نشریه پیام آبکار – بهار ۱۳۹۵

بررسي درصد يکنواختي پوشش طلا در درجه حرارت و دانسيته جريان ثابت و مقاومت خوردگي پوشش آن با آزمون خوردگي H2S بر روي رينگ آلياژ يوتکتيک Bi-45%wtPb

تهيه و تنظيم:

علي اكبر باباكوهي اشرفي

دانشجوي كارشناسي ارشد شناسايي و انتخاب مواد

دانشكده مهندسي مواد دانشگاه سمنان

علي حبيب الله زاده

دانشيار دانشكده مهندسي مواد- دانشگاه سمنان

حسين محمدي

کارشناس ارشد شناسايي و انتخاب مواد- دانشگاه صنعتي اميرکبير

بهروز قاسمي

استاديار دانشكده مهندسي مواد-دانشگاه سمنان

ابتدا نمونه هايي از جنس آلياژ يوتكتيك Bi-wt%45Pb و به شكل رينگ تهيه شدند و با كمك فرآيند آبكاري طلا-نقره-مس بر روي سطح آنان عمليات آبكاري انجام شد و سپس درصد يكنواختي پوشش طلا در دانسيته هاي جريان متفاومت در درجه حرارت ثابت60 درجه سانتيگراد و مدت زمان14 دقيقه با حداكثر ضخامت 14 ميکرون آبكاري طلا بررسي شد. در مرحله بعدي نمونه هاي رينگ در محدوده درجه حرارت20 الي70 درجه سانتيگراد با دانسيته جريان ثابت 0.7 Amp/dm2 در مدت زمان14 دقيقه ثابت با حداكثر ضخامت 14 ميکرون آبكاري طلا شدند. عامل درصد يكنواختي پوشش (ميزان توزيع پوشش طلا در واحد سطح كه باعث افزايش براقيت پوشش طلا شود) براي بررسي كيفيت پوشش طلا تعريف گرديد و نتايج درصد يكنواختي پوشش بر حسب دانسيته هاي جريان با ميكروسكوپ نوري مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج داده هاي حاصل از اين بررسي ها نشان دادند كه ماكزيمم يكنواختي پوشش در دانسيته جريان هاي (0.8-0.7) amp/dm2 و در درجه حرارت60 درجه سانتيگراد بدست مي‌آيد و با افزايش درصد يكنواختي پوشش طلا بر روي سطح، مقاومت خوردگي پوشش در محيط گازي H2S بالا مي رود.

تركيب اصلي آلياژهاي يوتكتيك فلزBi مي باشد كه فلزي با دانسيته بالا و با دانه بندي درشت است.آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb با علامت بين الملي LOW 255 داراي نقطه ذوب مي باشد. دانسيته آن تقريباً برابر با است.[1] براي افزايش مقاومت به خوردگي اين آلياژها در مقابل عوامل خورنده محيطي از پوشش هاي محافظ استفاده مي گردد. تركيب هاي اصلي آلياژ يوتكتيك بيسموت و سرب مي باشد كه اين دو فلز نسبت به آلودگي هاي محيطي حساس مي باشند و همواره يك لايه اكسيدي ( و ) بر روي سطح آن تشكيل مي شود‌. [2] اين لايه هاي اكسيدي، شرايط اعمال پوشش هاي محافظ را بر روي سطح آلياژ بسيار مشكل مي سازد. بنابراين با يك عمليات مقدماتي آماده سازي سطحي، سطح آلياژ آماده آبكاري مي‌گردد. براي حذف چربي ها محلول هاي چربيگيري استفاده مي‌شود و سپس براي بر طرف نمودن اكسيدهايي سطحي كه به محض تماس اين آلياژ با محيط تشكيل مي شوند از يك مرحله اسيد شويي كمك گرفته مي شود. اين محلول عمليات اچ سطحي و برطرف نمودن اكسيدهاي آن را همزمان انجام مي دهد. بايد بعد از اسيد شويي، از پوشش واسطه اي براي ايجاد اتصال پوشش طلا بر روي رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb استفاده نمود. اين پوشش واسطه ، پوشش پيش مس سيانوري مي باشد. براي بالا رفتن ميزان چسبندگي و يكنواختي بهتر كيفيت بهتر پوشش طلا از يك لايه مياني ديگر استفاده گرديد و با اعمال يك لايه پوشش مياني سيانوري نقره بين پوشش مس و طلا، پوشش نهايي با كيفيت و براقيت بالا بدست آمد. براي ساخت تركيب حمام سيانوري طلا از طلاي خالص، اسيد نيتريك، اسيد كلريدريك، آمونياك، كربنات سديم، سيانيد سديم، دي پتاسيم فسفات و كربنات سديم استفاده گرديد[3]. يكي از عوامل اصلي ايجاد پوشش براق در محلول هاي سيانوري آبكاري طلا درجه حرارت محلول مي باشد كه تاثير بسزايي در تشكيل رسوب يكنواخت بر روي سطح مي باشد. هر چه سطح از آماده سازي و صافي سطح بالايي برخوردار باشد ميزان يكنواختي پوشش و براقيت آن افزايش مي يابد. همچنين مي توان با تغيير دانسيته جريان مورفولوژي رسوب و يكنواختي توزيع آن را تحت كنترل در آورد. هدف از مطالعه حاضر بررسي درصد يكنواختي پوشش طلا با تغيير دانسيته جريان در درجه حرارت ثابت C°60 و در دانسيته جريان ثابتamp/dm2 0.7و ارتباط درصد يكنواختي پوشش با مقاومت خوردگي در محيط گازي H2S مي باشد. با كمك ميكروسكوپ نوري ارتباط يكنواختي پوشش طلا با درجه حرارت و دانسيته جريان، شكل رسوب طلا و مقاومت خوردگي آن در محيط گازي H2S مورد بررسي قرار گرفت. در اين تحقيق سعي شده است با كنترل درجه حرارت و دانسيته جريان اعمالي به محلول سيانوري طلا پوشش هاي يكنواخت، براق و با مقاومت خوردگي بالا تهيه شوند.

