تحقیق مقاله آبکاری فلزات

فصل اول: مقدمه

روش آبکاری فلزات برای اهداف تزئینی ومحافظتی از دیر باز موردتوجه بوده است. بدون شک این صنعت متحول شده و روشهای نوین جایگزین روشهای متداول گشته است. آنودایزینگ نیز یکی از روش های آبکاری می باشد که درنتیجه آن یک پوسته اکسیدی بر روی سطح  مورد نظر بوجود آمده و مقاومت به خوردگی وسایش را افزایش می دهد. عملیات آنودایزینگ رنگی همچنین می تواند باعث ایجاد ظاهری زیبا بر روی سطح مورد نظر شود. خصوصیات ویژه فولاد گالوانیک به واسطه مقاومت به خوردگی خوب آن باعث ایجاد طیف وسیعی از کاربردهای آن همچون لوله های آب، ورقه های کابینت سازی و هرجائی که نیاز به مقاومت به خوردگی واستحکام بالا باشد شده است که داشتن ظاهری زیبا می تواند کاربرد بهتری را به آنها بدهد. با انجام پروسه آنودایزینگ رنگی برروی فولاد گالوانیک هم بواسطه ایجاد پوسته اکسیدی مقاومت به خوردگی وسایش افزاش یافته وهم اینکه این پوسته اکسیدی می تواند بصورت رنگی ظاهر شده ونیاز به رنگ کاری بعدی برروی فولاد را رفع کند. بنابراین آنودایزینگ رنگی فولاد گالوانیک می تواند اهمیت خاصی در صنعت امروزی داشته باشد. در این پروژه به بررسی پارامترهای موثر برآنودایزینگ رنگی فولاد گالوانیک پرداخته شده است به طوری که درابتدا این بررسی ها برای روی خالص صورت گرفته وسپس شرایط به سمت فولاد گالوانیک هدایت شده است. شرایط ایجاد این پوسته رنگی در مورد روی وفولاد گالوانیک طبق آنچه که در عمل صورت گرفته است بصورت مکتوب آورده شده است.

فصل دوم: مروری بر منابع 

آنودایزینگ

آنودایزینگ شاخه ای ازآبکاری الکتریکی فلزات می باشد که در طی آن پوسته ای اکسیدی بر روی سطح فلز تشکیل می گرددکه می توان ظاهری رنگی رانیز در ضمن تشکیل این پوسته اکسیدی ایجاد نمود. برای تعیین نمودن پارامترهای موثر در فرآیند آنودایزینگ در یک دید کلی تری می توان پارامترهای موثر درفرآیند آبکاری را بررسی نمود که مهمترین این پارامترها به صورت زیر دسته بندی میشود:

1 پلاریزاسیون                                                       9گردش محلول                                                                                                                                    

2 ولتاژ                                                             10 تلاطم

3 چگالی جریان                                                11- توان پرتاب     

4 درجه تفکیک الکترولیت                                    12- توان پوشاندن                      

5 سرعت حرکت یون ها                                       13- آند

6 هدایت الکتریکی ویژه                                        14- عوامل متالورژیکی

7 غلظت یون فلزی                                                 15 قوانین فاراده

8-PH محلول                                                         16-سطح اولیه ازنظر تمیز بودن

1- پلاریزاسیون

اختلاف پتانسیل یک الکترود را بین حالت مدار باز وحالتی که جریان می گذرد پلاریزاسیون گویند.پلاریزاسیون با عبور جریان مخالفت می کند و نقش کنترل کننده خوردگی را دارد.  پتانسیل لازم برای نشست یک یون فلزی از محلول نمکی آن به شدت تحت تاثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد. عوامل موثربر واکنشهایی که در الکتروها رخ می دهدموجب پلاریزاسیون می شوند. انواع مختلف پلاریزاسیون ناشی ازطبیعت این عوامل است این پدیده    مهم ترین عامل در آبکاری است.بطور کلی سه نوع پلاریزاسیون فعال سازی، غلظتی ومقاومتی وجود دارد.

