پوشش هاي آلياژي روي
چکيده
پوشش دهي الکتريکي فلز روي به عنوان يکي از روش هاي پوشش دهي فلز روي بر قطعات فولادي در کنار روش هاي ديگر، نظير گالوانيزه غوطه وري گرم، سال هاست که شناخته شده و مورد استفاده قرار گرفته است. برخي محدوديت ها در خواص و عملکرد اين پوشش ها نظير مقاومت خوردگي، سختي، انعطاف پذيري و مقاومت در برابر محيط هاي شيميائي خاص باعث معرفي و بکارگيري آلياژهاي روي، بويژه با عناصر فلزي نظير آهن، کبالت و نيکل از دو دهه پيش شده است. توسعه فناوري و حيطه استفاده از اين نوع پوشش هاي آلياژي همواره رو به گسترش بوده است. امروزه از اين نوع پوشش ها بطور وسيعي در صنعت ساخت قطعات خودرو و اتصالات استفاده مي شود و بدين ترتيب دست يابي به مقاومت خوردگي بيشتر، سختي و انعطاف پذيري بالاتر و حفظ مقاومت خوردگي حتي پس از عمليات حرارتي و عمليات شکل دهي و نيز شفافيت بهتر و کيفيت و شکل ظاهري مطلوب، همراه با انواع پوشش هاي تکميلي کروماته در قالب پوشش هاي آلياژي روي – نيکل، روي – کبالت و روي – آهن ميسر شده است.
مقدمه
پوشش فلز روي (Zn) براي محافظت فولاد از چند راه مورد استفاده قرار ميگيرد:
- بوسيله تجهيزات الکتريکي ـ شيميايي: پوششدهي الکتريکي (Electroplating)
- از يک حمام فلزي مذاب: گالوانيزه غوطهوري گرم (Hot dip galvanizing)
- از پاشش يک فلز مذاب : فلز پاشي
- در شکل پودري: پوشش مکانيکي
- در قالب پوشش گرد رنگ: رنگ پاشي
پوشش روي در قطعات خودرو عمدتا به صورت گزينه اول يعني پوششدهي الکتريکي انجام ميشود. روي توسط مکانيسم فداشوندگي (Scarification) بدليل داشتن تمايل شيميايي بيشتر به ترکيب با اکسيژن، اکسيد شده و با رسوب محصولات خوردگي ناشي از خوردگي روي، از ادامه خوردگي فولاد جلوگيري بعمل ميآورد.
در دهههاي گذشته کادميم نقش روي را ايفا ميکرد و پوشش کادميم بطور وسيعي در صنايع مورد بهرهبرداري بود. اما بدليل بارز شدن مشکلات مربوط به آلودگي و سمي بودن کادميم، بتدريج پوشش روي خالص جايگزين کادميم گرديد و به عنوان يک عمليات رايج صنعتي در پوشش دادن قطعات متعدد صنعتي و نظامي بکار گرفته شد. دو نکته در مورد فرآيند پوششدهي الکتريکي روي خالص براي قطعات فولادي وجود دارد:
- در مورد پوششدهي قطعات فولادي با استحکام بالا بدليل جذب هيدروژن از حمام آبکاري و بروز پديده تردي هيدرون (Hydrogenembitterment)، لازم است همواره عمليات هيدروژنزدائي صورت گيرد.
- براي افزايش خاصيت مقاومت به خوردگي پوشش و امکان دسترسي به ظاهر زيباتر و متنوع، معمولا از يک پوشش تکميلي مانند کروماته يا فسفاته بعد از عمليات پوششدهي استفاده ميشود.
