آبکاری کروم سخت چیست؟

مقدمه

سابقه آبکاری الکترو شیمیائی پوششهای سخت به حدود ٦٠ سال می رسد. در خلال این مدت اهمیت این فرآیند روز بروز بیشتر شده و موارد کاربرد آن نیز گسترش فراوان یافته است. یکی از انواع پوششهای سخت که امروزه بیشترین کاربرد را بخود اختصاص داده پوشش کرم سخت می باشد. و همانطور که مفصلاً در ذیل توضیح داده می شود این پوشش دارای خواص متعددی می باشد از جمله آنکه دارای چسبندگی محکم با اکثر فلزات بوده و همچنین دارای انرژی سطحی پائین می باشد از این جهت بر روی قطعات متحرک مانند قطعات، موتورها پمپ،ها، کمپرسورها دستگاههای هیدرولیکی و پرسها بکار می رود. از طرف دیگر این پوشش دارای مقاومت خوردگی بسیار خوبی می باشد و به همین دلیل بر روی وسایل و لوازم عمومی کاربرد وسیعی دارد از خواص دیگر آن میتوان نسبتا سرد بودن این فرآیند را نام برد و بدین منظور میتوان از این پوشش برای قطعات ظریف و حساس بدون ترس از تغییر شکل استفاده نمود در مجموع میتوان پوشش کرم سخت را یکی از روشهای آسان سخت کردن سطحی قطعات صنعتی دانست.

لازم به تذکر است که این کتاب ترجمه ۵ فصل از کتاب HARD CHROMIUM PLATING نوشته J.D.GREENWOOD می باشد.

خواص کرم سخت

کرم فلزی سخت و ترد ،است رنگ آن سفید مایل به خاکستری میباشد این فلز پس از پرداخت کاملاً شفاف و براق شده و بصورت آبی کمرنگ بنظر میرسد

خواص کرم در حالت فلزی بشرح زیر میباشد:

وزن اتمی	01/52
عدد اتمی	24
نقطه ذوب	1805درجه سانتیگراد
ضریب انبساط	-6 10 *1/8
مقاومت	۱۳ میکرو اهم بر سانتیمتر مکعب
ساختمان کریستالی	bcc
پارامتر شبکه	8/2 آنگستروم
هدایت حرارتی	OC * سانتی متر مكعب * ثانيه / گالری 165/0 در oc 18
خواص مغناطیسی	پارامغناطیس
مدول یانگ	6 10 × ۱۵ پوند بر اینچ مربع  (بصورت پوشش)

5 خواص اصلی پوشش کرم سخت:

1. سختی و مقاومت در مقابل سایش
2. مقاومت در مقابل خوردگی و حرارت
3. ضریب اصطکاک پائین و عدم چسبندگی با مواد
4. خواص ظاهری و تزئینی
5. خواص پارا مغناطیسی

۱-۱- سختی و مقاومت در مقابل سایش

سختی بسیار بالای پوشش الکترو شیمیائی کرم موجب گردیده که در صنعت از این پوشش بعنوان پوشش کرم سخت نام برده شود سختی متوسط این پوشش برابر با ۱۰۰۰ – ۸۵۰ ويكرز ( V.P.N) که معادل با ۷۰ راكول C یا ۸۰۰ برینل میباشد.

البته ارقام فوق چندان که تصور می­شود آسان بدست نیامده اند زیرا سختی بر اساس مقاومت پوشش در مقابل نفوذ پذیری اجسامی مانند، الماس گلوله و غیره محاسبه میشود و در این مورد عواملی که بر روی دقت عمل در تعیین سختی موثر میباشند عبارتند از:

