همه چیز درباره آبکاری قلع

فرآیند آبکاری قلع: راهنمای مرحله به مرحله

قلع احتمالاً از همان زمانی که در کودکی مرد قلع را در جادوگر اوز دیدید بخشی از زندگی شما بوده است. البته استفاده از قلع فراتر از خلق یک شخصیت فیلم داستانی است – این کاربردهای عملی بسیاری در زندگی روزمره ما دارد. همه ما با قوطی های حلبی که برای نگهداری انواع مختلف مواد غذایی و نوشیدنی ها استفاده می‌شود آشنا هستیم. این ظروف در واقع از ورق فولادی تولید می‌شوند که با یک لایه نازک قلع معروف به ورق قلع پوشانده شده است.

امروزه تقریباً نیمی از کل قلع تولید شده در کاربردهای لحیم کاری استفاده می‌شود. قلع همچنین در تولید مسوار، برنز و برنز فسفره استفاده می‌شود. نمک‌های قلع را گاهی روی شیشه های جلو و شیشه پنجره اتومبیل می‌پاشند تا یک پوشش رسانای الکتریکی ایجاد کنند. شیشه پنجره خود اغلب توسط شیشه مذاب شناور بر روی قالب مذاب ساخته می‌شود، که یک سطح صاف تولید می‌کند. فلز مورد استفاده در ساخت زنگ(زنگوله ها) اغلب ترکیبی از برنز و قلع است. علاوه بر این، آلیاژهای قلع و قلع ارزش فوق العاده ای برای آبکاری، که فرآیند رسوب یک پوشش فلز بر روی سطح ماده از طریق جریان الکتریکی است، ارائه می‌دهند.

حقایقی درباره قلع

قلع فلزی نرم، شکل پذیر و سفید نقره‌ای است که به وفور در بسیاری از مناطق جهان موجود است. استخراج قلع به حدود 3000 سال قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد. برنز یک آلیاژ قهوه ای مایل به زرد از مس و قلع است که به طور معمول از حدود یک سوم قلع تشکیل شده است. اولین اجسام برنز حاوی یک جز small کوچک قلع بودند.

چینی ها از سال 700 قبل از میلاد شروع به استخراج قلع کردند. امروزه قلع در چین، تایلند و اندونزی یافت و همچنین در برزیل، پرو و ​​بولیوی استخراج می‌شود. قلع از طریق کاهش کاربوترمیک سنگ اکسید حاصل می‌شود که با گرم شدن سنگ معدن در کوره تولید می‌شود.

• قلع چهل و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است.
• قلع در جدول تناوبی عناصر با نماد اتمی “Sn” و عدد اتمی 50 ذکر شده است.
• قلع یک عنصر بومی نیست، به این معنی که باید از سنگ معدن استخراج شود نه اینکه در حالت طبیعی پیدا شود.
• قلع را می توان از سنگ معدن‌های مختلف استخراج کرد، اما متداول‌ترین سنگ معدن (SnO2) Cassiterite است.
• در حالی که قلع در شکل فلزی آن غیر سمی است، برخی از ترکیبات قلع می‌توانند سمی باشند.
• مقدار کمی قلع در ایالات متحده در آلاسکا و کالیفرنیا یافت می‌شود.
• ترکیب کریستالی قلع هنگام خم شدن فلز، صدای جیغ متمایزی ایجاد می‌کند که به “گریه قلع” معروف است.

مزایای قلع در فرآیند آبکاری

چرا قلع چنین انتخاب محبوبی برای آبکاری است؟ شاید بزرگترین دلیل آن این باشد که آبکاری قلع – یا “پوشش دهی قلع” – یک فرایند بسیار مقرون به صرفه است. از آنجا که قلع به راحتی در دسترس است، قیمت آن بسیار کمتر از فلزات گران قیمت مانند طلا، پلاتین یا پالادیوم است. قلع همچنین از قابلیت لحیم کاری بسیار عالی و همچنین محافظت برتر در برابر خوردگی برخوردار است.