پوششهاي آلياژي روي
پوششهاي آلياژي روي (Zinc alloycoatings) بجاي روي خالص، از دهه ۱۹۸۰ ميلادي در ژاپن و اروپا بکار گرفته شد و در دهه اخير نيز در آمريکا مورد توجه قرار گرفت. دلايل عمده روآوري به اين پوششها عبارتست از:
- دستيابي به حد بيشتر مقاومت خوردگي پوشش همزمان با کاهش ضخامت آن
- تثبت يک جايگزين مناسب براي پوشش سمي کادميم
گرچه در مقايسه با روي خالص، کنترل ترکيب حمام آبکاري در پوششدهي آلياژهاي روي حساستر است و بدليل استفاده از عناصر آلياژي هزينه بيشتري دارد اما افزايش مقاومت خوردگي در عين کاهش ضخامت پوشش و در نتيجه افزايش عمر و بهبود عملکرد پوشش، هزينهها را جبران ميسازد. توسعه صنايع خودروسازي، الکترونيک و هوا ـ فضا از عواملي بود که گسترش کاربرد پوششهاي آلياژي روي را باعث گشت. امروزه حمامهاي آلياژي روي نه تنها حفاظت خوردگي بهتري را بدست ميدهند بلکه سبب افزايش انعطافپذيري، سختي و روانکاوي پوشش نيز ميشوند. پوشش فداشوندهاي که از آلياژهاي روي بدست ميآيد محصول خوردگي با حجم کمتري نسبت به روي خالص توليد ميکند.
اساس فرآيند پوششدهي آلياژي روي توانائي در پوششدهي همزمان دو فلز است که با تغيير غلظت يوني فلزات و در نتيجه تغيير اکتيويته آنها ميسر ميشود. اگر پتانسيل احياء دو فلز مورد نظر به هم نزديک باشد با تنظيم عواملي همچون شدت جريان، دما، PH و غلظت يونهاي فلزي ميتوان عمليات را انجام داد. استفاده از عوامل کمپلکسساز (Complexer) نظير سيانيدها، سولفاميدها، هيدروکسيدها و مواد آلي ديگر که ميتواند با اضافه شدن به محلول حمام آبکاري، تجزيه شده و با ترکيب شدن با يون فلزي، يونهاي پيچيده توليد کند راه مطلوبي در اين زمينه است.
انواع پوششهاي آلياژي روي
- آلياژ روي ـ سيکل: Zn/Ni
- آلياژ روي ـ آهن: Zn/Fe
- آلياژ روي ـ کبالت: Zn/Co
- آلياژ قلع ـ روي: Sn/Zn
انتخاب نوع پوشش آلياژي به الزامات عملکردي قطعه و انتظاراتي که از پوشش مورد نظر وجود دارد برميگردد. آلياژ کردن روي عموما با فلزات گروه هشتم جدول تناوبي يعني آهن، کبالت و نيکل صورت ميگيرد که نجيبتر از فلز روي هستند و بنابراين با آلياژ شدن با فلز روي، سرعت خوردگي آلياژ نسبت به روي خالص کمتر ميشود و حفاظت خوردگي بهتري فراهم ميآيد. البته در هر قطعه داراي پوشش، سرعت واقعي خوردگي به ترکيب آلياژ، يکنواختي رسوب، محيط کارکرد قطعه، نوع پوشش تبديلي و ماده پايه پوشش بستگي دارد.
عمدهترين مورد استفاده پوششهاي آلياژ روي که با روش پوششدهي الکتريکي بکار ميرود و به آن گالوانيزه سرد نيز گفته ميشود قطعات خودرو است. ۲۰ تا ۳۰ درصد بقيه کارکرد مربوط به صنعت هوا ـ فضا و الکترونيک است.