۱ ) نوع و شکل جسم نفوذ کننده

2) اثر اصطکاک، الاستیسیته و غیره

3) ضخامت پوشش

از آنجا که برای تعیین دقیق سختی پوشش کرم بایستی بطریقی عمل نمود که در فلز زمینه هیچگونه تغییر فرمی حاصل نشود بنابراین با استفاده از دستگاههای سختی سنج معمولی و اعمال نیروهای وزن معمولی نمیتوان سختی پوشش کرم را اندازه گیری نمود. از این جهت در عمل سختی پوشش کرم را توسط متد ویکرز و با دستگاه مخصوصی بنام دستگاه سختی سنج Firth vickers شکل (۱) و یا دستگاههای مشابه آن، با اعمال حداقل نیروی وزن ممکن مثلا نیرویی در حدود ۱ کیلوگرم اندازه گیری مینمایند و برای اینکار ضخامت پوشش نیز بایستی بحدی باشد که هیچ تغییر فرمی در فلز زمینه ایجاد نگردد. برای این منظور حداقل ضخامت لازم 125/0 میلیمتر میباشد که البته بهتر است 25/0 میلیمتر در نظر گرفته شود، قابل ذکر است که این آزمایش با اعمال نیروی وزن ۱ تا ۲ کیلوگرم نیز نتایج رضایتبخش ارائه میدهد مشروط بر آنکه نتیجه نهائی، سختی میانگین ۳ مرتبه آزمایش باشد.

شکل ۱- اندازه گیری سختی توسط دستگاه فرس ویکرز

از طرف دیگر سختی پوشش تحت تأثیر شرایط موجود در وان آبکاری نیز میباشد که در این مورد عوامل موثر عبارتند از:

الف) دانسیته جریان و درجه حرارت

افراد زیادی اثر این دو عامل را بر روی سختی پوشش مورد مطالعه قرار داده اند حاصل این تجربیات نشان میدهد که سختی بالای پوشش یعنی حدود ۱۰۰۰ – ۹۰۰ ویکرز در دانسیته جریان و درجه حرارت مشخصی بدست نمی آید. بلکه در محدوده ای از درجه حرارت و دانسیته جریان حاصل میشود. برای بهتر مشخص شدن مطلب میتوان به منحنی شکل ۲- توجه نمود. همانطور که در این شکل مشاهده میشود تحت شرایط استاندارد یعنی در دانسیته جریان ۳۰-۲۷ آمپر بر دسیمتر مربع و در درجه حرارت ^OC ٥٢-٥٠، سختی در محدوده ۱۰۰۰ – ۹۰۰ ویکرز میباشد. حال طبق منحنی همین مقدار سختی در درجه حرارت ^OC 30-40 نیز بدست میآید مشروط بر آنکه دانسیته جریان ۱۰ آمپر بر دسیمتر مربع باشد. همچنین دیده میشود که سختی مشابه مقدار فوق در محدوده درجه حرارت ^OC ٦٠-٥٥ و دانسیته جریان بین ٦٠-٣٠ آمپر بر دسیمتر مربع نیز حاصل میشود.

شکل 2- نمودار سختی به عنوان تابعی از دانسیته جریان و درجه حرارت

1 A/ft² =0/12 A/dm²

البته تغييرات دانسیته جریان و درجه حرارت تنها بر روی سرعت نشستن پوشش اثر می گذارد چنانکه این سرعت در شرایط استاندارد ۱۲ میکرون بر ساعت بوده که در دانسیته جریان ۱۰ آمپر بر دسیمتر مربع به ٦ میکرون بر ساعت کاهش یافته و در دانسیته جریانهای بالاتر به حدود ٤۰-۲٥ میکرون بر ساعت افزایش می یابد.

از نقطه نظر عملی وجود این تغییرات امکان تغییر شرایط پوشش دادن را در مواقع ضروری بوجود می آورد. برای مثال هنگامیکه قطعاتی با ابعاد بزرگتر به کارگاه آبکاری برسد با توجه به نکات گفته شده بالا میتوان درجه حرارت وان را از حالت استاندارد پائین تر آورده و عمل آبکاری را در دانسیته جریانهای پائین بر روی این قطعات انجام داد در این صورت فقط سرعت آبکاری کاهش می یابد. حال با ثابت بودن دانسیته جریان در مقدار استاندارد آن به بررسی اثر تغییرات درجه حرارت بر روی سختی پوشش میپردازیم در این صورت مشاهده میشود که با کاهش درجه حرارت وان آبکاری، پوشش شفافیت خود را از دست داده سربی رنگ شده و سختی آن نیز کاهش مییابد مثلا اگر درجه حرارت وان از حالت استاندارد ^oc 50-52 به حدود ^oc 27برسد سختی پوشش طبق منحنی بالا به ۸۵۰ ویکرز کاهش مییابد حال اگر درجه حرارت وان آبکاری با ثابت بودن دانسیته جریان افزایش یابد پوشش شیری رنگ شده و از سختی آن نیز کاسته میشود. برای مثال اگر درجه حرارت به حدود ^oc 70 افزایش یابد سختی طبق منحنی به حدود ٦٠٠ ویکرز کاهش مییابد.

