آبکاری فلزات چیست؟ – آموزش به زبان ساده + روش و انواع

آبکاری فلزات یکی از فرآيندهای مهم در کار با مواد فلزی است به‌صورتی که باعث ماندگاری و افزایش طول عمر آن‌ها می‌شود. از همین رو آشنایی با روش‌های انجام آن از اهمیت بالایی برخوردار است. آبکاری فلزات فرآيندی است که در آن لایه‌ای از یک فلز روی قطعه‌ای فلزی یا پلاستیکی نشانده (اندود) می‌شود. این فرآیند به روش‌ها متفاوتی انجام می‌شود و در این مطلب به آموزش آبکاری فلزات به روش‌های مختلف می‌پردازیم. در ابتدای این مطلب، انواع آبکاری فلزات را بررسی می‌کنیم که آبکاری الکتریکی و الکترولس ازجمله آن‌ها است. سپس انواع فلزها را در آبکاری بررسی و کاربرد آبکاری فلزات را نیز مرور می‌کنیم. در انتها نیز بعد از معرفی مزایا و معایب آبکاری، چند کتاب مرتبط را نیز معرفی خواهیم کرد. از این‌رو بهتر است تا انتهای این مطلب با مجله فرادرس همراه باشید تا اطلاعات کاملی در این خصوص کسب کنید.

آبکاری فلزات چیست؟

«آبکاری فلزات» (Metal Plating) فرآيندی است که در آن لایه‌ای نازک از یک فلز، روی سطحی را پوشش می‌دهد. آبکاری فلزات با روش‌های متعددی انجام می‌شود که می‌توانید متداول‌ترین آن‌ها را در فهرست زیر مشاهده کنید.

• «آبکاری الکتریکی» (Electroplating): روشی است که در آن به کمک جریان الکتریکی، لایه‌ای از یون‌های فلزی روی سطح بستر مورد نظر نشانده می‌شود.
• «آبکاری الکترولس» (Electroless Plating): روشی است که در آن بدون استفاده از الکترودها و جریان الکتریکی، لایه‌های فلزی روی سطح مورد نظر نشانده می‌شود.
• «آبکاری غوطه‌وری»‌ (Immersion Plating): در این روش لایه‌ای از فلزات نجیب‌تر روی سطح فلز دیگری نشانده می‌شوند. این کار توسط غوطه‌ور کردن در محلول یونی فلز نجیب‌تر، طی یک واکنش جانشینی صورت می‌گیرد.

هر کدام از این روش‌ها مزایا و معایبی دارند که در راستای بهبود مقاومت در برابر خوردگی فلزات به کار گرفته می‌شوند. آبکاری فلزات نه تنها باعث حفاظت از قطعه در برابر عوامل محیطی می‌شود، بلکه به آن ظاهر بهتری نیز می‌دهد. انواع متفاوتی از آبکاری وجود دارد که بسته به نیاز در صنعت و به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. با نشاندن یک لایه بر روی یک قطعه فلزی، رسانایی آن فلز و توانایی آن برای عبوردهی جریان الکتریکی تغییر می‌کند. فلزهایی که آبکاری شده‌اند را می‌توان رنگ کرد و ویژگی‌های مغناطیسی آن‌ها نیز بهبود می‌یابد.

انواع آبکاری فلزات

در این بخش می‌خواهیم به بررسی روش‌های متفاوتی بپردازیم که برای آبکاری فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آبکاری الکتریکی فلزات

آبکاری الکتریکی فلزات فرآیندی است که در آن از پوشش‌دهی الکتریکی برای نشاندن لایه‌ای نازک از فلز روی قطعه مورد نظر استفاده می‌شود. در این روش مهندسان از الکترولیز کنترل شده برای انتقال فلز مورد نظر از «آند» (Anode) به کاتد بهره می‌برند. در این روش آند، شامل فلزی است که می‌خواهیم از آن برای پوشش‌دهی استفاده کنیم و کاتد نیز قطعه فلزی مورد نظر است که روی آن‌ پوششی ایجاد می‌کنیم.

هر دو این قطعات در حمام الکترولیتی غوطه‌ور می‌شوند و به آن‌ها جریان الکتریکی اعمال می‌شود. روش انجام این نوع آبکاری را می‌توانید در تصویر بالا مشاهده کنید.

وجود جریان الکتریکی باعث حرکت یون‌های با بار منفی یا آنیون به آند و حرکت یون‌های با بار مثبت یا کاتیون به سمت کاتد می‌شود. این حرکات باعث تشکیل لایه‌ای نازک می‌شوند که پوشش فلزی یکنواختی بر روی قطعه مورد نظر است. با این روش گویا قطعه فلزی در کپسولی از فلزهایی مانند مس و نیکل قرار داده می‌شود.

این روش آبکاری متدوال‌ترین روشی است که برای پوشش‌دهی فلزات به کار می‌رود و در آن فلز مورد نظر باید رسانا باشد. همچنین روش‌های «پیش‌پوششی» (Precoating) خودکاتالیزوری نیز وجود دارند که کمتر متدوال هستند. از این روش‌ها برای ایجاد لایه‌ای از آلیاژهایی مانند مس و نیکل بر قطعات پلاستیکی استفاده می‌شود زیرا توانایی ایجاد لایه نازک رابط رسانا بر آن‌ها را دارد.

تفاوت شکل‌دهی الکتریکی و آبکاری الکتریکی

از پوشش‌دهی الکتریکی در هر دو فرآیند آبکاری الکتریکی و «شکل‌دهی الکتریکی» (Electroforming) استفاده می‌شود. تفاوت عمده این دو روش این است که در شکل‌دهی الکتریکی از قالبی استفاده می‌شود که بعد از انجام فرآيند آن را از قطعه جدا می‌کنند. نحوه انجام این فرآیند را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

از فرآيند شکل‌دهی الکتریکی برای ساخت قطعات فلزی جامد استفاده می‌شود در حالی که از آبکاری الکتریکی برای ایجاد پوشش روی قطعات موجود بهره می‌گیریم. این پوشش از جنس فلزی غیر از فلز سازنده آن قطعه است.