پوشش آلياژي روي ـ نيکل
اين پوششها سابقه بسيار بيشتري نسبت به بقيه پوششهاي آلياژي روي دارند، علاوه بر آنکه از لحاظ مقاومت خوردگي نيز درصدر پوششهاي آلياژي روي هستند. از ويژگيهاي مهم اين نوع پوشش خاصيت شکلپذيري (Formability) قطعه فولادي پوشش داده شده است؛ يعني پس از عمليات حرارتي و انجام عمليات شکلدهي، مقاومت خوردگي قطعه تا حد بسيار خوبي حفظ ميشود، به همين دليل در پوششدهي قطعاتي مانند اتصالات پيچ و مهره، قطعات سيستم ترمز و سيستم سوخترساني بکار ميرود. سختي 300 ـ 250 ويکرزي پوشش باعث پديد آمدن مقاومت به سايش بسيار خوب در قطعه ميشود. مقاومت در برابر گرما، نور ماوراء بنفش و سيالات هيدروليکي و سوختها از جمله ويژگيهاي ديگر اين نوع پوششهاست. به همين دليل در قطعات زير کاپوت (under-the-hood) خودرو که در معرض گرما هستند کاربرد وسيعي دارند. کاربرد پوششهاي آلياژي روي ـ نيکل در صنعت اتصالات و پيچ و مهره و قطعات رزوهدار نيز رو به توسعه است. با توجه به اينکه اين پوششها در تماس با آلومينيوم، خوردگي گالوانيکي از خود نشان نميدهد، در صنايعي که شامل بدنههاي آلومينيومي است کاربرد زيادي دارند. از لحاظ قيمتي، پوششهاي آلياژي روي ـ نيکل گرانترين پوششهاي آلياژي روي به شمار ميآيند. پوششهاي آلياژي روي ـ نيکل، هم از حمامهاي قيليائي و هم حمامهاي اسيدي پوشش داده ميشوند که ترکيبات و خواص متفاوت پوشش را پديد ميآورند. براي افزايش مقاومت به خوردگي پوشش، افزايش قدرت چسبندگي رنگ يا ساير پوششهاي آلي، افزايش خاصيت روانکاري و پديد آمدن ظاهري خوشايند و متنوع از پوششهاي تبديلي نظير کروماته، در انواع رنگهاي مختلف زرد، روشن، برنزي، قوس و قزحي و مشکي استفاده ميشود.
استاندارد ASTM B841 الزامات عملکردي پوششهاي آلياژي روي ـ نيکل را توضيح داده است. اين پوششها را ميتوان به روش آويزهاي (rack) و بشكهاي (barrel) در ظرفيتهاي مختلف 500 تا 20000 ليتري انجام داد. ضخامت سه نوع (گريد) پوشش معرفي شده در استاندارد مزبور ۵، ۸ و ۱۰ ميکرون است.
حمامهاي قليائي پوشش روي ـ نيکل
رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمامهاي قليائي روي ـ نيکل حاوي کمتر از ۱۰ درصد نيکل (۹ـ۶ درصد) است. فرمولاسيون اين حمامها هرگز قادر به توليد آلياژهاي روي با نيکل بيشتر از ۱۲ درصد نيست. بازده پوششدهي حمام قليايي ۴۰ـ۲۰ درصد است. سرعت پوششدهي در اين حمامها کمتر است اما ترکيب يکنواختتري از پوشش بدست ميآيد. در اين حمامها الکتروليت اصلي سود سوزآور (Caustic soda) شامل محلول زينکات Na2Zn(OH)4 است. از عوامل کمپلکسساز و از همه بهتر آمينهاي آليفاتيک استفاده ميشود. همين امر باعث کاهش بازده الکتريسيته و در نتيحه کاهش سرعت رسوبگذاري ميشود. همزدن محلول نيز ضخامت لايه نفوذي را کاهش ميدهد. هر چه دما بيشتر باشد، بدليل نازکتر شدن لايه نفوذي، رسوب فلز غيرفعالتر بيشتر ميشود. اين امر باعث افزايش سرعت جوانهزني و ريزتر شدن دانهبندي ميشود. گرچه افزايش سرعت رسوبگذاري احتمال بروز ناصافي در سطح را بيشتر ميکند. دماي مطلوب پوششدهي در اين حمامها ۲۹ درجه سانتيگراد است. هر چه دما بيشتر باشد پوشش تيرهتر و هر چه دما کمتر باشد رسوب نازک شيري رنگ ميشود. مقدار روي در اين حمامها 12 ـ5/7 گرم در هر ليتر الکتروليت است.