آبکاری قلع می تواند رنگ خاکستری مایل به سفید ایجاد کند که در صورت تمایل به ظاهر کدر یا مات ترجیح داده می‌شود. هنگامی که کمی براقیت بیشتر ترجیح داده می‌شود، می تواند ظاهری براق و فلزی ایجاد کند. قلع سطح هدایت مناسبی را ارائه می‌دهد و باعث می‌شود آبکاری قلع در ساخت قطعات الکترونیکی مختلف مفید باشد. قلع همچنین برای استفاده در صنعت خدمات غذایی مورد تایید FDA است.

صنایعی که از آبکاری قلع استفاده می‌کنند

مزایای ذکر شده در بالا باعث می‌شود که قلع فلز انتخابی برای کاربردهای آبکاری در طیف گسترده ای از صنایع باشد از جمله:

• هوافضا
• ظروف نگه داری مواد غذایی
• الکترونیک
• مخابرات
• ساخت جواهرات

فرآیندهای اساسی آبکاری قلع

سه نوع فرآیند اساسی از آبکاری قلع وجود دارد که هر یک از آنها به رسوب محلول قلع الکترولیتی بر روی سطح یک جسم فلزی متکی است:

آبکاری بارل: آبکاری بارل به طور معمول برای آبکاری قطعات کوچکتر مورد استفاده قرار می‌گیرد و مستلزم قرار دادن قطعه کار در یک ظرف مخصوص ساخته شده است که معمولاً به آن بشکه می‌گویند. بشکه به آرامی می چرخد ​​در حالی که در محلول آبکاری الکترولیتی غوطه ور است. آبکاری قلع با روش بارل بسیار مقرون به صرفه است، اگرچه تکمیل مراحل آبکاری مدت زمان نسبتاً زیادی طول می‌کشد.

آبکاری رک(شابلون بندی): آبکاری رک گزینه ترجیحی برای آبکاری قلع بر روی قطعات بزرگتر یا ظریف تر است که ممکن است برای فرآیند آبکاری بارل مناسب نباشد. با آبکاری رک ، قطعه کارها را بر روی یک رک آویزان کرده و در محلول آبکاری غوطه ور می‌کنند. اگرچه آبکاری رک کار بیشتری دارد و بنابراین گرانتر از آبکاری بارل است، اما کنترل بیشتری بر ضخامت آبکاری دارد و می‌تواند در رسیدن به حفره های عمیق جسم موثرتر باشد.

آبکاری ویبراتوری(لرزشی): همچنین برای قطعات ظریف استفاده می‌شود، آبکاری لرزشی شامل قرار دادن قطعات در یک سبد مجهز به ساچمه‌های فلزی است که حاوی محلول آبکاری الکترولیتی نیز است. از ژنراتور(مولد برق) برای تولید یک عمل لرزشی استفاده می‌شود که باعث حرکت قطعات و تماس با ساچمه های فلزی می‌شود. آبکاری ویبراتوری معمولاً گرانترین نوع آبکاری قلع است و به فرآیند خشک شدن خاصی نیاز دارد که ممکن است باعث خم شدن قطعات شود.

مراحل فرآیند آبکاری قلع:

قلع را می توان تقریباً بر روی هر نوع فلزی پوشش داد. بیایید نگاهی دقیق به اجزای خاص یک فرآیند آبکاری قلع موثر بیندازیم:

1. چربیگیری: تمیز کردن قطعه کار- بخشی که پوشش قلع را دریافت می‌کند – قبل از غوطه ور شدن در حمام آبکاری بسیار حیاتی است. چربیگری باعث از بین رفتن روغن، چربی و سایر آلودگی های سطحی می‌شود که می‌توانند اثربخشی فرآیند آبکاری را کاهش دهند.