مواد مورد استفاده در آبکاری الکتریکی

برای آبکاری می‌توان تنها از یک فلز یا ترکیبی از فلزهای مختل استفاده کرد. بسیاری از تولیدکنندگان برای بهینه‌سازی آبکاری از ترکیبی از مس و نیکل استفاده می‌کنند تا باعث افزایش رسانایی و استحکام پوشش شوند. در فهرست زیر فلزها و آلیاژهایی که در آبکاری الکتریکی به کار می‌روند را مشاهده می‌کنید.

• آلیاژ برنج
• کادمیم
• کروم
• مس
• طلا
• آهن
• نیکل
• نقره
• تیتانیم
• روی

فرآيند آبکاری الکتریکی تقریبا روی تمامی قطعات قابل اجرا است. برای مثال این قطعات می‌توانند از جنس استیل ضدزنگ، فلزهای مختلف و حتی پلاستیک باشند. با این حال توجه داشته باشید که قطعات نارسانا مانند پلاستیک، شیشه و چوب را باید پیش از انجام فرآيند آبکاری الکتریکی به رسانا تبدیل کرد. برای این کار می‌توان لایه‌ای از رنگ رسانا را روی این قطعات نشاند.

آبکاری الکترولس فلزات

آبکاری الکترولس یا آبکاری بدون الکتریسیته روشی است که در آن از مواد شیمیایی به جای الکتریسیته استفاده می‌شود. قطعه مورد نظر در این روش در عاملی کاهنده به همراه کاتالیزور غوطه‌ور می‌شود که باعث تبدیل یون‌های فلزی به فلز می‌شود و لایه‌ای از یون‌ها را روی قطعه می‌نشاند. این روش کاربرد گسترده‌ای در ایجاد پوشش روی پلاستیک‌هایی از جمله مدار الکترونیکی چاپی دارد. بسیاری از کالاهای مصرفی توسط لایه‌ای فلزی پوشش داده می‌شوند تا ماندگاری بیشتری داشته باشند و ظاهر آن‌ها نیز بهبود پیدا کند.

آبکاری الکترولس «غیرگالوانیزه» (Non Galvanic) است و شامل واکنش‌های شیمیایی همزمان در محلول آبی می‌شود که در آن خبری از جریان الکتریکی نیست. این واکنش زمانی اتفاق می‌افتد که عاملی کاهنده که معمولا سدیم هیپوفسفیت با فرمول شیمیایی $$NaPO_2H_2$$ است، از خود هیدروژن آزاد می‌کند. سپس این ماده اکسایش می‌یابد تا روی سطح قطعه تولید بار منفی کند. آبکاری الکترولس، توانایی نشاندن یکنواخت یون‌های فلزی را در حفره‌ها و لبه‌ها دارد. به‌طور کلی این روش برای آبکاری قطعات با شکل هندسی نامنظم، از آبکاری الکتریکی کارآمدتر است. واکنش‌های این فرآيند بدون منبع انرژی خارجی انجام می‌شوند.

مواد بسیاری وجود دارند که نارسانا هستند اما برای داشتن عملکرد صحیح باید رسانا شوند. از این مورد می‌توان به پلاستیک و برخی از فلزها اشاره کرد. در آبکاری الکترولس روی قطعات نارسانا، لایه‌ای از فلز رسانا نشانده می‌شود و می‌توان از آن به عنوان قطعه‌ای رسانا استفاده کرد. در تصویر زیر دیاگرام توصیفی برای نمایش آبکاری الکترولس را مشاهده می‌کنید.

متدوال‌ترین روش در آبکاری الکترولس، آبکاری نیکل است. با این حال از آبکاری مس، طلا و نقره نیز به‌وفور و به‌‌طور مشابه استفاده می‌شود. به فرآيند آبکاری الکترولس، «آبکاری خودکاتالیزوری» (Auto Catalytic Plating) یا «آبکاری شیمیایی» (Chemical Plating) نیز گفته می‌شود.

تفاوت آبکاری الکتریکی و آبکاری الکترولس

هر دو این روش‌ها باعث افزایش استحکام و مقاومت قطعات در برابر خوردگی می‌شوند. همان‌طور که از نام آن‌ها نیز پیداست، مهم‌ترین تفاوت، حضور جریان الکتریسیته در آبکاری الکتریکی است که در آبکاری الکترولس وجود ندارد.

در روش آبکاری الکتریکی از منبع انرژی مانند باتری یا «یکسوساز» (Rectifier) برای تامین جریان الکتریکی مورد نیاز محلول شیمیایی استفاده می‌شود. این جریان باعث تغییر اجزای ترکیب شیمیایی می‌شود و لایه‌ای سخت و ماندگار را روی سطح قطعه می‌نشاند. بنابراین می‌توان گفت که آبکاری الکتریکی از آبکاری الکترولس پیچیده‌تر است. همچنین برای انجام آن به محیط بسیار تمیزی نیاز است و به تجهیزاتی احتیاج دارد که به‌القوه خطرناک هستند. در مواردی نیز ممکن است برای ایجاد ضخامت مناسب لایه پوششی، نیاز به تکرار آن به دفعات باشد.

آبکاری الکترولس پیچیدگی کمتری دارد و پیش از انجام آن نیاز است که قطعه را با تمیزکننده شیمیایی شستشو دهیم تا باقی‌مانده عنصرهای خورنده و روغن‌ها از روی آن پاک شوند. پس از این مرحله آن‌ها را در محلول آبی غوطه‌ور می‌کنیم و عامل آنتی اکسیدان نیز به آن اضافه می‌شود. در این مرحله محلول آماده پوشش‌دهی می‌شود و قطعه مقاومت بالایی در برابر خوردگی و سایش پیدا می‌کند. برای مثال آبکاری الکترولس نیکل نیاز به تجهیزات پیچیده ندارد زیرا در غیاب الکتریسیته، خطرات به‌القوه‌ نیز کاهش پیدا می‌کند.

