آبکاری فلزات

[ghasem motamedi]

آندها :
در آبکاری الکتریکی آند دو نقش دارد یکی این که مدار الکتریکی را کامل می کند و دوم این که در آندهای حل شونده مقدار فلز مصرفی را تأمین می کند. در بیشتر فرآیندهای آبکاری الکتریکی مثل آبکاری Cu ، Ni ، Zn ، Cd ، Sn ، Pb ، Ag و غیره آند را از جنس فلز رسوبی انتخاب می­کنند. از موارد نادری که از آند نامحلول استفاده می شود آبکاری کروم است. در اینجا از آندهای سربی یا آلیاژهای آن استفاده می کنند در مواردی مثل آبکاری Zn ، Cd در حمام سیانیدی برای جلوگیری از اضافه رسوب یا در آبکاری سطوح داخلی یا سطوح باریک برای این که 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 تأمین می کنند. در این موارد حداقل مواد به حمام اضافه می شود. اگر راندمان کاتد و آند تقریباً مساوی باشند کنترل ترکیب حمام ضروری خواهد بود.کیفیت آندها بر حسب روش تولید یا ساخت آن تغییر می کند. برای مثال آندهای ریخته شده ساختار دانه درشتی داشته و در نتیجه به طور غیر یکنواخت حل می شوند. ولی آندهای نورد شده ساختار دانه ریزی داشته و روند حل شدن آنها یکنواخت تر است. آندهای نامحلول مزایا و معایبی دارند.
مزایای آنها به شرح زیر است :
· خیلی محکم قابل نصب هستند.
· فقط یک بار در وان نصب می شوند و نیازی به تعویض مکرر آنها نیست.
· چون ابعاد آنها ثابت می ماند بنابراین بین الکترودها نیز ثابت مانده و نیازی به اصلاح نیست. این امر در آبکاری سطوح داخلی خیلی مهم است.

معایب آندهای نامحلول به شرح زیر است :
· فلز مصرف شده را جبران نمی کنند بنابراین باید به طور مرتب ترکیب حمام چک شده و مواد جدید به آن اضافه شود.
· احتمال تغییر pH حمام زیاد است به ویژه اگر حمام حاوی ترکیبات بافری نباشد.
· حضور اکسیژن در آندهای ترکیبات آلی و سیانید حمام را اکسید کرده و مقدار آنها را کاهش میدهد.
برای آندهای حل شونده این احتمال وجود دارد که روئین یا خنثی شوند. در حمام واتز برای جلوگیری از این پدیده به محلول کلرید اضافه می کنند یا در آماده سازی حمامهای سیانیدی برای آبکاری Cu ، Ag ، Zn ، Cd مقدار سیانید حمام را بیشتر از مقداری در نظر می گیرند که برای تشکیل کمپلکسهای محلول سیانید ـ فلز لازم است به این ترتیب از تشکیل ترکیبات سیانیدی نامحلول مثل CuCN ، AgCN و همین طور روئین شدن آندها در حمام نیکل و حمامهای سیانیدی متفاوت است. برعکس حمامهای سیانیدی در حمام نیکل فیلم مزبور نازک بوده و مقاومت الکتریکی بالایی ندارد.با روئین شدن آند (passive) تشکیل اکسیژن آغاز می شود. در محیطهای سیانیدی اکسیژن به وجود آمده سیانید را اکسید کرده و غلظت آن را پایین می آورد.در این حالت کربنات نامطلوب تشکیل می شود.
راندمان آند : راندمان آند در واقع نسبت جریانی است که از محلول عبور کرده و آند را حل میکند.
راندمان آند =
مخرج کسر از قانون اول فارادی به دست می آید. راندمان آندی معمولاً 100% است . راندمان آندی کمتر از 100% بیانگر روئین شدن آند است. در حمام سولفات اسیدی روی حمامهای سیانیدی و اسیدی مس و کلاً در حمامهای سیانیدی آند ـ حل شونده ، راندمان آند 100% است. در راندمان آندی بالا فلز مصرفی بخوبی تأمین شده و افت pH ناشی از تشکیل اسید به حداقل می رسد.
تشکیل رسوب فلز : در آبکاری الکتریکی دو پارامتر خیلی مهم باید کنترل شود. یکی سرعت تشکیل هسته های فلزی روی کاتد و دیگری رشد این هسته ها است. کنترل هر عامل دیگری روی دو پارامتر مزبوراثر می گذارد. اگر شرایط عملیات برای رسوب گذاری به گونه ای باشد که هسته های جدید بیشتری روی سطح کتد تشکیل شود، رسوبی دانه ریز، سخت و صاف تولید خواهد شد. برعکس اگر پارامترهای عملیات به گونه ای باشد که رشد هسته های روی کاتد تسریع شود رسوبی دانه درشت، زبر و نرم تولید خواهد شد. عواملی چون دانسیته جریان، درجه حرارت ، غلظت فلز در حمام و نوع حمام روی ماهیت رسوب اثر می گذارند.
دانسیته جریان : در دانسیته جریان پایین (کم) فلز خیلی آرام رسوب می کند، به عبارتی روند احیاء یونها در کاتد که به تشکیل رسوب منجر می شود آرام است. در این شرایط برای رشد هسته های فلزی فرصت کافی وجود دارد. ولی دامنه تشکیل هسته های جدید کوچک است. به این ترتیب رسوبی دانه درشت تولید می شود. با افزایش دانسیته جریان سرعت تخلیه یونها در کاتد افزایش یافته و در نتیجه دامنه تشکیل هسته های جدید توسعه می یابد. در این حالت رسوبی دانه ریز تشکیل میشود ولی باید توجه کرد که دانسیته جریان از دانسیته جریان حد تجاوز نکند.
درجه حرارت : معلوم شده است که اگر دانسیته جریان بالاتری انتخاب شود به همان نسبت دمای حمام باید افزایش یابد تا کیفیت رسوب محفوظ بماند. افزایش دمای حمام روی سه عامل اثر میگذارد.
· یونهای مصرفی در کاتد خیلی سریع تأمین می شود طوری که اثرات منفی ناشی از کمبود یون برطرف می گردد.
· سرعت رشد هسته ها افزایش یافته و در نتیجه رسوبی دانه درشت و خشن تولید می شود.
· اضافه ولتاژ هیدروژن پایین آمده و کیفیت رسوب کاهش می یابد.
بنابراین افزایش دمای حمام به دلیل سه فاکتور بیرونی است. دمای کاری اکثر حمامها در حدی انتخاب می شود که عملاً رسوبی با کیفیت خوب تولید گردد.
غلظت فلز : غلظت نمک فلزی که روی سطح کار رسوب می کند خیلی مهم است. تجربه نشان میدهد که اگر غلظت فلز رسوبی در حمام زیاد باشد می توان دانسیته جریان را افزایش داد. چون در این حمامها دانسیته جریان حد بالا است. در این شرایط با افزایش دانسیته جریان، اضافه ولتاژ هیدروژن نیز افزایش می یابد که خود مزیت دیگری است. در این حالت علاوه بر افزایش دانسیته جریان، حرکت میله کاتدی، هم زدن محلول برای رساندن یونهای مصرفی به کاتد برای دست یابی به نتایج مطلوب مفید خواهند بود.
نوع حمام : رسوب خوب در حمامی ایجاد می شود که یونهای کمپلکس آن بیشتر از یونهای ساده فلز باشد، نظیر حمامهای سیانیدی روی، کادمیم، مس یا نقره. رسوب سرب از حمامهای فلوبورات یا سیلیکو فلورید دانه ریزتر است. در حالیکه حمام استات یانیترات سرب رسوبی دانه درشت تولید می کنند. به همین ترتیب رسوب نیکل از حمام سولفات آمونیوم صاف تر از رسوب حمام نیکل است. در آبکاری کروم وجود مواد کلوئیدی یا کمپلکس نامحلول به عنوان هسته های جوانه زنی عمل کرده و از رشد هسته های قبلی جلوگیری میکند به این ترتیب رسوب صاف تری تشکیل می شود.