مواد و روش تحقيق

ابتدا 24 نمونه رينگ از جنس آلياژ يوتكتيك Bi-wt%45Pb (شكل1) تهيه شدند و با كمك فرآيند آبكاري طلا- نقره - مس بر روي سطح آنان عمليات آبكاري انجام شد. براي آبكاري طلا-نقره-مس بر روي رينگ هاي آلياژ يوتكتيك Bi-45wt%Pb ابتدا عمليات چربيگيري انجام شد. براي رفع چربي سطحي از محلول چربيگيري مخلوط اتانول و پر كلرات اتيلن (1:3) استفاده شد. سپس براي حذف سريع اكسيد هاي سطحي كه به محض تماس اين فلز با محيط تشكيل مي شوند يك محلول اسيدي شامل اسيدنيتريك، اسيد استيك و آب اكسيژنه (2:2:1) تهيه شد كه همزمان عمليات اچ سطحي و برطرف نمودن اكسيدها را انجام مي دهد. بعد از عمليات اسيد شويي، پوشش طلا بر روي سطح آلياژ اعمال گرديد. براي ساخت تركيب حمام سيانوري طلا از طلا خالص، اسيد نيتريك، اسيد كلريدريك، آمونياك، كربنات سديم، سيانيد سديم، دي پتاسيم فسفات و كربنات سديم استفاده گرديد. جنس آند مورد استفاده در محلول سيانوري گرم طلا، ورق فولادي از جنس فولاد ضد زنگ 301 مي باشد. از يك هيتر مگنت برقي براي هم زدن و گرم نمودن همزمان محلول طلا استفاده شد. با كمك يك ترمومتر الكتريكي با دقت ثبت تغييرات دمايي
C°0.01 ± ، دماي محلول اندازه گيري شد. محلول سيانوري طلا در داخل يك بشر يك ليتري تهيه گرديد. قطعات در داخل محلول طلا با كمك بك دستگاه مكانيكي به مجموعه قطعات گرفته شده در داخل محلول، يك حركت رفت و برگشتي داده شد. با كمك يك ركتي فاير ديجيتالي با تغيرات ولتاژي از صفر تا 2.8 ولت استفاده گرديد. با كمك اين ركتي فاير قابليت اعمال جريان به صورت 2 رقم اعشار به محلول و كنترل دقيق تر آن بر روي محلول سيانوري ايجاد شد. ابتدا 24 عدد رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb انتخاب شدند و سپس براي بررسي درصد يكنواختي پوشش طلا، دانسيته جريان هاي (amp/dm2 (0.1-1.25 تحت درجه حرارت 60 درجه سانتيگراد و مدت زمان آبكاري14 دقيقه با حداكثر ضخامت14 ميکرون براي تهيه پوشش طلا اعمال شدند. در مرحله بعدي10 نمونه ديگر از رينگ هاي مذكور در محدوده درجه حرارت 20 الي70 سانتيگراد با دانسيته جريان ثابت0.7amp/dm2 و مدت زمان آبكاري14 دقيقه باحداكثر ضخامت14 ميکرون آبكاري طلا شدند. در اين تحقيق عامل درصد يكنواختي پوشش (ميزان توزيع پوشش طلا در واحد سطح كه باعث افزايش براقيت پوشش طلا شود) براي بررسي كيفيت پوشش طلا تعريف گرديد و نتايج درصد يكنواختي پوشش بر حسب دانسيته هاي جريان و درجه حرارت هاي متفاوت با كمك ميكروسكوپ نوري مورد بررسي قرار گرفت. يكي از آزمايش هاي بررسي مقاومت به خوردگي پوشش طلا انجام آزمون خوردگي در محيط گازي دي سولفيد هيدروژن(H2S) مي باشد[4]. 7 نمونه رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb، تقريباً 2,4,6,8,10,12,16 ميكرومتر پوشش طلا و تقريباً 3 ميكرن پوشش پيش نقره و تقريباً 2 ميكرون پوشش پيش مس داده شدند. ضخامت هريك از نمونه ها بعد از اعمال پوشش طلا با كمك يك دستگاه ضخامت سنج ديجيتالي اندازه گيري شد. سپس هر يك از آنان در داخل محفظه حاوي گاز فوق گذاشته شد و به ازاي هر 6 ساعت مورد بازبيني ظاهري قرار گرفتند.