آبکاری غوطه‌وری

در روش «آبکاری غوطه‌وری» (Immersion Plating) لایه‌ای از فلزات نجیب‌تر روی سطح فلز دیگری نشانده می‌شوند. این کار توسط غوطه‌ور کردن قطعه در محلول یونی فلز نجیب‌تر طی یک «واکنش جانشینی» (Replacement Reaction) صورت می‌گیرد. در این فرآيند لایه‌ای از فلز از محلول یونی روی سطح قطعه مورد نظر نشانده می‌شود. همچنین به‌طور معمول لایه سطحی قطعه فلزی با فلزی که پتانسیل اکسایش پایین‌تری دارد، جایگزین می‌شود. روند انجام فرآيند آبکاری غوطه‌وری در تصویر زیر نشان داده شده است.

از فرآيند آبکاری غوطه‌وری برای ارتقای ویژگی‌های الکتریکی فلزها استفاده می‌شود. همچنین باعث بهبود پوشش‌دهی چسب و اتصال پوشش‌های آلی به سطح سوبسترا می‌شود. آبکاری غوطه‌وری یک تفاوت عمده با آبکاری‌ الکتریکی دارد زیرا در آن هیچ جریان الکتریکی حضور ندارد. زمانی که قطعات فلزی در محلول الکترولیتی حاوی فلزهای نجیب‌تر غوطه‌ور می‌شود، آن فلزی که کم‌تر نجیب است در الکترولیت حل و دیگری بر سطح قطعه نشانده می‌شود.

با حل شدن فلز کم‌تر نجیب، الکترون آزاد می‌شود که به فلز دیگر امکان نشستن روی سطح قطعه را می‌دهد. بر خلاف آبکاری الکترولس، این آبکاری زمانی متوقف می‌شود که تمامی سطح قطعه با فلز نجیب‌تر پوشانده شده باشد. توجه داشته باشید که آبکاری غوطه‌وری در دمای بالا صورت می‌گیرد. مثلا برای آبکاری غوطه‌وری طلا به دمای ۸۰ الی ۹۰ درجه سانتی‌گراد نیاز است. در حالی که آبکاری غوطه‌وری نقره در دمای ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد نیز قابل انجام است.

انواع فلزها در آبکاری

در ادامه می‌خواهیم در مود انواع فلزهای مورد استفاده در آبکاری و نحوه انجام آن‌ها صحبت کنیم.

آبکاری الکترولس نیکل

در این روش از فلز نیکل برای افزایش سختی و مقاومت فلز و پلاستیک استفاده می‌شود. همان‌طور که پیشتر گفتیم، در مورد نیکل نیز آبکاری الکترولس آن از آبکاری الکتریکی ساده‌تر است زیرا برای شروع فرآیند به حضور الکتریسیته در محلول الکترولیتی نیاز نیست و به جای آن از واکنش‌های خودکاتالیزوری استفاده می‌شود. در ادامه مراحلی که برای انجام این آبکاری نیاز است را مشاهده می‌کنید.

• تمیز کردن سطح: در اولین مرحله باید سطح قطعه مود نظر برای آبکاری، از باقی‌مانده مواد شیمیایی دیگر و روغن‌ها پاک شود. این مرحله برای اجرای صحیح آبکاری و داشتن پوشش مناسب حیاتی است. این مرحله با دقت بالا و با توجه به جنس سطح قطعه انجام می‌شود.

• آماده‌سازی: بعد از تمیز کردن سطح قطعه، آن را به کمک محلولی اختصاصی یا اسید فعال می‌کنیم. انجام این مرحله برای نشاندن مناسب نیکل بر قطعه الزامی است. بعد از انجام این آبکاری، قطعه نیکلی در برابر سایش و خوردگی از خود مقاومت بیشتری نشان می‌دهد.

• ضخامت لایه آبکاری نیکل: لایه‌نشانی در آبکاری الکترولس را می‌توان از سرعت ۵ میکرون بر ساعت تا ۲۵ میکرون بر ساعت انجام داد. از آن‌جا که این فرآیند به‌‌صورت پیوسته انجام می‌شود و هر لایه روی لایه بعدی قرار می‌گیرد، می‌تواند ضخامتی نامحدود تولید کند. با این حال با افزایش ضخامت، نقص‌های حاصل از آبکاری بیشتر به چشم می‌آيند. ضخامت پوشش با توجه به کاربرد قطعه آبکاری شده انتخاب می‌شود.

آبکاری روی

روی با نماد شیمیایی $$Zn$$ فلزی ارزان است و از آن به عنوان پوشش گالوانیزه برای قطعات فلزی متعددی استفاده می‌شود. علاوه بر استفاده از روی در آبکاری، «فرآيند روی‌اندودی خشک» (Sherardizing Process) توسط آن نیز با غوطه‌ور کردن قطعه در حمام مذاب یا اسپری کردن انجام می‌شود.

در فرآيند آبکاری سرد یا الکتریکی، قطعه مورد نظر در جایگاه کاتد و روی در جایگاه آند قرار می‌گیرد. همچنین الکترولیت این فرآیند محلولی حاوی نمک‌های روی است. در تصویر بالا نمونه‌ای از قطعه‌ای را مشاهده می‌کنید که با روی آبکاری شده است.

در این فرآيند لایه‌ای از روی خالص بر قطعه مورد نظر نشانده می‌شود که چکش‌خواری بالایی دارد و سطح آن هموار است. همچنین می‌توان ضخامت آن را کنترل کرد. از فرآیند روی‌اندودی خشک برای لایه‌نشانی روی قطعات کوچک استفاده می‌شود، برای مثال آبکاری میخ و پیچ به این روش صورت می‌گیرد. قطعات مورد نظر برای آبکاری به همراه پودر روی در ظرفی قرار داده می‌شوند و سپس دمای آن‌ها تا ۵۰۰ درجه فارنهایت بالا می‌رود.