ب) غلظت های اسید سولفوریک و اسید کرمیک

معمولا نسبت غلظت های دو اسید ۱ : ۱۰۰ میباشد که در این نسبت غلظت اسید کرمیک ۲۵۰ و غلظت اسید سولفوریک 5/2 میباشد حال اگر غلظت اسید کرمیک از این مقدار بیشتر شود سختی پوشش بطور جزئی کاهش خواهد یافت همچنین افزایش غلظت اسید سولفوریک نیز باعث کاهش سختی پوشش میشود که در این صورت برای جبران افت سختی بایستی به موازات افزایش غلظت اسید سولفوریک دانسیته جریان را نیز افزایش داد.

ج) مقدار کرم ۳ ظرفیتی

به منظور ثابت نگهداشتن سختی بایستی مقدار کرم ۳ ظرفیتی در محلول در محدود ۲۵-۳ گرم بر لیتر باشد و مقادیر خارج از این محدوده سختی پوشش را کاهش خواهد داد.

د) اثر آنیونها و کاتیونهای دیگر

وجود مقادیر زیاد از آنیونهایی چون کلر برم و فلوئور همان اثر سولفات اضافی را داشته و باعث کاهش سختی میگردد. همچنین وجود مقادیر قابل توجهی از کاتیونهایی چون سدیم کادیوم، نیکل، آهن و مس باعث افزایش سختی میگردد ولی مقدار بیش از اندازه آنها باعث افت سختی میشود

بر اساس آنچه که تاکنون ذکر گردید پوشش الکترو شیمیائی کرم فوق العاده سخت میباشد این سختی بسیار بالا عمدتا به ساختمان کریستالی فلز پوشش بستگی دارد که البته این ساختمان کریستالی نیز تحت تأثیر شرایط آبکاری میباشد. ضمناً در این مورد اهمیت میزان پرداخت فلز زمینه را نیز نباید فراموش کرد. بررسیهای انجام گرفته توسط اشعه X نشان میدهد که پوشش الکتروشیمیایی کرم دارای ساختمان b.c.c با پارامتر شبکه 86/2 آنگستروم میباشد.

بدون شک در این مورد ریزی بیش از اندازه دانه ها و وجود جهت خاص و مطلوب کریستالی در تمام لایه پوشش در سختی فوق العاده زیاد آن نقش اساسی دارد. مقاومت سایشی پوشش کرم سخت بخاطر بالا بودن سختی و پائین بودن انرژی سطحی آن بسیار خوب میباشد و گفتنی است که تحت شرایط یکسان ، عمر قطعات دارای پوشش کرم سخت ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از عمر قطعات بدون پوشش میباشد.

۱-۲- مقاومت در برابر خوردگی و حرارت

پوشش کرم سخت در مقیاس وسیعی برای جلوگیری از خوردگی فلز زمینه در محیط های مختلف شیمیایی بکار میرود کیفیت حفاظتی پوشش به چند عامل بستگی دارد که بعنوان مهمترین آنها میتوان از دانه بندی خیلی ریز فلز پوشش و مقاومت آن در برابر عوامل اکسید کننده و احیاء کننده و همچنین مقاومت آن در درجه حرارتهای بالا را نام برد.

از آنجا که پوشش کرم بر سطح فولاد شرایط گالوانیک را بوجود میآورد که در آن پوشش کرم نسبت به فولاد کاتدی میباشد در نتیجه این پوشش بایستی بدون خلل و فرج و عاری از هرگونه ترک باشد. بدین خاطر پوششهای مات (با ترک کمتر) که توسط محلولهای استاندارد بدست می آید بهتر در مقابل خوردگی مقاومت مینماید. و در این رابطه پوششهای تولید شده محلول R.H.S. S مناسبتر بوده و پوشش حاصل از محلولهایی تحت عنوان محلول عاری از ترک نیز بسیار عالی میباشد. در جداول ٤،٣،٢،١ چگونگی مقاومت پوشش کرم در مقابل حملات عوامل اکسید کننده ی احیا کننده و مواد شیمیایی مختلف آورده شده است ولی بایستی توجه نمود که چگونگی فلز زمینه از جهت پرداخت و پولیش و ضخامت پوشش و یکنواختی آن نیز بر روی مقاومت خوردگی پوشش موثر میباشد.