حمامهاي اسيدي پوشش روي ـ نيکل
رسوب حاصل از پوشش بدست آمده از حمامهاي اسيدي روي ـ نيکل حاوي ۱۵ـ۱۰ درصد نيکل و بقيه فلز روي است. با افزايش مقدار نيکل تا ۱۸ درصد مقاومت خوردگي نيز افزايش مييابد اما اگر مقدار نيکل بيشتر شود غيرفعال شدن (passivation)، سطح بيشتر ميشود و خواص فداشوندگي و حفاظت خوردگي رو به نزول ميرود. بعلاوه هنگامي که مقدار نيکل زياد ميشود غيرفعالسازي پوشش کروماته مشکل و حتي غيرممکن ميشود و کاهش مقاومت خوردگي را در پي دارد. حمامهاي اسيدي حاوي سولفات و کلرايد هستند و عوامل کمپلکسسازي نظير کلريد آمونيم نيز مورد استفاده قرار ميگيرند. در روشهاي سنتي و قديمي، از آندهاي مجزاي روي و نيکل استفاده ميشود که به يکسوکنندههاي (rectifier) مجزا متصل هستند. در فناوريهاي جديد از يک يکسوکننده و آندهاي روي استفاده ميشود در حالي که نيکل به شکل يک افزودني به حمام اضافه ميشود.
برخلاف حمامهاي قليائي، پوششدهي قطعات فلزي سخت کاري شده و قطعات ريختگي به سهولت انجام ميشود. بازده حمامهاي اسيدي بسيار زياد و تقريبا ۱۰۰ درصد است. همين بازده زياد باعث ميشود توزيع پوشش در محدوده چگالي جريان متفاوت باشد. مقدار نيکل در رسوب نيز ممکن است در چگالي جريان کمتر، بيشتر باشد. اساس حمامهاي اسيدي کلريد روي است که ممکن است بر پايه کلريد آمونيم يا کلريد پتاسيم باشد. دماي مطلوب براي انجام فرآيند پوششدهي در اين حمامها ۳۵ درجه سانتيگراد است. بروز پديده تردي هيدروژني در اين حمامها کمتر است. عوامل موثر در فرآيند پوششدهي آلياژ روي ـ نيکل در دو نوع حمام اسيدي (پتاسيم و آمونيم) در مقايسه با حمام قليائي در جدول شماره ۱ ارائه شده است.
جدول (۱): مقايسه عوامل مختلف فرآيندهاي قليائي و اسيدي آلياژ روي ـ نيکل
عوامل
قليائي
اسيدي
کلريد پتاسيم
کلريد آمونيم
روي (گرم در ليتر)
17 ـ 6
60 ـ 26
45 ـ 19
نيکل (گرم در ليتر)
2/2 ـ 75/0
49 ـ 22
5/37 ـ 19
هيدروکسيد سديم يا پتانسيم (گرم در ليتر)
187 ـ 112
ـــ
ـــ
کلريد آمونيم (گرم در ليتر)
ـــ
ـــ
300 ـ 225
کلريد پتاسيم (گرم در ليتر)
ـــ
247 ـ 187
ـــ
PH
ـــ
6 ـ 5
6 ـ 5
دما (درجه سانتيگراد)
35 ـ 21
30 ـ 24
40 ـ 35
تاثير همزدن و فيلترکردن
بله
بله
بله
نوع عمليات
بشکهاي يا آويزهاي
بشکهاي يا آويزهاي
بشکهاي يا آويزهاي
آند
روي ـ نيکل
روي ـ نيکل
روي ـ نيکل
ولتاژ (ولت)
13 ـ 2
12 ـ 2
12 ـ 2
چگالي جريان (asf)
30 ـ 1
25 ـ 5
25 ـ 5
پوشش آلياژهاي روي ـ آهن
پوششهاي آلياژي روي ـ آهن اقتصاديترين و راحتترين سيستم آلياژهاي روي براي پوششدهي است. اين نوع پوششها در ژاپن کاربرد گستردهاي دارد. عمده استفاده اين آلياژها در صنايع خودرو و بويژه پيچ و مهرهها، اتصالات و صفحات فولادي است. دليل اين امر جوشپذيري خوب، انعطافپذيري زياد و خواص خوردگي محيطي مطلوب است. اين پوششها را تنها ميتوان از طريق حمامهاي قليائي رسوب داد. بارزترين نکته منفي در مورد اين پوششها کاهش مقاومت خوردگي آنهاست وقتي در معرض دماي بالا قرار ميگيرند، به همين دليل آلياژهاي روي ـ آهن براي کاربرد در دماي بيش از ۹۰ درجه سانتيگراد توصيه نميشود و براي قطعات زيرکاپوت خودرو مناسب نيست.
