صنعت رسوب دهی الکتریکی

آبکاری

آبکاری ]1 [فرایند روکش دهی فلزی  با احیا کاتیون به وسیله جریان الکتریکی و یا به صورت شیمیایی و نشاندن آن به‌صورت یک لایه روی کاتد است. این فرایند برای افزایش ویژگی‌ هایی مانند مقاومت در برابر سایش و خوردگی یا برای اهداف تزئینی به‌کار می ‌رود.

تاریخچه

فرایند آبکاری را می توان به Luigi V.Brugnatelli ارتباط داد که اولین بار در حوالی سال ۱۸۰۰ میلادی از طلا با استفاده از باتری الکتریکی به کمک دوست خود Volta این فرایند را اختراع کرد و اسناد اختراعات خود را در مجله Brugnatelli که توسط خودش انتشار می یافت، ثبت کرد. این اکتشافات بطور گسترده ای کاربرد پیدا کرد تا اینکه سال های ۱۸۳۸-۱۸۳۹ میلادی پوشش مس با استفاده از همین روش نیز اختراع شد و توسعه یافت.

فرایند آبکاری

این فرایند نیز مشابه سایر روش های الکتروشیمیایی دارای آند، کاتد و الکترولیت است و بخشی که نیاز به آبکاری دارد، به عنوان کاتد در سیستم قرار می گیرد. روش های آبکاری را می توان به صورت زیر، یک بار بر اساس چگونگی انجام فرآیند و بار دیگر بر اساس نوع پوشش ایجاد شده تقسیم نمود.

انواع روش های آبکاری بر اساس چگونگی انجام فرآیند:

1- آبکاری غیر الکتریکی ]2 [(خود کاتالیستی)

2- آبکاری الکتریکی ]3 [

    2-1- آبکاری الکتریکی با جریان مستقیم (DCE)  ]4 [

    2-2- آبکاری الکتریکی با جریان منقطع (پالسی) (PCE) ]5 [

اما روش های آبکاری بر اساس نوع پوشش های ایجاد شده به دسته های زیر تقسیم می شوند:

1- آبکاری جهت ایجاد پوشش از فلزات خالص

2- آبکاری جهت ایجاد پوشش آلیاژی

3- آبکاری جهت ایجاد پوشش کامپوزیتی

 انواع روش های آبکاری (رسوب دهی)

-رسوب دهی غیرالکتریکی

به طور معمول، یک سلول الکترولیتی شامل الکترولیت، منبع تغذیه و دو الکترود است. در مقابل، روش رسوب الکترولس، تنها از یک الکترود و مطابق نام آن بدون منبع تغذیه کار می‌ کند. اما محلول مورد استفاده در روش الکترولس نیازمند حضور عوامل کاهنده است. به طور مثال در فرآیند الکترولس نیکل، از هیپوفسفیت‌ها ]6 [به عنوان عوامل کاهنده استفاده می ‌شود. همچنین به هنگام آبکاری فلزاتی مانند نقره،‌ طلا و مس، عموما از آلدهیدها و جرم مولکولی پایین بهره می ‌گیرند.

شکل 1- شماتیک فرایند آبکاری الکترولس

-رسوب دهی الکتریکی

آبکاری الکتریکی اساساً به صورت رسوب دهی الکتریکی پوشش فلزی چسبنده بر سطح یک الکترود، به منظور ایجاد یک سطح با خواص و ابعاد متفاوت نسبت به فلز پایه تعریف می شود. جریان الکتریکی و عوامل احیاء کننده ای که در این فراید مصرف می شوند ارزان هستند. این امر توجیه اقتصادی خوبی برای توسعه این روش است.

آبکاری الکتریکی با توجه به نوع جریان الکتریکی مورد استفاده به دو روش کلی آبکاری الکتریکی با استفاده از جریان الکتریکی مستقیم (DCE) که روش قدیمی تر با کاستی های بیش تر و روش آبکاری الکتریکی با استفاده از جریان منقطع (PCE) که روشی نوین تر با مزایای بیش تر است، تقسیم می شود.

-آبکاری الکتریکی با جریان پالسی

یک روش برای ارتقای فرایند آبکاری، استفاده از آبکاری پالسی است. این روش که با نام رسوب پالسی نیز شناخته می ‌شود را به اختصار با PCE نشان می‌دهند. با تغییر عرض و دامنه پالس ‌ها، می‌توان ضخامت و ترکیب لایه رسوبی را تغییر داد.

