انجام می شود، در مقابل حد بالای ۴ asi برای حمام استاندارد اسید کرومیک / سولفات، صرفه جویی در زمان، مواد و کارگر را ایجاد میکند و حتی اگر لازم به تهیه رکتیفایر اضافه داشته باشد قابل توجیه است.
افزودنیهای نادرست فلوراید
آبکاران گاهی امیدوارند با افزودن کاتالیزورهای فلوراید بیش از اندازه سرعت آبکاری بیشتری داشته باشند. این آبکاران معمولاً قبل از اضافه کردن کاتالیزور، تجزیه و تحلیل شیمیایی از محلول آبکاری را انجام نمی دهند. افزودن کاتالیزورهای فلوراید معمولاً نه تنها سرعت بالایی ایجاد نمیکند بلکه وقت و هزینه آبکاران را با ایجاد شرایط کنترل بسیار سخت، هدر می دهد. تحت هیچ شرایطی نباید کاتالیزورهایی مانند اینها بدون تجزیه و تحلیل شیمیایی قبلی به محلول اضافه شود. کمیت و کیفیت افزودنیهای کاتالیزور فلوراید باید با دقت کنترل شود. همچنین حفظ نسبت مناسب سولفات در رابطه با اسید کرومیک و همچنین غلظت فلوراید بسیار مهم است. هر بار کاتالیزور اضافه میشود، باید حمام آنالیز شود. متأسفانه، چنین آنالیزهایی به ندرت انجام میشود. در عوض، غلظت کاتالیزور اغلب توسط حدس کنترل می شود. به عنوان مثال، اگر پوشش مات است، آبکار فرض می کند که فلوراید کم است. سپس کاتالیزور فلوراید اضافه می شود.که بلافاصله براق نمی شود، فلوراید بیشتری اضافه می شود. در نتیجه، پوشش ماتی را که برای اولین بار در اثر غلظت کاتالیزور خیلی کم ایجاد شده است، اکنون به دلیل غلظت زیاد فلوراید ایجاد می شود. برای تصحیح مواردی که باعث ایجاد ماتی می شود، سریعاً غلظت سولفات حمام را آنالیز کنید. در بسیاری موارد، تنظیم سولفات باعث ایجاد براقی لازم می شود. اما اگر استفاده غیر متمایز از کاتالیزور فلوراید بیش از حد و طولانی ادامه یابد، تنظیم سولفات ممکن است دیگر مشکل را حل نکند. اگر چنین است، برای خلاص شدن از شر بیش از حد فلوراید باید حمام دمیده شود. بنابراین مقدار قابل توجهی پول در اثر از بین رفتن محلول گران قیمت، یا بابت تصفیه یا دفع زباله، یا بابت افزایش هزینههای کار و از دست دادن تولید، هدر می رود. اگر محلول آبکاری به آرامی تخلیه سپس در انبار قرار گیرد، می توان این ضررها را تا حدودی کاهش داد. بعدا می توان در صورت نیاز از آن برای تنظیم سطح محلول حمام آبکاری استفاده کرد. کار با راندمان بهینه، در هنگام استفاده از کاتالیزورهای فلوراید جانبی دشوار است زیرا در این حالت کنترل حمام آبکاری عملا از بین رفته است. استفاده از یک فرایند کاتالیزور مختلط با ویژگیهای خود تنظیم کننده بسیار مؤثرتر از استفاده از کاتالیزورهای جانبی فلوراید است.
(پایان ترجمه و ویرایش فصل سوم(
هر انس =28.35 گرم
هر گالن امریکایی = 4.55 لیتر
هر انس بر گالن = 6.23 گرم در لیتر
هر asi = 3.09 امپر بر دسی متر مربع
تهیه شده در واحد تحقیقات خانه آبکار