اسیدهای معدنی
نوع اسید	مقاومت پوشش کرم
آرسینک	نسبتاً خوب
کلریک	سریعاً خورده می شود
کرمیک	نسبتاً خوب
هیدرویدیک	نسبتاً خوب
هیدروبرمیک	خورده میشود
هیدروکلریک	سریعاً خورده می شود
نیتریک	به آرامی خورده می شود
پرکلریک	خورده میشود
فسفریک	به آرامی خورده میشود
سولفوریک	نسبتاً خوب

اسیدهای آلی
نوع اسید	مقاومت پوشش کرم
استیک	به آرامی خورده میشود
سولفونیک	خوب
بنزوئیک	به آرامی خورده میشود
فرمیک	به آرامی خورده میشود
گلوکونیک	خوب
لاکتیک	به آرامی خورده می شود
مالونیک	به آرامی خورده می شود
ماندیک	خوب
مونوکلرواستیک	خوب
اولئیک	خوب
اگزالیک	خوب
پالمتیک	به آرامی خورده می شود
فتالیک	به آرامی خورده می شود
سالیسیلک	خوب
استیریک	خوب
ساکسینیت	به آرامی خورده می شود
تارتاریک	به آرامی خورده می شود
تری کلرواستیک	خورده میشود
اوریک	خوب

گاز ها
نوع گاز	مقاومت پوشش کرم
آمونیاک	خوب
دی اکسید کربن	خوب
منوکسید کربن	خوب
کلر	توسط گاز مربوط خورده میشود
سولفید هیدروژن	خوب
اکسیژن	خوب
منوکلرید گوگرد	خوب

موارد دیگر
موارد	مقاومت پوشش کرم
هوای معمولی	خوب
هوای اکسید کننده داغ	خوب
هوای احیا کننده داغ	خوب
هوای کارخانه های گازی	توسط گاز مربوط خورده میشود
جغندر قند	خوب
آب نمک (خنثی)	خوب
گاز زغال	خوب
سیانیدها به شکل مذاب	خوب
اسیدهای میوه	عموما خوب
شیشه (مذاب)	خوب
چسب – سرییش	خوب
شیر	خوب
روغن ها	خوب
نفت	خوب
جوهر چاپ	خوب
صمغ – رزین	خوب
صابون	خوب
بخار	خوب
قند و شکر	خوب
قير	خوب
آب شیرین	خوب
آب دریا	خوب

۱-۳ – ضخامت های توصیه شده جهت مقاومت در مقابل در مقابل خوردگی

آزمایشات زیادی به منظور تعیین ضخامت مورد نیاز پوشش جهت حفاظت در محیطهای مختلف انجام گرفته است این آزمایشات نشان میدهند که ضخامت ۱۰-۸ میکرون جهت حفاظت در محیط های با درجه خوردگی کم و ضخامت ۱۸-۱۳- میکرون برای حفاظت در برابر سایش و خوردگی آتمسفری و ضخامت ۷۵ -٥٠ ميكرون جهت حفاظت در مقابل محیطهای شیمیایی مناسب میباشند از نقطه نظر ترک در پوشش بهتر است که قطعات پوشش شده پس از خروج از وان آبکاری بهمان صورت و بدون عملیات پرداخت بعدی مورد استفاده قرار گیرند زیرا پرداخت پوش سبب افزایش درجه حرارت سطح می شود که تحت این شرایط در اثر نیروی اعمالی توسط هیدروژن جذب شده ترک هایی در این سطح پوشش ایجاد می شود که سبب کاهش مقاومت خوردگی آن می گردد.  بنابراین در یک ضخامت مساوی پوششهای پرداخت نشده بهتر از پوشهای پرداخت شده در مقابل محیطهای خورنده مقاومت می نمایند.