کروماته مشکي مناسبترين پوشش تبديلي اين نوع آلياژ است. کروماته مشکي با استفاده از محلولهاي کروماته بدون نقره صورت ميگيرد. اگر ضخامت پوشش قطعه ۸ ميکرون باشد و کروماته مشکي نيز شده باشد مقاومت تا ۲۰۰ ساعت براي خوردگي سفيد و تا ۱۰۰۰ ساعت براي خوردگي قرمز امکان پذير است. بازده فرآيند پوششدهي 90ـ60 درصد است. توزيع آلياژ و پوشش در اين فرآيند بسيار خوب است. دماي مناسب عمليات 32 ـ 17 درجه سانتيگراد و ولتاژ ۱۵ ـ ۱ ولت است. مقدار روي در حمام 225 ـ 7، هيدروکسيد سديم يا پتاسيم 330 ـ 120 و کمپلکسساز ۳۰ ـ ۷ گرم در ليتر است. در حمامهاي قليائي محلول روي به صورت زينکات Na2Zn(OH)4 در ميآيد و از عوامل کمپلکسساز نظير آمينهاي آليفاتيک استفاده ميشود.
همانگونه که قبلا نيز اشاره شد بازده جريان الکتريسته اساسا در حمامهاي قليائي کمتر و در نتيجه سرعت رسوبگذاري کمتر است. براي جبران اين نقيصه از تعداد قطعات کم يا مخزن الکتروليت بزرگ استفاده ميشود. وجود سرب در حد 20 ـ ۳ ميليگرم در ليتر باعث خشن و زبرشدن (پوست پرتقالي شدن) پوشش ميشود. کاهش PH محلول الکتروليت نيز مقدار روي را در پوشش زياد ميکند. افزايش دما و افزايش چگالي جريان نيز همين اثر را دارد. مطابق استاندارد جنرال موتورز، پوشش محتواي 8/0 ـ 4/0 درصد آهن، همراه با کروماته مشکي تا ۲۴۰ ساعت، آزمايش مه نمک (salt spry) را جواب ميدهد. استاندارد ASTMB842 الزامات عملکردي پوششهاي آلياژي روي ـ آهن را ارائه داده است. سه نوع گريد معرفي شده در اين استاندارد ضخامتهاي پوشش ۱۶، ۱۲ و ۲۰ ميکرون است.
پوشش آلياژي روي ـ نيکل
پوششهاي آلياژي روي ـ کبالت عمدتا در آمريکا مورد مصرف قرار ميگيرد. مقدار کبالت در اين پوششها 9/0 ـ 3/0 درصد و اغلب 7/0 ـ 5/0 درصد است. فرآيند پوششدهي اين آلياژ با صرفهتر از آلياژهائي نظير روي ـ نيکل است. سختي اين پوششها حدود ۲۰۰ ويکرز است که بيشتر از سختي پوشش روي خالص يا آلياژ روي ـ آهن است. پوششهاي روي ـ کبالت مقاومت بسيارعالي در محيطهاي صنعتي محتوي SO2 دارند. کروماتههاي مختلف نظير زرد، مشکي، روشن، برنزي و قوس و قزحي براي اين نوع پوششها بکار ميرود. حمامهائي که براي رسوبگذاري اين نوع آلياژها استفاده ميشود عموما شبيه حمامهاي اسيدي کلريد روي با افزودن مقادير کم کبالت است. از اين حمامها بويژه هنگامي استفاده ميشود که لازم است قطعات فلزي سختکاري شده يا قطعات ريختگي پوشش داده شوند.
استاندارد ASTMB840 الزامات عملکردي پوششهاي آلياژي روي ـ کبالت را توضيح ميدهد. سه نوع پوشش معرفي شده در اين استاندارد داراي ضخامت پوشش ۶، ۱۲ و ۲۰ ميکرون هستند. ترکيب حمام قليائي در جدول (۲) و ترکيب حمام اسيدي در جدول (۳) آمده است.
