آبکاری‌های دوستدار محیط زیست

مجید زاهدانی

مدیرعامل شرکت پرتو فلز پوشش

 

الف)آبکاری طلا بر روی قطعات بدون استفاده از سیانید

در ادامه سلسله بحث‌های فرایندهای آبکاری قرار بر این شد که در هر جلسه به روش‌های نوین آبکاری بدون استفاده از مواد خطرناک و مضر برای انسان و محیط زیست یا همان به اصطلاح آبکاری دوستدار محیط زیست بپردازیم.

برای این بخش، فرایند آبکاری بر روی قطعات آلومینیومی را انتخاب کردیم. در این روش از مواد شیمیایی بدون سیانید استفاده شده و انجام آن هیچ خطری برای اپراتور ایجاد نمی‌کند. قبلاً برای لایه‌های اولیه پوشش از فرایند مس سیانوری استفاده می‌شد اما حالا می‌توانیم بعد از مراحل اولیه آماده سازی از قبیل چربی‌گیری گرم و اولتراسونیک، مرحله اچینگ و زینکاته را از فرایند آبکاری الکترولس نیکل با دمای پایین و ph بین ۷ تا ۱۰ استفاده کرده و لایه اولیه را بر روی سطح آلومینیوم ایجاد کنیم.

بعد از اینکه لایه اولیه بدون جریان نیکل به میزان دو میکرون ایجاد شد می‌توانیم به کمک محلول‌های نیکل الکتریکی این ضخامت را افزایش دهیم در برخی موارد که قطعه جنبه تزیینی ندارد و مثلاً کاربرد الکتریکی یا صنعتی و یا الکترونیکی دارد می‌توان در مرحله نخست از محلول‌های الکترولس نیکل با دمای بالا و در حدود ۸۲ تا ۹۰ درجه استفاده کرد و در همان تک مرحله ضخامت مورد نظر را تا حد ۳۰ میکرون بر روی فلز پوشش داد.

برای قطعات با کاربرد تزیینی هم پس از آبکاری نیکل قلیایی بدون جریان، که در ادامه فرمولاسیون و شرایط کار با آن را توضیح می دهیم می‌توان از نیکل دوبلکس نیمه براق براق استفاده کرد و ضخامت پوشش را تا حد ۲۵ میکرون گسترش داد.

در اینجا برای نمونه آبکاری طلا بر روی قطعات آلومینیومی را در نظر گرفتیم تا کل فرایند را شرح دهیم.

آبکاری طلا روی آلیاژ‌های آلومینیوم

از میان تمام زمینه‌هایی که طلا بر روی آنها پوشش داده می‌شود نمونه‌هایی یافت می‌شود که فرایند آبکاری از جهاتی با بقیه موارد متفاوت است. به عنوان نمونه می‌توان از زمینه‌های آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم و فولاد ضد زنگ نام برد.

آنچه این عناصر و یا آلیاژهای آنها را متمایز می‌سازد، فعالیت سطحی شدید آنهاست که منجر به تشکیل سریع یک لایه اکسیدی می‌گردد به صورتی که اگر تمهیدات لازم قبل از آبکاری ایجاد نشود نهایتاً پوشش به دست آمده غیر یکنواخت بوده و چسبندگی لازم را نخواهد داشت.

این فلزات هر کدام در کاربردهای کیفیت بالا که خصوصاً مولفه وزن از خصوصیات قابل توجه می‌باشد از قبیل کاربردهای هوا- فضا به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای ادامه بحث دو نمونه معرفی می‌شود.

ابتدا به مورد آبکاری طلا بر روی سازه‌های آلومینیومی آلیاژی می‌پردازیم به عنوان مثال آلیاژ ۶۰۶۱ آلومینیوم در نظر گرفته می‌شود

مراحل کار به صورت زیر دنبال می‌شود : ابتدا قطعه باتری کلرواتیلین- استن چربی زدایی می‌شود برای حصول تمیزی کامل کار خصوصاً حفره‌ها و سطوح داخلی، هم زنی با امواج ماورای صوت نیز همزمان انجام می‌شود. پس از آن قطعات به صورت کاتودی در محلول ملایم قلیایی محتوای  25 g/lفسفات سدیم و 20 g/lکربنات سدیم به مدت ۲ دقیقه در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد تمیز می‌شوند. یکی از محلول‌های چربی‌گیری گرم آلومینیوم استفاده از دی اتانول امین یا تری اتانول امین به همراه بوراکس می‌باشد که به علت کاهش درجه قلیایی برای آلومینیوم و زاماک بسیار مناسب هستند در صورتی که تمام این مراحل به دقت دنبال نشود نهایتاً پوشش به دست آمده چسبندگی لازم را نخواهد داشت .