چربیگیری یک فرآیند چند مرحله ای است که بسته به ترکیب بستر و مقدار مواد زائد و آلودگی‌های موجود در آن و همچنین انواع تجهیزات تمیز کردن موجود برای استفاده، می‌تواند تا حدی متفاوت باشد. به طور کلی، روند تمیز کردن شامل موارد زیر است:

سند بلاست: فرآیندی که در آن ذرات ساینده ای مثل شیشه خرد شده، اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیسیم، فولاد،  corn cob  یا walnut shells  تحت فشار هوا روی سطح قطعات فولادی برای حذف مواد خارجی از یک سطح پاشیده می‌شوند گفته می‌شود.

جوشاندن: جوشاندن بستر در آب می تواند یک روش موثر برای از بین بردن چربی و روغن باشد، بدون اینکه به استفاده از مواد افزودنی شیمیایی متوسل شوید.

چربی زدایی الکترولیتی: غوطه ور شدن بستر در محلول الکترولیتی باعث از بین رفتن چربی و روغنی می‌شود که در ترک ها، شکاف ها و سایر مناطق سخت قابل دسترسی تجمع می‌یابد.

شستشو(آب شویی): شستشوی بستر در آب پس از چربی زدایی الکترولیتی، باقی مانده محلول تمیز کننده و بقایای سطح را از بین می‌برد.

2. آماده سازی حمام آبکاری

مرحله بعدی تهیه یک محلول الکترولیتی است که به آن حمام آبکاری نیز می گویند. وان های آبکاری قلع الکترولیتی می‌توانند از محلول‌های قلع اسیدی، قلع قلیایی یا متیل سولفونیک اسید تشکیل شوند. یک وان آبکاری شامل قلع است که در آن حل می‌شود و یون هایی با بار مثبت ایجاد می‌کند که این یون ها در محلول معلق هستند و همچنین شامل سایر مواد افزودنی شیمیایی است. حمام به عنوان یک ماده رسانا در هنگام رسوب دهی عمل می‌کند.

از حمامهای اسیدی با فرکانس بیشتری استفاده می‌شود، در نتیجه سرعت پوشش دهی بالاتری دارند. با این حال، در حالی که حمام های اسیدی به طور کلی پوشش یکنواختی ایجاد می‌کنند، اما همیشه در غلظت بالا هم به سوراخ یا سایر بی نظمی های سطح را پر نمی کند.

3-آبکاری

پس از تمیز شدن بستر و غوطه ور شدن در حمام الکترولیت، قطعه کار برای آبکاری پوشش قلع آماده است. قطعه مورد نظر به طور معمول در مرکز مخزن مخصوص طراحی شده قرار می‌گیرد که حاوی محلول الکترولیتی است. قطعه مورد نظر به عنوان کاتد عمل می‌کند، که الکترود با بار منفی در مدار الکتریکی است. آندها ، که الکترودهای دارای بار مثبت در مدار هستند ، در نزدیکی لبه مخزن آبکاری قرار می‌گیرند.

مرحله بعدی اعمال ولتاژ پایین DC به وان آبکاری است. دستگاهی که به رکتیفایر معروف است برای تبدیل برق AC به جریان DC استفاده می‌شود. ورود جریان الكتریكی در نهایت باعث می‌شود یون های دارای بار مثبت در آند از طریق الكترولیت در وان آبكاری به سمت كاتد با بار منفی (بستر) جریان یابد، جایی كه آنها بر روی سطح رسوب الكتریكی می‌كنند. سپس جریان به سمت آند برگشت می کند تا مدار کامل شود.

4. فرآیند بعد از آبکاری

مرحله‌ای بعد از آبکاری معمولاً در پایان روند آبکاری قلع مورد نیاز نیست. غیر فعال سازی – که استفاده از یک پوشش سبک از مواد محافظ است – ممکن است در کاربردهای مخصوص آبکاری برای ایجاد محافظت اضافی در برابر خوردگی یا افزایش خصوصیات واکنشی قلع استفاده شود. از عملیات حرارتی همچنین ممکن است برای جلوگیری از آزاد سازی هیدروژن استفاده شود ناشی از قرار گرفتن فلز در معرض هیدروژن است.