لایه‌ای که روی این قطعات نشانده می‌شود از ۹۰٪ روی و ۱۰٪ آهن تشکیل شده است. از این روش می‌توان برای آبکاری قطعات بزرگ‌تر نیز بهره برد. در برخی موارد به محتویات حمام آبکاری مقداری از فلز آلومینیوم افزوده می‌شود تا سیالیت آن افزایش پیدا کند. همچنین حضور آلومینیوم برای آبکاری قطعات نامنظم نیز مفید است.

آبکاری کادمیم

از آبکاری کادمیم به‌طور معمول برای قطعات متفرقه خودرو استفاده می‌شود. همچنین تولیدکنندگان هواپیماها به این نوع آبکاری به دلیل ویژگی‌‌های محافظتی‌اش علاقه‌مند هستند. از طرفی آبکاری کادمیم برای قطعاتی که به‌طور دائم باز و بسته می‌شوند نیز کاربردی است زیرا لایه روانی روی سطح قطعه ایجاد می‌کند. آبکاری کادمیم در صنایع دریایی نیز کاربرد دارد زیرا در برابر نمک دریا از خود مقاومت خوبی نشان می‌دهد. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک قطعه را مشاهده می‌کنید که با کادمیم آبکاری شده است.

به دلیل مسائل ایمنی آبکاری توسط کادمیم طی سال‌های گذشته کمتر مورد استقبال قرار گرفته است. به‌طور مثال در صنایع هوایی از آلیاژ روی و نیکل به عنوان جایگزینی برای کادمیم استفاده می‌شود.

آبکاری کروم

از آبکاری کروم بیشتر برای لایه‌نشانی بر قطعاتی استفاده می‌شود که کاربرد تزئینی دارند، با این حال این نوع آبکاری استحکام و مقاومت در برابر خوردگی مناسبی به قطعات می‌دهد که باعث می‌شود بتوان از آن برای آبکاری قطعات مورد استفاده در صنعت نیز بهره برد. در برخی موارد از آبکاری کروم برای بازگرداندن مقاومت به قطعات استفاده شده نیز کمک گرفته می‌شود. آبکاری توسط کروم معمولا روی سطح نیکل انجام می‌شود و در لایه‌نشانی روی مبل‌هایی با پایه استیل و قطعات تزئینی خودرو به کار می‌رود.

آبکاری کروم به‌صورت آبکاری الکتریکی انجام می‌شود و در آن از اسید کرومیکی با نام کروم ۶ ظرفیتی استفاده می‌شود. در صورت داشتن کاربرد صنعتی می‌توان از کروم ۳ ظرفیتی به‌صورت کرومیم کلرید و کرمیم سولفات نیز بهره برد.

آبکاری آلومینیوم

آلومینیوم آلیاژهای بسیاری دارد که دارای ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی متنوعی هستند. این ویژگی‌ها آلیاژهای آلومینیوم را برای جایگزینی با مس در فرآيند آبکاری مناسب می‌کند. آلیاژ سری ۱۰۰۰ آلومینیوم به دلیل داشتن رسانایی الکتریکی و گرمایی ویژه‌ و مقاومت عالی در برابر خوردگی، کارآیی فوق‌العاده‌ای دارد. از طرفی آلیاژ سری ۷۰۰۰ آلومینیوم با روی و مقدار کمی از منیزیم همراه است که آن را بسیار قوی می‌کند و می‌توان از آن در عملیات حرارتی نیز بهره برد.

ثبات قیمت آلومینیوم و گسترش همیشگی کاربرد آن عواملی دیگر هستند که توجه به آلومینیوم را در آبکاری فلزات افزایش می‌دهد. آلومینیوم فلز خیلی نجیبی نیست و به راحتی لایه‌ای از اکسید تشکیل می‌دهد که کاربرد آن را در آبکاری فلزات محدود می‌کند. به علاوه کاربرد آلومینیوم به دلیل ضعف پیوند آن با قطعه فلزی پایه نیز محدود می‌شود.

آبکاری روی قطعه آلومینیومی

از روش‌هایی مانند آبکاری غوطه‌وری، آبکاری الکتریکی و آبکاری الکترولس برای انجام آبکاری آلومینیوم استفاده می‌شود. بزرگ‌ترین دغدغه‌ای که در آبکاری آلومینیوم وجود دارد ایجاد لایه‌ اکسیدی است که در چسبندگی لایه پوششی ایجاد مشکل می‌کند. در چنین مواردی به‌طور معمولا ابتدا سطح قطعه با لایه‌ای از روی به روش غوطه‌وری پوشش داده می‌شود.

فلزات مورد استفاده برای آبکاری آلومینیوم

از فلزات متنوعی برای آبکاری روی آلومینیوم استفاده می‌شود که آن‌ها را در فهرست زیر مشاهده می‌کنید.

• قلع: از فلز قلع برای آبکاری قطعات آلومینیومی استفاده می‌شود زیرا رسانای الکتریکی است و مقاومت در برابر خوردگی را نیز افزایش می‌دهد. خروجی قطعه آبکاری شده توسط قلع می‌تواند هم براق، هم مات باشد.
• نیکل: استفاده از نیکل به عنوان پوششی برای آلومینیوم باعث افزایش استحکام و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.
• نقره: لایه‌نشانی نقره روی قطعات آلومینیومی علاوه بر افزایش رسانایی و مقاومت در برابر خوردگی، باعث ایجاد لحیم‌پذیری و روان بودن آن می‌شود.
• طلا: آبکاری طلا روی قطعات آلومینیومی فرآيند پرخرجی است و تنها از آن برای لایه‌نشانی روی ایمپلنت‌های پزشکی استفاده می‌شود زیرا طلا زیست‌سازگار است.