٤-١ – مقاومت در مقابل حرارت

پوشش کرم سخت در مقابل حرارت بخوبی مقاومت می نماید یکی از اثرات عمومی حرارت نرم شدن فلز می باشد که در این مورد سختی پوشش در محدوده درجه حرارت تا ^oc ٤٠0 بطور جزئی کاهش می یابد ولی بالاتر از این درجه حرارت، سختی بطور مستمر کاهش می یابد (در^oc ۷۰۰ سختی به ٤٥٠ ویکرز میرسد) و در ^oc ۱۲۰۰ سختی پوشش کاهش یافته به سختی کرم خالص ( در حدود ۳۰۰ ویکرز ) می رسد. حرارت همچنین بر روی خواص مکانیکی اثر میگذارد مثلاً مدول الاسيستيه بطور یکنواخت با افزایش

درجه حرارت تا^oc ٤٠٠ کاهش یافته ولی با افزایش بیشتر درجه حرارت تا ^oc ۱۲۰۰ افزایش می یابد.

با آنچه که در بالا گفته شد تعجب آور نیست که دیده شود مقاومت در برابر سایش پوشش تا درجه حرارت ^oc ٤٠٠ به کندی و بالاتر از این درجه حرارت به سرعت کاهش می یابد. این موضوع هم در شرایط خشک و هم در شرایط روغنکاری شده مورد بررسی قرار گرفته و نتایج مشابهی حاصل شده است.

٥-١ – ضریب اصطکاک پائین

یکی از خواص مهم پوشش کرم سخت، پایین بودن انرژی سطحی این پوشش می باشد و همانطوری که در شکل ۳- نشان داده شده است از بین فلزات مورد استفاده در صنعت، کرم سخت دارای کمترین ضریب اصطکاک می باشد به همین دلیل این پوشش موارد استعمال وسیعی در صنعت دارد.

از طرف دیگر همانطور که قبلاً نیز گفته شد پوشش کرم سخت قابل پرداخت به سطحی کاملا براق می باشد. که این خاصیت برای وسایلی چون میله های پیستون هیدرولیکی، قالبهای پلاستیک، دستگاه های مواد غذایی و غیره که در آنها استفاده از پوششی که از چسبندگی مواد به سطوح تحت کار جلوگیری نماید ضروری بوده، بسیار مفید است ولی از آنجا که سطح پوشش کرم سخت توسط روغن مرطوب نمی شود این امر می تواند برای بعضی از کابردهای مهندسی مضر باشد. به عنوان مثال در این زمینه می توان از سیلندر موتور احتراق داخلی با پوشش کرم سخت پرداخت شده نام برد در این مثال رینگهای پاک کننده پیستون ها همه روغن را در حرکت به سمت پایین با خود برده و سطح خشکی برای بازگشت باقی می گذارد. البته این مشکل را به آسانی می توان توسط ایجاد حفره هایی در سطح پوشش کرم برای نگه داشتن روغن رفع نمود که از آن جمله استفاده از روشی بنام van derhorst می باشد که توسط این روش پس از آبکاری بر روی پوشش عمل اچ انجام می شود که این اچ باعث بزرگتر شدن ترکهای سطحی و پوشش و در نتیجه خلل و فرج دار شدن آن می گردد. همچنین جهت ایجاد حفره های نگهدارنده روغن می توان از روش ساچمه زنی بر روی سطح کرم استفاده کرد. این مشکل نیز با وجود خواص برجسته ضد اصطکاکی کرم و مواد ضد سایش مختلفی که پوشش کرم در برابر آنها مقاومت سایشی خوبی از خود نشان می دهد از اهمیت کمی برخوردار است. عموماً مناسبترین این مواد بابیت، برنزهای، سربی، چدن ها، فولادهای نرم و فولادهایی با سختی متوسط می باشند. نئوپرن و PTFE از جمله مواد بسیار مناسب هستند البته پوشش کرم سخت در مقابل آلومینیوم و یا بطور کلی آلیاژهای سبک و همچنین در برابر خودش خوب عمل نمی کند.

٦-١- ممانعت از چسبندگی

عموماً مایعات و جامدات به آسانی بر سطح پوشش کرم نمی چسبند و فرآورده کار نیز بسادگی از سطح آن قابل جدا شدن می باشد به همین دلیل پوشش کرم تمیز و براق مانده و در نتیجه بیشتر دوام می آورد. از این جهت پوشش کرم سخت در صنعت کاربردهای بسیاری از جمله در قالبهای پلاستیک، ماشین آلات مواد غذایی، قالبهای بیسکویت، غلطک های جوهر ریزی در چاپ و غلطک های خشک کننده دارد.