جدول (2): مشخصه هاي حمام قليائي آلياژ روي - کبالت
مقدار
عامل
20 ـ 10
اکسيد روي (گرم در ليتر)
150 ـ 80
هيدروکسيد سديم (گرم در ليتر)
2 ـ 1
کبالت (گرم در ليتر)
40 ـ 25
دما (درجه سانتيگراد)
4/0 – 1/0
چگالي جريان کاتد (آمپربروي متر مربع)
روي
آند
جدول (۳): مشخصههاي حمام اسيدي آلياژ روي ـ نيکل
کلريد آلومينيوم
اسيد بوريک
عامل
90 ـ 80
90 ـ 80
کلريد روي (گرم در ليتر)
150 ـ 50
200 ـ 150
کلريد پتاسيم (گرم در ليتر)
70 ـ 50
---
کلريد آمونيم (گرم در ليتر)
---
30 ـ 20
اسيد بوريک (گرم در ليتر)
20 ـ 1
20 ـ 1
کلريد کبالت (گرم در ليتر)
6 ـ 5
6 ـ ۵
PH
40 ـ 24
40 ـ 24
دما (درجه سانتيگراد)
4 ـ 1
۴ ـ 1
چگالي جريان کاتد (آمپر برروي متر مربع)
پوشش آلياژهاي روي ـ قلع
پوشش آلياژي قلع ـ روي عموما محتوي ۷۰ درصد قلع و ۳۰ درصد روي است. قدمت استفاده از اين نوع پوششها زياد است. رسوبگذاري اين پوششها ميتواند در حمامهاي اسيدي، قليائي يا خنثي صورت گيرد. در گذشته عمدتا از الکتروليتهاي پايه سيانيدي استفاده ميشد. فناوريهاي جديد، حمامهاي خنثي و عاري از سيانيد را معرفي کرده است. مقاومت خوردگي اين آلياژ در حد آلياژهاي روي نيکل است. کروماته کردن معمولا به بيرنگ و زرد رنگ محدود ميشود. پوششدهي قطعات استحکام بالا مستلزم گرمايش بعد از پوششدهي براي هيدروژنزدايي است اما در دماي کمتر از ۱۶۰ درجه سانتيگراد تا اثر مخرب روي پوشش نداشته باشد. لحيمپذيري و انعطافپذيري اين پوششها عالي است و اصطکاک و مقاومت الکتريکي آن کم است.
مقدار قلع در حمام 5/22 ـ 5/7 و روي 15 ـ 5 گرم در ليتر است. چگالي جريان کاتد 2 ـ 5/0 آمپر بروي متر مربع و آند از نوع آلياژهاي ريختگي روي ـ قلع است. دماي مناسب فرآيند 25 ـ 18 درجه سانتيگراد است. مشخصههاي پوشش هنوز در استاندارد ASTM نيامده اما در استاندارد برخي سازندگان که در حال حاضر از آنها استفاده ميکنند آمده است. جنرال موتورز 6280 و كرايسلر PS-8955 و ئوينگ 5899. سه کلاس معرفي شده پوشش داراي ضخامت ۵، ۸ و ۱۲ ميکرون است.
است.آلیاژی بنام Crafler بهترین مقاومت در برابر رشد و پوسته برداری دردماهای بالاتر از 1000 C را دارد و در ترکیب آن 7-7.5 % Al و 0.75 % Cr می توان یافت.
آلومینوم در ترکیب فروسیلیس ها و یا سایر فروآلیاژهای حاوی سیلیس وجود دارد و اگر بخواهیم جوانه زنی بنحو احسن انجام شود ، بهتر است درصد آلومینوم در این آلیاژهای بیشتر از 1 درصد باشد.
افزودن 0.02 %Al به ترکیب چدن مالیبل ، جوانه زنی کروی را بیشتر کرده و بدلیل احتمال ترکیب آن با نیتروژن، مالیبلیزاسیون را تسهیل می سازد.
علاقه مندی ها (Bookmarks)