آبکاری مس

آبکاری مس در مواردی که صرفه اقتصادی و رسانایی بالا در نظر باشد، کاربرد فراوانی دارد. از لایه‌نشانی توسط این فلز در حیطه الکترونیک به‌طور مثال برای برد مدار چاپی استفاده می‌شود. از آن‌جا که قیمت این فلز پایین است و کارآیی آبکاری آن بالاست، آبکاری مس یکی از ارزان‌ترین انواع آبکاری فلزات است که می‌توان به کار گرفت. در تصویر زیر نمونه‌ای از قطعه‌ای را مشاهده می‌کنید که توسط مس آبکاری شده است.

به‌طور کلی از سه فرآيند آبکاری برای مس استفاده می‌شود که شامل آبکاری اسیدی، آبکاری قلیایی و آبکاری قلیایی ملایم می‌شود. در صورتی که مقدار قلیایی بودن محیط را بالا ببریم، قدرت لایه‌نشانی افزایش پیدا می‌کند اما نیازمند چگالی جریان پایین‌تر و مراقبت‌های بیشتر خواهد بود.

آبکاری طلا

طلا عنصری است که در برابر اکسایش و رسانش الکتریکی مقاومت بالایی دارد و به همین دلیل نیز بسیار باارزش است. توجه داشته باشید که آبکاری طلا با «مطلاکاری» (Gliding) متفاوت است. با آبکاری طلا می‌توان به راحتی خصوصیات آن را به فلزهای دیگر مانند نقره و مس منتقل کرد. به‌طور معمول از این فرآيند به‌صورت تزئینی روی جواهرات و همچنین برای ارتقای رسانایی در قطعات الکترونیکی مانند اتصال‌دهنده‌های الکتریکی استفاده می‌شود. در تصویر زیر نمونه‌ای از آبکاری طلا را روی فنجانی تزئینی مشاهده می‌کنید.

زمانی که مس توسط طلا لایه‌نشانی می‌شود سطح قطعه کدر می‌شود. برای رفع این مورد می‌توان پیش از انجام آبکاری طلا، سطح قطعه را با چسب نیکل پوشش داد. برای تعیین عواملی مانند طول زمان آبکاری و ترکیب حمام آبکاری باید به میزان سختی و خلوص طلا توجه داشت.

آبکاری نقره

از فلز نقره به دلیل رسانایی گرمایی و الکتریکی خارق‌العاده‌ای که دارد در آبکاری استفاده فراوانی می‌شود. از این آبکاری در انتقال‌دهنده انرژی با توان بالا و اتصال‌دهنده‌هایی با توان پایین استفاده می‌شود. به دلیل روان بودن سطح قطعاتی که با نقره آبکاری می‌شوند از آن برای آبکاری پیچ و مهره استفاده می‌شود. از کاربردهای دیگر این آبکاری می‌توان به لایه‌نشانی قطعاتی اشاره کرد که در دمای بالا نیاز است، «ضد گالینگ» (Anti Galling) باشند. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک قطعه آبکاری شده را نقره را مشاهده می‌کنید.

سطحی که با نقره آبکاری شده باشد برای انتقال حرارت و الکتریسیته بسیار مناسب است. آبکاری با نقره سابقه تاریخی بسیار طولانی دارد و بیش از ۲۰۰ سال است که به کار گرفته می‌شود. از این آبکاری در کلیدابزارها و دیگر تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شد.

در آبکاری نقره، آن را به‌صورت چندین لایه روی قطعه می‌نشانند زیرا در گذر زمان و با استفاده مکرر دچار سایش می‌شود. علاوه بر کاربردهایی که تا اینجا ذکر کردیم از آبکاری نقره در قطعات تزئینی که نیازمند داشتن رسانایی الکتریکی هستند نیز استفاده می‌شود. آبکاری نقره جانشینی به‌صرفه برای آبکاری با فلزهایی مانند طلا، پالادیم و رودیم است. از دلایلی که باعث محدود شدن کاربرد آبکاری نقره می‌شوند، می‌توان به خوردگی و تاثیرپذیری از رطوبت اشاره کرد.

آبکاری نقره برای استیل‌های ضدزنگ در قطعاتی مانند بوشینگ (مقره) و واشر رانش استفاده می‌شود. با این حال باید پیش از انجام آبکاری لایه اکسید روی قطعه را زدود تا مانع کارآیی فرآیند نشود.

یکی از معایب آبکاری با نقره ، ایجاد تاری در سطح قطعه است. با این حال این مورد باعث ایجاد لایه اکسیدی روی آن نمی‌شود. دلیل این تاری این است که نقره در معرض هیدروژن سولفید و گوگرد قرار می‌گیرد و لایه‌ای از نقره نیترات روی آن به وجود می‌آيد. نقره نیترات به وجود آمده را می‌توان به راحتی با مالش قطعه روی یک سطح از بین برد. بنابراین نباید از آبکاری نقره روی قطعاتی استفاده کرد که در معرض رطوبت هوا قرار دارند زیرا می‌تواند به راحتی پوسته‌پوسته شود و ترک بخورد و قطعه زیری را به نمایش بگذارد.

آبکاری قلع

قلع فلزی نرم، چکش‌خوار، براق و سفیدرنگ است که رسانای خوبی به حساب می‌آيد و به راحتی در مجاورت هوا اکسید نمی‌شود. این فلز همچنین مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد. از آنجا که قلع غیرسمی و غیرسرطان‌زا است، در صنایع غذایی و برای ذخیره کردن مواد غذایی استفاده گسترده‌ای دارد. این عنصر از سالیان بسیار دور برای تولید سلاح‌های برنزی و ظروف ابتدایی نگه‌دارنده مواد غذایی به کار می‌رفت.

آبکاری فلزات با لایه‌ای از قلع باعث بهبود لحیم‌پذیری و رسانش آن می‌شود. همچنین مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش می‌دهد و ظاهر بهتری به آن می‌بخشد. از آن‌جا که رسانای خوب الکتریسیته نیز هست در آبکاری قطعاتی به کار می‌رود که در معرض گذر جریان الکتریکی هستند.