ویژگیهای آبکاری الکتریکی :
آبکاری الکتریکی باید خواص مورد نیاز برای تشکیل رسوب را داشته باشد ، برای مثال :
· به اندازه کافی حاوی فلز رسوبی باشد.
· برای کم شدن مصرف انرژی هدایت الکتریسیته خوبی داشته باشد.
· در هر شرایط جغرافیایی پایدار بماند به عبارتی پوشش نباید تحت تأثیر شرایط اتمسفری قرار بگیرد.
· 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.
محلولهای استفاده شده نسبت به محلول تازه نتایج بهتری ارائه می دهند.
نمکهای هادی : نمکهای کلریدی و سولفاتی هستند که برای افزایش هدایت الکتریکی محلول به آن اضافه می شوند. در محلولهای سیانیدی ، سیانید آزاد هدایت الکتریکی محلول را افزایش می دهد.
دانسیته محلول : دانسیته فلز موجود در محلول با استفاده از هیدرومتر تعیین می شود معمولاً دانسیته محلولهای تک فلزی نظیر نیکل یا کروم را اندازه می گیرند. برای محلولهای چند نمکی این کار زیاد مهم نیست.
تصفیه محلول : محلول آبکاری باید به طور مرتب توسط *****های کربنی یا نوع پرسی تصفیه شود.
درجه اسیدی محلول : اسید اضافی در حمام آبکاری مشکلاتی را به وجود می آورد حتی ممکن است روند رسوب را متوقف کند. از این جهت کنترل نسبت یا مقدار اسید محلول یا به عبارتی تجزیه اسیدی محلول اهمیت دارد. کلاً اسید مولکولی است غیر هادی و اگر تجزیه شود تولید یون هیدروژنمی کند که مقدار آن با توجه به pH محلول تعیین می گردد. با زیاد شدن درجه اسیدی محلول pH آن کاهش می یابد. pH محلول را می توان با استفاده از یونهایی که رنگشان بر حسب درجه اسیدی تغییر می کند اندازه گرفت. به عنوان مثال معرف تیمول بلو (Thmimol-blue) که تغییر رنگ آن از قرمز به زرد، نشان دهنده 2.8–1.2 pH است. با استفاده از کاغذهای pH سنج نیز می توان pH محلول را اندازه گرفت. برای این منظور قسمتی از این کاغذ را در محلول فرو میکنند رنگ ایجاد شده معرف pH محلول است.