در آبکاری پالسی، جریان به سرعت و به طور متناوب بین دو مقدار متفاوت تغییر می کند. با توجه به چگونگی این تناوب و مقادیر جریان در هر لحظه (پولاریزاسیون جریان)، این نوع آبکاری به دو روش کلی آبکاری با جریان منقطع معمولی ]7 [یا یک قطبی ]8 [و آبکاری با جریان منقطع معکوس ]9 [یا دو قطبی ]10 [تقسیم می شود. در روش معمولی، مقادیر جریان به صورت مجموعه ای از پالس ها با دامنه و زمان برابر هستند که به وسیله ی جریان صفر از یکدیگر جدا می شوند، اما در روش معکوس اعمال چگالی جریان منفی، در میان چگالی جریان های مثبت و صفر، سبب ایجاد حالت های آندی بر روی سطح کاتد در مقاطعی از فرآیند می گردد.

-آبکاری الکتریکی با جریان مستقیم

این روش که روش قدیمی برای پوشش دهی با استفاده از جریان الکتریکی محسوب می شود از حدود سال 1840 میلادی هم برای رسوب دهی آلیاژی و هم رسوب فلزات خالص مورد استفاده قرار گرفت.

-انواع آبکاری الکتریکی فلزات

از مهم ترین موارد کاربرد آبکاری الکتریکی برای فلزات می توان به پوشش فلزات زیر اشاره کرد:

• طلا
• روی
• قلع
• نیکل
• کروم
• آهن

-مزایای فرایند آبکاری الکتریکی

• کنترل ضخامت به عنوان تابعی از زمان
• کنترل نرخ رسوب گذاری به وسیله تنظیم چگالی جریان
• توانایی توقف فرایند رسوب گذاری بوسیله خاموش کردن جریان.

-موارد استفاده ی فرایند آبکاری الکتریکی

• ساخت ضخامت سطحی
• افزایش مقاومت سطح در برابر عوامل مخربی مانند خوردگی
• بهبود رسانایی الکتریکی
• آماده سازی سطوح برای چسبندگی بهتر
• کاهش اصطکاک
• حفاظت در برابر سایش سطوح
• بهبود یکنواختی سطح

-انواع رسوب دهی الکتریکی از نقطه نظر آند مورد استفاده

در آبکاری فرایند براساس نوع آند متفاوت خواهد بود:

-آند حل شونده

در این روش، آند از فلزی ساخته شده که قرار است روی سطح کاتد بنشیند. هر دو جزء آند و کاتد در محلول الکترولیت غوطه‌ور می ‌شوند و اعمال جریان به وسیله یک منبع تغذیه صورت می گیرد. به این ترتیب آند اکسید شده و یون های آن وارد الکترولیت می‌ شود. در بخش کاتد، یون ‌های فلزی حل‌شده داخل الکترولیت در مرز سطح بین الکترولیت و کاتد کاهش می ‌یابند که این کار سبب رسوب یون ها روی سطح کاتد می ‌شود. نرخ حل شدن آند در الکترولیت با نرخ کاتد آبکاری شده برابر است. در نتیجه یون ‌های محلول در الکترولیت همواره از طریق آند تغذیه می ‌شوند.

شکل 2- شماتیک آبکاری نقره با استفاده از آند حل شونده

-آند خنثی

در این روش استفاده از آندی مانند گرافیت، سرب یا الکترودهای MMO مدنظر است که در طول فرآیند مصرف نمی ‌شود. در این روش، یون‌های فلز تحت آبکاری، بایستی از قبل در الکترولیت حضور داشته باشند و به طور منظم در الکترولیت تامین شوند چرا که غلظت این یون‌ها در حین فرایند کاهش می ‌یابد. ذکر این نکته ضروری است که استفاده از آندهای MMO نه تنها موجب کاهش ناخالصی و افزایش خلوص و یکنواختی سطح کاتد می­شود، بلکه از تولید گازهای گلخانه ای نیز جلوگیری می کند. همچنین استفاده از آندهای MMO موجب افزایش راندمان و کاهش انرژی مصرفی نیز خواهد شد. از طرفی دیگر نوع الکترولیت استفاده شده در فرآیند بسته به هدف نهایی متفاوت است. الکترولیت‌ها می‌توانند اسیدی، بازی یا شامل نمک‌‌های فلزی و مذاب باشند.

شکل 3- شماتیک آبکاری با استفاده از آند خنثی

​

1. Plating
2. Electroless plating
3. Electroplating
4. DC Electroplating
5. Pulse Current Electroplating
6. Hypophosphite
7. Conventional Pulse Electroplating
8. Monopolar
9. Reverse Pulse Electroplating
10. Dipolar