2- ولتاژ

ولتاژ رابین دوترمینال اندازه می گیرند که عبارتست ازنیروی لازم برای عبور جریان وشامل سه قسمت است:

الف- ولتاژ لازم برای عبور جریان از آند به الکترولیت، از الکترولیت به الکترولیت نزدیک کاتد وعبور ازالکترولیت به کاتد.

ب- خنثی کردن مقاومت خود الکترودها برای عبور جریان.

ج- ولتاژ لازم برای غلبه برمقاومت سل. ازآنجا که تغییرات مقاومت با ترکیب شیمیایی محلول ودما و چگالی جریان که از سل عبور می کند مربوط است، جریان را نمی توان از روی قانون اهم بدست آورد مگر آنکه شرایط سل را بطور دقیق بدانیم. افزایش ولتاژ الزاما منجر به افزایش جریان نمی شود اگر چه اکثرا چنین است. در اکثر روش ها ولتاژ را در سل ثابت نگه می دارند تا نتیجه رضایت بخش حاصل شود جریانی که از سل می گذرد به ابعاد الکترودها وکار انجام شده در سل نیز بستگی دارد.

3- چگالی جریان

افزایش چگالی جریان سل که به ازای آن مقدار جریان بر واحد سطح اضافه می شود موجب افزایش ظرفیت تولیدو کاهش سرمایه و نیز کاهش سطح کارخانه نسبت به واحد محصول می شود ولی همواره با افزایش چگالی جریان بازده انرژی الکتریکی کاهش میابد. در بیشتر آبکاری ها تغییرات چگالی جریان عامل کنترل کننده ای در خواص پوشش است. مناسبترین حالت را درعمل عواملی نظیر قیمت انرژی، مخارج تولید، ارزش مواد مصرفی وذخیره شده در انبار و نیز انرژی مصرفی نسبت به واحد محصول تعیین می کند. برای فلزات قیمتی حتی اگر بازده کم باشد چگالی جریان زیاد به کار می رود زیرا در آنجاکیفیت سطح اهمیت بیشتری دارد و در برخی سیستم ها به طور خودکار چگالی جریان را تنظیم می کنند مثلا با تغییر ولتاژ.

4- درجه تفکیک الکترولیت

هرچه درجه یونیزاسیون بیشتر باشد در صورت ثابت بودن سایر عوامل قابلیت هدایت الکتریکی بیشتر               میشود. درجه تفکیک الکترولیت های مختلف در محلول های 10/1نرمال آنهادر جدول2-1 آورده شده است.

جدول2-1 درجه تفکیک الکترولیت های مختلف در محلول های 10/1 نرمال آنها

5- سرعت حرکت یون ها

سرعت حرکت یون ها تحت تاثیر ملکول ها و یون های مجاور و ملکول های آب قرار می گیردو به اختلاف پتانسیل بین الکترودها بستگی داردو برای دو الکترود با فاصله یک سانتی متر و اختلاف پتانسیل یک ولت بر حسب سانتی متر بر ثانیه بیان می شود. این سرعت برای هر یون مقدار ثابتی است ولی تحت تاثیر عوامل بسیاری از قبیل فشار، نوع حلال، غلظت و دما قرار می گیرد. دو یون مختلف العلامه با سرعت های مختلفی حرکت         می کنند. توجه شود که در هر الکترود ممکن است یون های واکنش کننده بیش از تعداد یون های مهاجرت کرده باشند. در هر صورت تعداد کاتیونها و آنیونهای واکنش کرده مساوی است. در نتیجه ممکن است اطراف یک الکترود سریعتر از الکترود دیگر تهی شود مگر آنکه با هم زدن محلول تعادل را برقرار کنیم. این اختلاف غلظت ناشی از مهاجرت یونها را پدیده  انتقال گوئیم. اختلاف در عدد انتقال باعث می شود تا یونهای مساوی در آند و کاتد باردار شوند یا بار خود را از دست بدهند. عدد انتقال کاتیون را به Tk وعدد انتقال آنیون را به  Ta نمایش میدهیم و مجموع این دو برابر یک است. در محلول 10 نرمال سولفات نیکل 0.634 =Ta و 0.366=Tk است وسولفات سریع تر از نیکل جابجا می شود. عدد انتقال برای الکترولیت های نمکی حدود نیم است و فقط در مورد اسیدها و بازها اعداد خیلی متفاوتی ایجاد  می شود  مثلا در   مورد  اسید  سولفوریک 02/0 نرمال   823/0  Tk = و177/0Ta=  است. ولذا یون های هیدروژن به طور قابل ملاحظه ای سریع تر از یون های سولفات مهاجرت  می کنند.