برای شروع آبکاری قلع، پیش از هرکاری باید سطح قطعه را تمیز کنیم تا از هرگونه آلودگی و ناخالصی عاری شود. سپس توسط فرآيند آبکاری الکتریکی قلع لایه‌ای از فلز روی قطعه نشانده می‌شود که در آن قطعه را در محلولی حاوی یون‌های قلع غوطه‌ور می‌کنیم. از این محلول جریان الکتریکی عبور می‌کند که باعث نشاندن لایه‌ای از قلع روی سطح قطعه می‌شود. ضخامت لایه قلع بستگی به مدت زمانی دارد که فلز در محلول آبکاری باقی می‌ماند.

آبکاری رودیم

رودیم نوعی پلاتین، به رنگ سفید براق است که از خود ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خراش را به نمایش می‌گذارد. از این نوع آبکاری به‌طور معمول در تولید جواهرات، به خصوص برای طلای سفید استفاده می‌شود. از دیگر فلزاتی که توسط رودیم آبکاری می‌شوند، می‌توان به مس، نقره و پلاتین اشاره کرد. در تصویر زیر حلقه‌ای را مشاهده می‌کنید که توسط رودیم آبکاری شده است.

ممکن است در طول زمان این آبکاری رنگ خود را از دست بدهد و نیاز به تکرار آن داشته باشیم.

آبکاری پلاستیک

آبکاری الکتریکی و آبکاری الکترولس برای لایه‌نشانی فلز روی قطعات پلاستیکی به کار می‌رود و از آن برای محافظت بیشتر استفاده می‌شود. همچنین می‌توان با این روش در پلاستیک‌ها که موادی نارسانا هستند، رسانایی ایجاد کرد. در بسیاری از صنایع از آبکاری پلاستیک برای بهبود ظاهر قطعه استفاده می‌شود زیرا به آن سطحی صاف می‌بخشد. از جمله پلاستیک‌هایی که برای آبکاری مناسب هستند می‌توان به «پلیمر ترموپلاستیک» (Thermoplastic Polymer) اشاره کرد که با گرم شدن، چکش‌خوار می‌شود.

«آکریلونیتریل بوتادی‌ان استایرن» (Acronitrile Butadiene Styrene) که به‌‌صورت مخفف با ABS نشان داده می‌شود، پلاستیکی است که بیشترین آبکاری روی آن انجام می‌شود. این پلاستیک، سخت، بادوام و مقرون به صرفه است و در برابر مواد شیمیایی نیز مقاومت دارد. در تصویر زیر ساختار این پلیمر را مشاهده می‌کنید.

از آنجا که این پلاستیک در برابر عوامل محیطی آسیب‌پذیر است و قدرت مکانیکی بالایی نیز ندارد، آبکاری آن باعث بهبود ویژگی‌ها می‌شود. برای تعیین چگونگی‌ آبکاری این پلاستیک آزمایش‌های متعددی به انجام رسیده است. در نهایت نیز از این فرآيند برای آبکاری پلاستیک‌های مشابه بهره برده می‌شود که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

فرآیند آبکاری پلاستیک

اصلی‌ترین نکته برای آب‌کاری پلاستیک آماده‌سازی آن است که در آن پلاستیک در محلول اسید کرومیک قرار داده می‌شود. به این فرآیند «اچینگ» یا «چاپ تیزابی» (Etching) گفته می‌شود که باعث افزایش چسبندگی پلاستیک می‌شود. سپس اسید مازاد را از محیط خارج می‌کنیم و پلاستیک را در معرض محلولی شامل نمک پالادیم و قلع قرار می‌دهیم تا قطعه برای آبکاری آماده شود. این آبکاری الکترولس انجام می‌شود و در آن از مس یا نیکل بهره می‌بریم. در این صورت محلول نمک پالادیم و قلع نقش کاتالیزور فرآیند را بازی می‌کنند. بعد از اتمام آبکاری الکترولس برای پایان کار می‌توان آن را تحت آبکاری الکتریکی قرار داد.

مزایای آبکاری پلاستیک

آبکاری پلاستیک با فلز و لایه‌نشانی آن مزیت‌های بسیاری دارد که در فهرست زیر به برخی از آن‌ها اشاره کرده‌ایم.

• ایجاد مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی
• افزودن ویژگی رسانایی
• افزایش استحکام
• ایجاد مقاومت در برابر سایش
• محافظت در برابر «تداخل الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Interference) و «تداخل فرکانس رادیویی» (Radio Frequncy Interference)

کاربرد آبکاری فلزات

پوشش‌دهی تجاری تزئینی برای اشیایی به کار می‌رود که به‌صورت روزمره استفاده می‌شوند و باعث بهبود ظاهر و قدرت آن‌ها می‌شود. بسیاری از پوشش‌دهی‌های تجاری روی وسایلی مانند ظروف نقره‌ای و جواهرات به کار می‌روند. پوشش‌دهی صنعتی روی قطعات فلزی صورت می‌گیرد تا باعث بهبود مقاومت آن‌ها به‌طور کلی و در برابر سایش شود. در این صورت است که این قطعات می‌توانند تحت شرایط سخت دوام داشته باشند. آبکاری فلزات باعث افزایش محافظت و استحکام‌دهی به قطعات ماشین و کامیون‌ها می‌شود.

آبکاری فلزات همچنین توانایی بهبود لحیم‌پذیری و افزایش استحکام قطعات را نیز دارد تا آسیب‌های احتمالی از سایش‌ها را کاهش دهد. در ادامه می‌خواهیم برخی از مهم‌ترین کاربردهای آبکاری فلزات را به‌تفضیل بررسی کنیم.

کاربرد در هوافضا

بسیاری از قطعات هواپیما باید مورد آبکاری قرار بگیرند تا با کاهش سرعت خوردگی، طول عمرشان افزایش پیدا کند. از آن‌جا که این قطعات در معرص تغییرات دمایی شدید و عوامل محیطی دیگری قرار دارند، وجود لایه اضافی محافظتی بر آن‌ها واجب است.