۱-۷- سطوح کاملاً چسبان در حالت استاتیک

هنگامیکه سطوح قطعات در حالت استاتیک در تماس کاملاً چسبان با یکدیگر و تحت تاثیر تنش های متناوب قرار داشته باشند در معرض خوردگی خراشیدگی خواهند بود در این صورت ترکیبات قهوه ای رنگ حاصل از خوردگی در سطح تماس مشاهده می شود. جهت مقاوم نمودن سطوح قطعات در مقابل این نوع فرسایش و خوردگی از پوششهای سخت نیز می توان استفاده کرد برای این منظور پوشش نیکل مناسب می باشد ، البته در موارد زیادی پوشش کرم سخت نیز توانسته است با موفقیت مورد استفاده قرار گیرد.

۱-۸- خواص ظاهری و تزئینی

پوشش کرم ظاهری جذاب و زیبا داشته و بدین جهت از این پوشش می توان در موارد زیادی به عنوان یک پوشش تزئینی مناسب استفاده کرد. ولی از آنجا که پوشش های تزئینی توانایی لازم را در مقابل سایش و فرسایش ندارند نمیتوان از آنها در پاره ای از موارد صنعتی استفاده نمود.  برای رفع این مسئله می توان پوشش های نازک کرم سخت با ضخامت ۵۰-۷/۵ میکرون را به چند روش پرداخت نمود تا ضمن داشتن ظاهری جالب توجه دارای خواصی چون مقاومت در مقابل خوردگی و سایش نیز باشند.

این روشهای پرداخت عبارت اند از: -۱ پرداخت آینه وار ۲ – پرداخت خوب صیقلی داده شده ۳- پوشش براق (به همان صورت که از وان بیرون آمده) 4 – پرداخت اطلسی (زرق و برق دار) 5 – پرداخت تیره .

 این روش ها توسط متدهایی از آماده سازی فلز اصلی، تکنیکهای اچ و پرداخت نهایی بدست می آیند که همه آنها مفصلاً در بخشهای بعدی توضیح داده می شود. بطور خلاصه پرداخت آینه وار توسط پولیش فلز زمینه در قبل و بعد از آبکاری قابل حصول است پرداخت خوب پولیش شده توسط پولیش جزئی کمتر از پولیش استاندارد بدست می آید.

حالت براق (به همان صورت که از وان آبکاری بیرون آمده) در اثر آبکاری کرم بر روی فلز زمینه تمیز صاف و صیقلی شده بدست می آید. پرداخت اطلسی ( زرق و برق دار) توسط عمل پرداخت سایشی یا عمل ساچمه پاشی خوب قبل از آبکاری و مجدداً پس از آن در صورت لزوم ایجاد می گردد. پرداخت تیره نیز توسط عمل ساچمه پاشی خشن تر و عمل اچ فلز زمینه قبل از عمل آبکاری بوجود می آید. از جهت تزئینی نیز بایستی گفته شود که پوشش کرم سخت نسبت به سایر پوششهای تزئینی برتری دارد. بخاطر آنکه چسبندگی آن بر سطح فلز زمینه بسیار عالی است و در این صورت حتی در اثر سایش نیز از سطح فلز زمینه کنده نمی شود در صورتیکه پوششهای تزئینی دیگر به محض سائیدگی پوسته پوسته شده و از سطح فلز زمینه کنده می شوند.

۱-۹- خواص پارا مغناطیسی

یکی دیگر از خواص پوشش کرم سخت خاصیت پارا مغناطیسی آن است و به همین دلیل از این پوشش به منظور غير مغناطیسی نمودن سطوح قطعات نیز می توان استفاده نمود به عنوان مثال سوهان معمولی با پوشش نازک کرم سخت را می توان نام برد این پوشش ضمن حفاظت سوهان از زنگ زدگی با دادن خاصیت غیر مغناطیسی به آن از چسبیدن ذرات و براده های فولاد به دندانه های سوهان جلوگیری می کند که این عمل لزوم استفاده پیاپی از ورق سمباده جهت تمیز کردن سوهان را به حداقل می رساند و در نتیجه سوهان تمیزتر مانده و راندمان کار نیز افزایش می یابد.