6- هدایت الکتریکی ویژه

مقاومت یک الکترولیت R به مقاومت ویژه آن ‌ρ و فاصله بین صفحات آندی و کاتدی ι و سطح مقطع آن A بستگی داردکه  ,RιوA  به ترتیب بر حسب اهم ، سانتی متر و سانتی متر مربع می باشند.

/Aιρ R=

ι=AR/ρ

ویا بهتر است هدایت الکتریکی ویژه را که عکس مقاومت ویژه است در محاسبات به کار ببریم.

ρ /ιK=

هدایت ویژه با افزایش غلظت محلول زیاد میشود زیرا تعداد یون های محلول افزایش میابد ولی از آنجا که درجه تجزیه پس از غلظت معینی کاهش می یابد لذا تعداد یونها در محلول و در نتیجه هدایت ویژه پس از عبور از یک ماکزیمم کاهش می یابد. این موضوع در شکل 2-1 برای اسید سولفوریک آمده است.الکترولیت های دیگر نیز منحنی های مشابهی دارندوماکزیمم منحنی به ماده ی حل شده بستگی دارد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل2-1 هدایت الکتریکی ویژه اسید سولفوریک بر حسب غلظت آن

به منظور مقایسه هدایت الکتریکی الکترولیت های مختلف باید استانداردی را انتخاب کنیم. در عمل قابلیت هدایت الکتریکی مولار یعنی هدایت مولی را در نظر می گیرند. هدایت مولی (A) عبارتست از نسبت هدایت ویژه یک الکترولیت (K) به غلظت مولی آن (CM):

A=K/CM

اگرچه هدایت ویژه باکاهش غلظت کم می شود ولی هدایت مولی کم نمی شود بلکه مرتبا افزایش می یابد و به مقدار ثابتی می رسد. این مقدار ثابت را هدایت مولی درحالت حدی، هدایت حدی می گوئیم. معمولا به جای هدایت مولی از هدایت اکی والان (Aeq)  هم استفاده می شود و عبارتست از:

Aeq=k/Ceq

=Ceq غلظت اکی والان 

مقادیر  Amو Aeq برای تعیین درجه یونیزاسیون بسیار مهم اند و اگر Ac هدایت مولی در غلظت C و Ao مقدار پائینی آن باشد (در محلول بسیار رقیق=0 C) آنگاه درجه یونیزاسیون الکترولیت عبارت است از:

Ac/A =α

مقادیر قابلیت هدایت اکی والان برخی از الکترولیت ها در جدول 2-2  آمده است.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

جدول2-2 هدایت اکی والان چند الکترولیت در 18 درجه سانتی گراد

توجه شود که 1/0A یعنی یک اکی والان گرم در  1/0 لیترآب وA1 یعنی یک اکی والان گرم دریک لیترآب. افزایش دما قابلیت هدایت را زیاد می کند زیرا قابلیت تحرک یون ها، اتم ها و ملکول ها را افزایش می دهد. اسیدهایی که بیشتر تجزیه می شوند دارای بیشترین قابلیت هدایت اند زیرا یون های متحرک هیدروژن بیشتری ایجاد می کنند پس از آنها بازهایی نظیر هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم هستند. نمک هایی که هدایت زیادی دارند بعد از مواد فوق قرار دارند. برخی از نمک ها به اندازه کافی قوی هستندو به خوبی تجزیه می شوند لیکن تحرک یون های آنهاکمتر از تحرک یون هیدروژن و یون هیدروکسیل است. قابلیت هدایت الکترولیت ها کمتر از  فلزات  است. قابلیت  هدایت محلول اسید سولفوریک 30% در 18 درجه سانتی گراد به میزان  800000 برابر کمتر از قابلیت هدایت مس است. طبق جدول 2-2 سرعت مطلق مهاجرت یون ها بسیار کوچک است و لذا اطراف الکترودی که در آن رسوب رخ می دهد تهی می شود. گرم کردن محلول و یا بهم زدن آن باعث         

