خوردگی فلز (Metal Corrosion) به تغییرات یک فلز در نتیجه واکنشهای شیمیایی بین آن و محیط اطراف گفته می‌شود. میزان خوردگی به نوع فلز و شرایط محیطی، به ویژه گازهایی که با فلز در تماس هستند بستگی دارد و تقریبا تمام فلزات می توانند دچار خوردگی شوند. برخی مانند آهن خالص به سرعت دچار خوردگی می شوند و برخی دیگر مانند فولاد ضد زنگ، که ترکیبی از آهن و آلیاژهای دیگر است با سرعت کمتری دچار خوردگی می شود و به همین دلیل بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.
تنها گروه کوچکی از فلزات به نام فلزات نجیب نسبت به سایرین واکنش کمتری دارند و به ندرت دچار خوردگی می شوند. در حقیقت، آنها تنها فلزاتی هستند که به صورت خالص در طبیعت یافت می شوند. پس جای تعجب نیست که این فلزات بسیار با ارزش هستند و شامل رودیم ، پالادیوم ، نقره ، پلاتین و طلا می باشند.
فعل و انفعال بین فلزها با واسطه‌های محیطی موجب تجزیه و پوسیدگی آنها می‌شود چون فلزها میل بازگشت به ترکیبات ثابت را دارند. پوسیدگی فلز ممکن است ناشی از یکی از عوامل ذیل باشد:
- شیمیایی (توسط گازهای خشک و محلول‌های روغنی گازوئیل و نفت و…)
- الکتروشیمیایی (توسط اسیدها و بازها و نمک‌ها)
5 کاربرد مهم آبکاری، چه زمانی باید از فرایند آبکاری استفاده کنیم؟
میزان خوردگی به ویژگی‌های آن فلز، محیط و حرارت وابسته است. به منظور جلوگیری از موارد فوق و همچنین اهداف دیگری از قبیل موارد ذیل از فرآیند آبکاری استفاده می‌شود:
- جلوگیری از خوردگی شیمیایی
- افزایش مقاومت حرارتی
- افزایش مقاومت سطحی
- افزایش رسانایی در صنایع الکترونیکی
- افزایش زیبایی ظاهری
1-جلوگیری از خوردگی شیمیایی
فرآیند آبکاری برای جلوگیری از خوردگی شیمیایی به دو صورت انجام می گیرد:
- استفاده از فلزی که مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارد به عنوان پوشش فلز مادر.
- استفاده از فلزی که خاصیت خوردگی بیشتری نسبت به فلز مادر دارد تا در صورت مواجهه با محیط خوردگی فلز روکش داده شده به جای فلز مادر دچار خوردگی شود.
2-افزایش مقاومت حرارتی
همان‌طور که اشاره شد در فرآیند آبکاری صرفا از فلزات استفاده نمی شود و می توان از غیر فلزات نیز در این فرآیند استفاده نمود، به عنوان مثال در محیط هایی که در درجه حرارت بالایی کار می کنند استفاده از فلزات برای ساخت ابزار آلات مربوطه منطقی نخواهد بود و باید از غیر فلزاتی که مقاومت بالایی در مقابل حرارت دارند استفاده نمود، در این راستا آبکاری سرامیک بر روی فلزات امروزه کاربرد بسیار بالایی در این زمینه دارد.
3-افزایش مقاومت سطحی
در صنایعی که از فلزات با مقاومت سطحی کم استفاده می گردد، برای افزایش مقاومت سطحی چه از جهت ضربه و چه از جهت مقاومت می توان از فلزاتی با مقاومت سطحی بالا به عنوان روکش استفاده نمود. عنصر کروم نمونه ای از این روکش ها می باشد.
4-افزایش رسانایی در صنایع الکترونیکی
از جمله کاربردهای دیگر فرایند آبکاری می توان به استفاده آن در صنایع الکترونیکی در جهت بهبود پردازش سیستم های الکترونیکی و کاهش مقاومت های حرارتی در قطعات نام برد. برای این امر از موادی با مقاومت کمتر و رسانایی بالاتر استفاده می گردد که عناصری مانند طلا، نقره و پلاتین در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرند.
5-افزایش زیبایی ظاهری
به علت گران قیمت و نرم بودن فلزاتی مانند طلا نمی توان از آن برای ساخت قطعاتی که نیاز به مقاومت یا نقش سازه ای دارند استفاده نمود، به این منظور برای افزایش زیبایی ظاهری در بسیاری از صنایع که نیازمند جلب رضایت دیداری مصرف کننده می باشد از این نوع روش آبکاری استفاده می گردد.
این فرآیند از طریق انجام واکنش های شیمیایی بین فلزها در شرایط محیطی خاص انجام می شود. اساس آبکاری الکتریکی به این صورت است که در اثر عبور جریان مستقیم از یک الکترولیت فلز محلول در آن روی کاتد رسوب کرده و متعاقباً مقداری از فلز آند وارد محلول می شود به این ترتیب الکترولیت ثابت می ماند. به طور کلی ترسیب فلز با استفاده از یک الکترولیت را می‌توان به صورت واکنش زیر نشان داد:
شکل (1): نشان دهنده مکانیزم فرآیند آبکاری است.