آبکاری این قطعات از پارگی و سایش آن‌ها جلوگیر می‌کند. بسیاری از پیچ و مهره‌هایی که در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند تحت آبیاری کروم قرار می‌گیرند.

آبکاری قطعات خودرو

در صنایع خودروسازی، آبکاری بسیار رایج و پرکاربرد است. بسیاری از شرکت‌های خودروسازی بزرگ از آبکاری فلزات در تولید ضربه‌گیرهای کرومی و دیگر قطعات خودرو استفاده می‌کنند. همچنین آبکاری فلزات در تولید «خودروهای مفهومی» (Concept Vehicles)‌ نیز کاربرد وسیعی دارد. در این صنعت از آبکاری کروم و نیکل بیشترین استفاده را می‌کنند.

هنر و دکواسیون خانه

اشیایی «زیست تخریب‌پذیر» (Biodegradable) مانند شاخه درختان، گل‌ها و حتی حشره‌ها را می‌توان با آبکاری فلزات تبدیل به اشیایی با ماندگاری طولانی کرد که از آن‌ها در تزئینات خانه استفاده می‌شود. این موارد در صورت که تحت آبکاری قرار نگیرند طول عمر بسیار کوتاهی دارند. همچنین برخی از هنرمندان برای ساخت مجسمه نیز از آبکاری بهره می‌برند.

طراحان از پرینترهای سه‌بعدی برای تولید اجسام استفاده می‌کنند و سپس آن‌ها را توسط مس، نقره یا طلا آبکاری می‌کنند. با این روش هزینه نهایی نیز کاهش پیدا می‌کند.

صنعت جواهرسازی

یکی از مرتبط‌‌ترین صنایع به آبکاری، صنعت جواهرسازی است. صنعت‌گران این حوزه از آبکاری برای تقویت ماندگاری، جاذبه ظاهر و رنگ قطعات مختلف از جمله انگشتر، گوشواره و گردنبند استفاده می‌کنند.

بنابراین بسیاری از جواهراتی که در بازار عرضه می‌شوند به احتمال بسیار زیادی در فرآيند تولید خود تحت آبکاری قرار گرفته‌اند. با کمک آبکاری می‌توان رنگ‌های خاصی نیز به جواهرات بخشید. به‌طور مثال از آبکاری توسط مس و نقره در همراهی با طلا برای داشتن رنگ رزگلد استفاده می‌شود.

آب‌کاری در پزشکی و دندان پزشکی

فرآيند آبکاری فلزات برای افزایش مقاومت تمامی ابزارهای مورد استفاده در پزشکی و دندان‌‌پزشکی به کار گرفته می‌شود. تجهیراتی که مورد سایش دندان قرار دارند به‌طور معمول تحت آبکاری توسط طلا قرار می‌گیرند.

همچنین ایمپلنت‌هایی مانند مفاصل جایگزین نیز اغلب برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی، آبکاری می‌شوند. این آبکاری باعث می‌شود تا قطعاتی که در بدن کار گذاشته می‌شوند، سازگاری بیشتری نیز داشته باشند چون استریلیزه می‌شوند. ابزارهای مورد استفاده در جراحی نیز به‌طور منظم و متناوب تحت آبکاری قرار می‌گیرند.

تجهیزات نیروگاه

بسیاری از تجهیزات خورشیدی و الکتریکی برای بهبود رسانایی آبکاری می‌شوند. اتصالات سلول‌های خورشیدی و آنتن‌های متنوع به‌طور معمول در روند تولید آبکاری می‌شوند. همچنین سیم‌ها را می‌توان با انواع فلزهایی مانند نیکل و نقره تحت آبکاری الکتریکی قرار دارد.

در این مورد از آبکاری با طلا برای افزایش ماندگاری قطعات نیز بهره برده می‌شود. یکی از ویژگی‌های بارز طلا که کاربرد آن را در این زمینه افزایش می‌دهد، عدم واکنش آن با اکسیژن است.

تهیه نمونه اولیه

تهیه نمونه اولیه و آزمایشی به روش‌ سنتی، بسیار پرهزینه و زمان‌بر است. به همین دلیل مهندسان از پرینتر سه‌بعدی بهره می‌برند. سپس قطعات به وجود آمده در این فرآيند تحت آبکاری فلزات قرار می‌گیرد.

تهیه محصولات رادیو فرکانسی و مایکروویوی

آنتن‌هایی که امواج رادیویی را منتشر می‌کنند، باید رسانای الکتریکی باشند. با این حال قطعاتی که توسط پرینتر سه‌بعدی تولید می‌شوند، فاقد این ویژگی هستند اما به دلیل آزادی عمل در طراحی و ویژگی‌های مکانیکی و گرمایی مناسب این مواد، همچنان از آن‌ها استفاده می‌شود. بنابراین برای افزایش کارآیی این روش آن را با آبکاری فلزات همراه می‌کند. نتیجه به دست آوردن آنتن‌هایی است که می‌توان از آن‌ها در صنایع دفاعی، تحقیقات، پزشکی و خودروسازی استفاده کرد.

مزایای آبکاری

آبکاری فلزات مزایای بسیاری دارد که شامل بهبود استحکام، رسانایی و افزایش طول عمر قطعات می‌شود. تولیدکنندگان، هنرمندان و مهندسان با توجه به کاربردی که قطعه آبکاری دارد، ممکن است یکی از این مزیت‌ها را بر دیگری ترجیح دهند. برای مثال مهندسان از آبکاری فلزات برای افزایش ماندگاری و استحکام بهره می‌برند.

استحکام کششی قطعات مختلف با نشاندن لایه‌ای از فلزاتی مانند نیکل و مس افزایش پیدا می‌کند. همچنین داشتن لایه‌ای از فلز روی سطح قطعه، آن را در برابر عوامل محیطی مانند تابش اشعه فرابنفش، مواد شیمیایی و خوردگی مقاومت‌تر می‌کند.