مسائل متداول آبکاری قلع

در فرآیند آبکاری قلع تعدادی از مسائل ممکن است رخ دهد که می‌تواند بر نتیجه نهایی تأثیر منفی بگذارد. این شامل:

“ Whiskers ” قلع: برجستگی های کوچک و تیز معروف به Whiskers می تواند مدت ها پس از اتمام روند آبکاری روی سطح اشیا-قلع اندود قلع خالص ایجاد شود. این الیاف فلزی میکروسکوپی با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند، اما می‌توانند به محصول نهایی صدمه قابل توجهی وارد کنند. از آنجا که هدایت الکتریکی دارند، Whiskers می‌تواند باعث اتصال کوتاه در قطعات الکترونیکی شود. حتی شناخته شده است که Whiskers های قلع منجر به خرابی سیستم‌های رایانه‌ای و ماهواره‌ها و همچنین اختلال در کار نیروگاه‌های هسته‌ای می‌شود. مشخص نیست که چه عواملی باعث شکل گیری Whiskers های قلع می‌شود و هیچ روش اثبات شده‌ای برای جلوگیری کامل از آنها وجود ندارد وقوع در محدود کردن تشکیل Whiskers قلع از طریق اصلاح ساختار بلوری رسوب قلع، موفقیت هایی حاصل شده است ، اگرچه این روش بدون اثبات شدن غیر منطقی است.

عدم ضخامت یکنواخت: در بعضی موارد، ممکن است قلع به طور یکنواخت روی جسم آبکاری شده قرار نگیرد. گاهی اوقات، شکل و تیغه ها جسم دستیابی به ضخامت مورد نظر را که معمولاً در محدوده ده تا 20 میکرون است، دشوار می‌کند. هنگام آبکاری روی اشیا فلزی با گوشه های تیز، ممکن است قلع با ضخامت بیشتری در قسمت خارجی آبکاری می‌شود و در مناطق فرورفتگی و گوشه ها ضخامت کمتری داشته باشیم. این کار اغلب با جابجایی مجدد آندها و اصلاح چگالی جریان DC قابل اصلاح است.

قابلیت لحیم پذیری بسیار عالی: در حالی که فلزات آبکاری شده با قلع به خاصیت لحیم کاری بسیار خوبی معروف هستند، این ویژگی با گذشت زمان کاهش می یابد. طول عمر لحیم کاری را می توان از طریق مشخصات رسوب مناسب، تهیه بستر مناسب و بسته بندی مناسب از اجزای آبکاری شده ، افزایش داد. مشخص شده است که آب بندی محصولات آبکاری شده در کیسه های پر ازت منجر به افزایش ده برابری ماندگاری لحیم کاری می‌شود.

آبکاری آلیاژی قلع

آلیاژ قلع با سایر فلزات می تواند نتایج حاصل از آبکاری قلع را بهبود بخشد. یکی از راههای تقویت فرآیند آبکاری قلع، رسوب مشترک (آلیاژ) قلع با یک یا چند فلز دیگر است. به عنوان مثال ، آلیاژ قلع با نیکل و کبالت سختی را بهبود می بخشد، در حالی که آلیاژ قلع – روی باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.  آلیاژهای  از قلع که معمولاً استفاده می‌شود شامل موارد زیر است:

قلع-سرب: مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت لحیم پذیری عالی را ایجاد می‌کند و می تواند در عین جلوگیری از عدم یکنواختی قلع، پوششی رسانا و نرم ایجاد کند.

قلع-مس: مقاومت کلی پوشش را بهبود می‌بخشد، اما ممکن است باعث شکنندگی آن شود. همچنین می‌تواند منجر به مرطوب کنندگی کافی برای کاربردهای لحیم کاری شود و توسعه Whiskers قلع را تقویت کند.

سرب – قلع – مس: این ترکیب اغلب برای کاهش اصطکاک در یاتاقانهای کشویی موتور استفاده می‌شود.

قلع-نقره: مقاومت مکانیکی کلی را بهبود می بخشد و حداکثر درجه حرارت سرویس را افزایش می‌دهد، اما جز نقره می تواند این آلیاژ را برای بسیاری از شرکت ها بسیار گران کند.