دنباله مراحل به صورت زیر خواهد بود:

*حکاکی (etch treatment)

 

اسیدفسفریک                     30 ml/l

اسید کرمیک                       25 g/l

دما                                    95  درجه سانتیگراد

زمان                                   5 دقیقه

 

مزیت این مرحله علاوه بر از بین بردن اکسیدهای باقیمانده این است که به آلیاژ آسیبی نمی‌رساند

*حکاکی ملایم (mild  etching)

این مرحله به منظور فراهم آوردن ناهمواری‌های بسیار زیر سطحی که چسبندگی را افزایش می‌دهد به کار می‌رود.

تجربه نشان داده است که حکاکی‌های اسیدی بهتر از موارد بازی عمل می‌کنند به عنوان نمونه در جدول 10-1

تعدادی از این محلول‌های چگالی و شرایط کار آورده شده است.

استفاده از ماده شیمیایی امونیوم بی فلوراید برای مواردی هست که قطعه آلومینیوم از روش دای کاست تهیه شده و محتوی سیلیس یا قلع و سرب باشد.

Table . 10-1 Etchants for 6061 aluminum alloys

Chromic acid                                                                       5% (by wt) Sulfuric acid                                                                       15%(by vol) Temperature                                                                      65C Time                                                                                      2 min   Phosphoric acid                                                                 10% (by vol) Sulfuric acid                                                                         5% (by vol) Temperature                                                                        65C Time                                                                                       2 min Nitric acid                                                                           2.5 % (by vol) Sulfuric acid                                                                         1% (by vol) Ammonium biflouride                                                        3% (by wt) Temperature                                                                      30 C Time                                                                                      3 min

 

• پس از این مرحله برای رفع هرگونه آلودگی سطحی دیگر محلول ۵۰ درصد اسید نیتریک به مدت ۱۵ تا ۳۰ ثانیه به کار برده می‌شود

 

• در میان هر مرحله شستشوی قطعات با آب روان الزامی است
• زینکاته کردن یا پوشاندن سطح با لایه نازکی از روی
• محلول‌های رقیق و غلیظ (هر دو مورد در جدول ۲-۱۰ ذکر شده است) برای این منظور به کار گرفته شده و نهایتاً محلول رقیق به دلایل زیر به عنوان انتخاب برتر شناخته شده است:
• محلول غلیظ لزجت بسیار بالایی دارد از این رو شستن آن ممکن است با مشکلاتی همراه باشد.
• لایه ایجاد شده در محلول غلیظ ضخیم بوده که باعث ایجاد مزاحمت در مراحل بعدی می‌شود
• دورریز در محلول غلیظ بیشتر خواهد بود
• سرعت جوانه زنی در محلول غلیظ خیلی بالا است از این رو پوشش به دست آمده سلامت لازم را نخواهد داشت

 

Table. 10-2 modified zincate solutions

Concentrated         dilute

Zinc oxide                                                   100g/l           20g/l Sodium hydroxide                                     500g/l           120g/l Rochelle salt                                               10g/l              50g/l Ferric chloride hexahydrate                     1.5gl               1.5gl Temperature                                               30 C               30C

 

***تشکیل لایه اولیه آبکاری با استفاده از نیکل بدون جریان

 

یکی از فرمول‌های رایج برای نیکل بدون جریان در دمای پایین فرمول ذیل می‌باشد:

 

Table.10-3 Electroless Nickel bath (for bond coat)

Basic nickel carbonate                                 10g/l Hydrofluoric (70%)                                        9ml/l Citric acid                                                        5g/l Ammonium bilfluoride                                  10g/l Sodium hypophosphite                                 20g/l Ammonium hydroxide (30%)                       30ml/l PH                                                                     4.5-6.5 Temperature                                                  30-35 C

 

یکی از اشکالات فرمول بالا استفاده از فلوراید می‌باشد که برای اپراتور و محیط زیست چندان مناسب نیست به جای فرمولاسیون بالا برای انجام آبکاری الکترولسنیکل می‌توانیم از فرمول ذیل استفاده کنیم مزیت این فرمول این است که آبکاری در ph بالاتری انجام می‌شه و آسیب کمتری به پوشش زینکاته می‌رسه و نهایتاً محتوای مواد خطرساز نیست

 

سولفات نیکل ۳۰ گرم در لیتر

اسید لاکتیک ۳۰ گرم در لیتر

اسید سیتریک ۱۰ گرم در لیتر

کلرور امونیم ۳۵ تا ۴۵ گرم در لیتر

استات سدیم یا سیترت سدیم ۳۵ گرم در لیتر

تنظیم ph توسط آمونیاک تا ۷-۹

درجه حرارت کار ۳۰ تا ۳۵ درجه سانتیگراد

 