هنرمندان از آبکاری فلزات برای نگهداری از اشیایی استفاده می‌کنند که تخریب‌پذیر هستند. برای مثال آن‌ها برگ درخت را آبکاری و آن را تبدیل به اثری هنری با ماندگاری بالا می‌کنند.

همچنین در علم پزشکی از آبکاری برای استریلزه کردن و افزایش مقاومت ایمپلنت‌ها در برابر خوردگی استفاده می‌شود. از دیگر مزایای آبکاری الکترولس این است که در آن نیازی به منبع الکتریسیته وجود ندارد. سطح حاصل از این روش هموار و یکنواخت است و می‌توان ضخامت لایه مورد نیاز را تعیین کرد.

معایب آبکاری

همان‌طور که مشاهده کردید این روش مزایای بسیاری دارد، اما می‌توان از معایب آن به خطرناک بودن فرآيند انجام آن اشاره کرد. افرادی که آبکاری فلزات را انجام می‌دهند در صورتی که موارد ایمنی را رعایت نکنند در معرض مسمومیت با کروم ۶ ظرفیتی قرار دارند. بنابراین باید در محیط آبکاری سیستم تهویه مناسبی وجود داشته باشد. به دلیل مشکلاتی که در آبکاری وجود دارد بسیاری از مهندسان خود به انجام این کار اقدام نمی‌کنند و از متخصصان این زمینه کمک می‌گیرند.

کتاب آبکاری فلزات

آبکاری فلزات به دلیل مزایایی که دارد در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد دارد و نیاز به داشتن منبعی جامع و موثق برای یادگیری و آموزش آبکاری فلزات وجود دارد. در این بخش می‌خواهیم به بررسی تعدادی کتاب بپردازیم که می‌توان برای اطلاعات بیشتر به آن‌ها مراجعه کرد.

کتاب Electroplating

در این کتاب ابتدا به بررسی مباحث تئوری آبکاری فلزات پرداخته می‌شود که برای کسب توانایی در انجام آبکاری مورد نیاز است. از این کتاب می‌توان به عنوان منبعی جامع و کامل برای یادگیری انواع روش‌های آبکاری فلزات استفاده کرد. چاپ اول این کتاب در سال ۲۰۰۵ میلادی و در ۳۵۴ صفحه در اختیار خوانندگان قرار گرفت. نویسنده این کتاب «ناصر کنعانی» (Nasser Kanani) دارای مدرک دکتری در فیزیک جامدات است.

کتاب Modern Elecroplating

تمرکز عمده این کتاب روی آبکاری الکتریکی و آبکاری الکتروشیمیایی در نانوتکنولوژی و مصارف پزشکی است. خواندن این کتاب اطلاعات بسار زیاد و ارزشمنده در اختیار افراد مبتدی و متخصص قرار می‌دهد. ویرایش پنجم این کتاب قطور در سال ۲۰۱۴ میلادی و در ۷۵۲ صفحه به چاپ رسید.

سوالات متدوال

حال که با آبکاری فلزات و انواع روش‌های آن آشنا شدیم، می‌خواهیم به برخی از مهم‌ترین سوال‌ها پیرامون آن پاسخ دهیم.

آبکاری الکتریکی چیست؟

آبکاری الکتریکی روشی است که در آن به کمک جریان الکتریسیته، لایه‌ای از یون‌های فلزی روی سطح بستر مورد نظر نشانده می‌شود.

آبکاری الکترولس چیست؟

آبکاری الکترولس روشی است که در آن بدون استفاده از الکترودها، لایه‌های فلزی روی سطح مورد نظر نشانده می‌شوند.

تفاوت آبکاری الکتریکی و آبکاری الکترولس چیست؟

مهم‌ترین تفاوت این دو روش آبکاری فلزات، حضور جریان الکتریسیته در آبکاری الکتریکی است که در آبکاری الکترولس وجود ندارد.

تفاوت شکل‌دهی الکتریکی و آبکاری الکتریکی چیست؟

تفاوت عمده این دو روش این است که در شکل‌دهی الکتریکی از قالبی استفاده می‌شود که بعد از انجام فرآيند آن را از قطعه جدا می‌کنند. این قالب در آبکاری الکتریکی حضور ندارد.

آبکاری غوطه‌وری چیست؟

در روش آبکاری غوطه‌وری لایه‌ای از فلزات نجیب‌تر روی سطح فلز دیگری نشانده می‌شوند. این کار توسط غوطه‌ور کردن قطعه در محلول یونی فلز نجیب‌تر طی یک واکنش جانشینی صورت می‌گیرد.

از چه فلزهایی در آبکاری برای لایه‌نشانی استفاده می‌شود؟

در آبکاری فلزات، از فلزهای متعددی استفاده می‌شود که از مهم‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها می‌توان به نیکل، مس، نقره، طلا و کروم اشاره کرد.

از آبکاری در چه زمینه‌هایی استفاده می‌شود؟

آبکاری فلزات به دلیل مزایای بسیاری که دارد در زمینه‌های مختلفی مانند هوافضا، قطعات خودرو، صنعت جواهرسازی، هنر و دکواسیون خانه و پزشکی و دندان پزشکی کاربرد دارد.

مزایای آبکاری فلزات چیست؟

از جمله مزایای آبکاری فلزات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• ایجاد مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی
• افزودن ویژگی رسانایی
• افزایش استحکام
• ایجاد مقاومت در برابر سایش

جمع‌بندی

هدف از این مطلب مجله فرادرس بررسی آموزش آبکاری فلزات برای افزایش ماندگاری و ارتقای ویژگی‌های آن‌ها بود. در ادامه به روش‌های متفاوتی پرداختیم که برای آبکاری به کار گرفته می‌شوند. همچنین انواع فلزاتی که در آبکاری وجود دارند را نیز معرفی کردیم.