قلع-روی: دارای نقطه ذوب بالا و مقاومت به فرسودگی بالاتری است ، اما منجر به مرطوب کنندگی ضعیف و محافظت محدود در برابر خوردگی می‌شود.

قلع-بیسموت: این آلیاژ به طور ایده آل برای کاربردهای آبکاری در دمای پایین مناسب است، همچنین قابلیت مرطوب کنندگی خوبی دارد و می تواند تشکیل Whiskersرا محدود کند. با این حال، ممکن است با اجسام حاوی سرب سازگار نباشد و نقطه ذوب پایین، آن را برای اکثر فرآیندهای آبکاری در دمای بالا نامناسب می‌کند.

برای کاهش ویسکر قلع ، آلیاژ قلع-سرب در نظر بگیرید

اگر Whiskers قلع در محیط تولید شما نگران کننده است، پس باید اکیداً آلیاژ آبکاری قلع-سرب را در نظر بگیرید. برخلاف قلع خالص، همانطور که قبلاً ذکر شد، قلع-سرب می‌تواند در جلوگیری از تشکیل Whiskers موثر باشد، و آن را به گزینه‌ای عالی در ساخت قطعات الکترونیکی مانند برد مدار چاپی، اتصالات و نیمه هادی ها تبدیل می‌کند. از آنجا که هر دو فلز دارای ولتاژ بالای هیدروژن هستند، رسوب یک آلیاژ قلع-سرب می تواند از طریق محلول های اسیدی قوی و بدون افزودن عوامل کمپلکس کننده تولید شود.

علاوه بر کاهش Whiskers ، یک آلیاژ قلع می‌تواند در مقایسه با قلع خالص، محافظت بیشتری در برابر خوردگی ایجاد کند. آلیاژ قلع-سرب نیز قابلیت لحیم کاری بسیار خوبی را ایجاد می‌کند و می‌تواند یک لایه نرم و رساناتری را ایجاد کند. آلیاژ قلع-سرب به دلیل انعطاف پذیری بالای آن، می‌تواند از آسیب رساندن به فلز زیرین در طی مراحل دقیق تولید مانند مهر زنی جلوگیری کند.

به دلیل کم هزینه بودن این فلز پس از گذار ، قلعکاری اغلب به عنوان گزینه “ارزان قیمت” در مقابل فرآیندهای آبکاری گران تر مانند طلا، پلاتین و پالادیوم شناخته می‌شود. آبکاری قلع علاوه بر کمک به پایین نگه داشتن هزینه های عملیاتی، مزایای اصلی مانند محافظت در برابر خوردگی عالی، قابلیت لحیم پذیری بالا و مقاومت در برابر سایش مناسب را به همراه دارد.

چه زمانی از آبکاری قلع استفاده می‌شود؟

صحبت از کاربردها، آبکاری قلع دارای موارد بسیاری است! خاصیت شکل پذیری و غیر سمی قلع و همچنین مقاومت در برابر خوردگی آن، آن را به گزینه ای برتر برای صنایع وابسته به خدمات غذایی، به ویژه در ساخت تجهیزات فست فود و همچنین در تولید ظروف آشپزی تبدیل کرده است. الکترونیک صنعت دیگری است که در آن آبکاری قلع فراگیر است، دلیل اصلی آن توانایی حفظ لحیم کاری آن است.

ملاحظات قلع

آبکاری قلع به دلیل خواص محافظتی حرارتی شناخته شده نیست، بنابراین نباید از آن برای کاربردهایی که شامل دمای بالا است استفاده شود. “Whisker” قلع ، که برآمدگی هایی شبیه مو دارد ، طول تقریبی 1-2 میلی متر و قطر 1-3 میکرومتر ، می تواند به قطعات الکترونیکی آسیب برساند. Whisker قلع بلافاصله پس از آبکاری تشکیل نمی‌شود. ممکن است چندین هفته یا حتی ماه ها طول بکشد تا این Whisker ایجاد شود. تشکیل Whisker را اغلب می توان با اصلاح ساختار بلوری رسوب قلع کاهش داد.