به جای مرحله بالا قبلاً یک لایه بسیار نازک از مس حمام سیانیدی ترجیح داده می‌شد ولی در اینجا می‌توان با جایگزین کردن لایه نیکل شیمیایی قلیایی سیانور را در این مرحله حذف کرد قیمت تمام شده تشکیل یک حمام الکترولس با فرمولاسیون ارائه شده بسیار کمتر خواهد بود و از جمله کاهش هزینه‌ها عدم استفاده از جریان الکتریکی، آند و افزودنی‌های آلی خواهد بود و چون فرایند در دمای پایینتری انجام می‌شود هزینه برق و همچنین هزینه شستشوهای بد و قبل از آن نیز کمتر خواهد بود

پوششی بسیار نازک از نیکل به روش EN  به علت سطح یکنواختی که خصوصا در حفره‌ها و سطوح داخلی ایجاد می‌کند ترجیح داده می‌شود

آبکاری طلا بدون استفاده از سیانور سدیم یا پتاسیم

تا به حال دیده شده که در ساخت محلول‌های آبکاری طلا از سیانور سدیم یا سیانور پتاسیم به عنوان بهبود هدایت و دامنه جریان الکتریکی استفاده می‌شد لیکن هم اکنون می‌توان از نمک‌های سیترات یا فسفات نظیر سیترات سدیم سیترات آمونیوم دی پتاسیم هیدروژن پتاسیم و دی هیدروژن پتاسیم فسفات استفاده کرد استفاده از مواد فوق منجر به حذف سیانید در محلول و عدم ایجاد سیانید هیدروژن با دوز بالا که گازی کشنده است در هنگام آبکاری شد

ضمناً یکی از مزیت‌های استفاده از این نوع محلول‌ها در فرایند آبکاری بردهای مدار چاپی بوده که قبلاً به علت نفوذ سیانید در داخل پوشش‌های سبز رنگ سولدر امکان آبکاری طلا با وجود سیانور آزاد امکان‌پذیر نبود و یا با هزینه گزاف توأم بود و نیاز به استفاده از چسب‌های اسکاج مقاوم در این محلول‌ها جهت جلوگیری از نفوذ سیانور بود که آن هم گران تمام می‌شد

• آبکاری طلا با این آمادگی‌های سطحی که قطعه پیش از آبکاری نهایی پشت سر گذارده است کار چندان مشکلی نخواهد بود حمامی که برای این کار در نظر گرفته شده محلول سیترات است که در جدول۴-۱۰ ذکر شده است

 

Table. 10-4 Gold plating conditions

Potassium gold cyanide                                 20g/l Ammonium citrate                                        75g/l Temperature                                                  25-30 C Current density                                              5mA/cm2 PH                                                                     6.0 Anodes                            gold-plated stainless steel platinized titanium Filtration                                                          continuous

تجربه نشان می‌دهد که استفاده از حمام‌های متداول قلیایی سیانیدی حفره‌هایی در پوشش ایجاد می‌کنند حمام‌های اسید سیانیدی نیز رسوباتی محتوی مشتقات پلیمری سیانوژن و یا اسیدی پلی یدروسیانید ایجاد می‌کند هر دو این موارد در ضخامت‌های5 متخلخل خواهند بود

از میان حمام‌های بافری مانند فسفات و یا سیترات نیز حمام‌های فسفاتی به خاطر تنش‌های زیادی که در دمای بالا از خود به جای می‌گذارند کنار گذاشته می‌شوند حمام سیترات پوششی چکش‌خوار ریزدانه عاری از تنش و خالص ایجاد می‌کند ه در ضخامت‌های بیشتر از ۳ حفره ای نخواهد داشت ه منظور جلوگیری از آلودگی حمام تنها از آنودهای فولاد ضد زنگ با پوشش طلا و یا تیتانیوم پلاتینه استفاده می‌شود

هرجا لازم باشد در حفره‌ها و سطوح داخلی از آنودهای کمکی استفاده می‌شود جریان سریع محلول کمک می‌کند که نواحی مجاور سطوح داخلی ترکیب یکنواختی داشته باشند و احیاناً از فلز خالی نشوند فرایند آبکاری در دامنه پی اچ چهار و نیم تا ۷ امکان‌پذیر است رعایت مراحلی که ذکر شد می‌توان قطعات پیچیده‌ای را پوشش لازم و مطلوب طلا داد