شکل (1): مکانیزم فرآیند آبکاری
اغلب فرآیند آبکاری توسط فلزات با ارزش زیر به منظور افزایش بهای فلزات پایه آهن مانند استفاده می شود:
- طلا
- نقره
- کروم
- مس
- رادیوم
- نیکل
- پلاتین
- قلع
- روی
- کادمیوم
- برنج
رایج ترین مثال‌ها که در آنها از فرآیند آبکاری استفاده می‌شود، عبارتند از:
- روی سطوح شیرآلات
- قاب ها
- دستگیره‌ها
- زیورآلات
- مصنوعات تزئینی
- ظروف تزئینی
- صنایع نفت و گاز
- صنایع خودروسازی
- ساخت هواپیما
- صنعت مخابرات و الکترونیک
- صنایع غذایی
- هوافضا
- صنایع پزشکی
- صنایع هسته ای
انواع فرآیند ترسیب در آبکاری
در فرآیند آبکاری معمولا ترسیب فلز با استفاده از دو روش زیر انجام می‌شود:
- آبکاری الکتریکی
- آبکاری بدون استفاده از منبع جریان خارجی
روش اول: آبکاری الکتریکی
آبکاری الکتریکی برای ایجاد پوشش های تزئینی و محافظ، اصلاح سطوح ساییده شده یا اضافه ماشین‌کاری شده، قطعه سازی یا به عبارتی شکل دهی الکتریکی قطعات شکل پیچیده که دارای زوایای مقعر، ابعاد دقیق و سطوح طرح دار (مثل صفحات چاپی) هستند، عملیات آند کاری، تمیز کاری الکترولیتی، پرداخت الکترولیتی، اسید شویی آندی، استخراج و تصفیه فلزات به کار می رود.
کیفیت رسوب الکتریکی بر حسب کاربرد آن تغییر می کند اگر هدف از آبکاری این باشد که برای مدت کوتاهی از زنگ زدن فولاد جلوگیری شود ممکن است پوشش نازکی هم کافی باشد ولی اگر شفافیت رسوب نیز مهم باشد در این صورت کیفیت بالاتری طلب خواهد شد.
کیفیت رسوب های نازک از طریق آزمایش اندازه گیری ضخامت و مقاومت خوردگی تعیین می گردد. کیفیت آبکاری به واکنشهای که در طول عملیات روی کاتد انجام می گیرند بستگی دارد. اگر حمام به طور صحیح آماده و تنظیم شده باشد واکنشهای فوق نیز مطلوب خواهند بود. ولی کلاً شرایط مناسب عملیاتی از نظر کاتد و حمام تولید رسوبی رضایت بخشی را تضمین نمی کند.
در این عمل یک فلز با استفاده از عملیات شیمیایی روی فلز دیگری قرار می گیرد. در این روش ترسیب گالوانیک یک فلز بر پایه واکنشهای الکتروشیمیایی صورت می‌گیرد. هنگام الکترولیز در سطح محدود الکترود / الکترولیت در نتیجه واکنشهای الکتروشیمیایی الکترون‌ها به یکی از دو صورت زیر عمل می‌کنند:
- دریافت می‌شوند (احیا)
- واگذار می‌شوند (اکسیداسیون)
برای اینکه واکنش‌ها در جهت واحد مورد نظر ادامه یابند لازم است به طور مداوم از منبع جریان خارجی استفاده شود. واکنشهای مشخص در آند و کاتد همچنین در الکترولیت همیشه به صورت همزمان صورت می‌گیرند.
محلول الکترولیت باید شامل یون‌های فلز رسوب‌کننده باشد و چون یون‌های فلزها دارای بار مثبت می باشند به علت جذب بارهای مخالف تمایل به حرکت در جهت الکترود یا قطبی که دارای الکترون اضافی می‌باشد (قطب منفی یا کاتد) را دارند. قطب مخالف که کمبود الکترون دارد قطب مثبت یا آند نامیده می‌شود. به طور کلی سیکل معمول پوشش‌دهی را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:
- یک اتم در آند یک یا چند الکترون از دست می‌دهد و در محلول پوشش‌دهی به صورت یون مثبت در می‌آید.
- یون مثبت به طرف کاتد یعنی محل تجمع الکترون‌ها جذب شده و در جهت آن حرکت می‌کند.
- این یون الکترون‌های از دست داده را در کاتد به دست آورده و پس از تبدیل به اتم به صورت جزیی از فلز رسوب می‌کند.
آبکاری بدون استفاده از منبع جریان خارجی
هنگام ترسیب فلز بدون استفاده از منبع جریان خارجی الکترون‌های لازم برای احیای یون‌های فلزی توسط واکنشهای الکتروشیمیایی تامین می‌شوند. بر این اساس سه امکان وجود دارد:
- ترسیب فلز به روش تبادل بار (تغییر مکان) یا فرایند غوطه‌وری
- ترسیب فلز به روش اتصال
- روش احیا