می شود تا این اشکال از بین برود و یا کمتر شود. در تعداد زیادی از حمام های آبکاری مقاومت حمام را با افزایش نمک و یا اسید و یا باز کم می کنند در نتیجه افت پتانسیل به ازای چگالی جریان معین کاهش می یابد. معمولا برای تغییر هدایت یک حمام لازم است که بعضی از خواص آن مثلا غلظت یون فلزی را تغییر داد. افزودن  H2SO4 به حمام CuSO4 موجب افزایش هدایت آن می شود ولی از طرفی اثر یون مشترک غلظت Cu2+ را کم می کند. لازم به تذکر است که افزایش هدایت در نتیجه افزودن اسید سولفوریک چندین مرتبه بیشتر از تاثیر یون مشترک در کم کردن غلظت یون فلزی است. به هر حال فرض می شود که فرآیند در هدایت بیشتر یا مقاومت کمتر بهتر انجام می شود.

7- غلظت یون فلزی

غلظت یون به غلظت نمک، درجه یونیزاسیون، دماووجود یونهای مشترک بستگی دارد. افزودن یون مشترک موجب کاهش نسبی غلظت یون فلزی می شود. تشکیل یون های کمپلکس پایدار غلظت یون فلزی را کاهش  می دهند. در غلظت های کم فلزی حتی در چگالی جریان کم محصول پودری شکل است. از بین یون های کمپلکس یون هایی که عامل سیانور دارند در ترکیب با فلزاتی نظیر مس، نقره، کادمیم، روی وبرنج الکترولیت مناسبی برای پوشش دادن هستند. در ترکیبات کمپلکس غلظت یون فلزی به علت تجزیه ثانویه کم است در حالی که در ترکیبات ساده یون فلزی مخزنی از یون هاست که به مقدار کم ولی مداوم برای رشد و نمو بلور در دسترس است.

8-  PH محلول

PH الکترولیت به طور موثری هم روی مشخصات و ظاهر پوشش و هم روی بازده جریان موثر است. در برخی از فرآیندهای صنعتی نظیر آبکاری نیکل مواد بافر به محلول اضافه میکنند نظیر اسید بوریک تا  PH را در حد دلخواهی نگه دارند. اسید بوریک طبق رابطه زیر تجزیه میشود:

H3BO3=H2BO3¯+H+

ویون H+ ایجاد می کند و لذا کاهش یون هیدروژن در محلول که به طور همزمان در کاتد متصاعد می شود جبران می گردد و تغییرات ناخواسته که منجر به افزایش PH  می شداز بین می رود. در هر حال اگر  PH افزایش یابد باید به طور جزیی آن را خنثی کرد و به حد مطلوب رساند. از سدیم استات برای خنثی کردن جزئی اسیدها واز  آمونیم کلرید برای خنثی کردن جزئی بازها می توان استفاده نمود. اگر مقدار اسید یا باز زیاد باشد بایدآن را با عملیات ابتدائی به نزدیک منطقه خنثی رساند وگرنه مصرف سدیم استات ویا آمونیم کلرید زیاد می شود.  PH حمام روی پتانسیل تخلیه هیدروژن، رسوب ناخالصی های بازی، ترکیب شیمیایی کمپلکس یا هیدرات که از آن فلز رسوب می کند و میزان جذب مواد اضافی در کاتد اثر می گذارد. از آنجا که نمی توان این آثار راپیش بینی کرد بهتر است  PH را به طور تجربی تعیین کنیم. اثر  PH روی تنش و سختی  نیزمربوط به چگونگی توزیع   آخال هاست. در حمام های مختلف حاوی یون های کمپلکس روی تعادل بین کمپلکس های مختلف اثر میگذارد و باید آنرا در رابطه با غلظت مد نظر داشت.