نتايج و بحث

الف) بررسي درصد يكنواختي و شكل پوشش طلا بر روي سطح رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb

براي بررسي درصد يكنواختي و شكل پوشش طلا بر روي سطح رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-45%wtPb، از دانسيته جريان هاي
amp/dm2 (0.1-1.25) در درجه حرارت ثابت استفاده شد(جدول1). با كمك اطلاعات موجود در جدول1، نمودار درصد يكنواختي پوشش طلا با دانسيته جريان در درجه حرارت ثابتC°60 بدست آمد.(شكل2)

به منظور درك بهتر ارتباط درصد يكنواختي پوشش طلا بر روي سطح رينگ تصاوير ميكروسكوپ نوري تهيه گرديد (شكل 3). تصاوير ميكروسكوپ نوري از لايه هاي طلا- نقره- مس در دانسيته جريان هاي به ترتيب(0.7-0.75)amp/dm2كه ماكزيمم يكنواختي پوشش در آن مشاهده شده تهيه گرديد (شكل4).

نتايج نشان مي دهد كه ماكزيمم يكنواختي پوشش در دانسيته جريان هاي (0.7-0.8)amp/dm2 بدست مي آيد.عوامل موثر يكنواختي پوشش طلا بر روي سطوح ميزان يكنواختي سطح، درجه حرارت و دانسيته جريان محلول آبكاري طلا مي باشند. هر چه سطح از آماده سازي و صافي سطح بالايي برخوردار باشد ميزان يكنواختي پوشش و براقيت آن افزايش مي يابد[3]. نتايج درصد يكنواختي پوشش طلا بر حسب دانسيته جريان در شكل(2) آمده است. مشاهده مي شود كه در ابتدا درصد يكنواختي پوشش با دانسيته جريان پائين، كم مي يابد. به تدريج با افزليش دانسيته جريان ميزان رسوب طلا و در نتيجه يكنواختي توزيع آن بر روي سطح رينگ افزايش مي يابد و با افزايش ميزان رسوب طلا، براقيت پوشش افزايش مي يابد. اين حالت ادامه پيدا مي نمايد تا جائيكه در يك محدوده دانسيته جريان(0.7-0.8 amp/dm2) درصد توزيع و يكنواختي پوشش به يك مقدار ثابتي مي رسد(شكل4) كه در اين محدوده دانسيته جريان، بيشترين براقيت بعد از پوشش دهي حاصل مي شود. با افزايش دانسيته جريان به بيشتر از اين مقدار دوباره درصد يكنواختي پوشش كاهش مي يابد و همچنين براقيت پوشش نهايي طلا، كاهش مي يابد كه اين تغييرا ت در شكل (3) نشان داده شده است. همانطوريكه در شكل(5) مشاهده مي‌شود به ترتيب از شكل هاي (a) الي (f) در دانسيته جريان هاي پايين، اندازه دانه رسوبات طلا ريز تر و توزيع آنان بر روي سطح يكنواخت تر مي باشد بطوريكه در دانسيته هاي بالاتر جريان به تدريج درصد توزيع افزايش مي يابد و بنابراين يكنواختي بيشتري از نشست رسوب طلا مشاهده مي شود. با افزايش دانسيته جريان ميزان رسوب طلا در بعضي مناطق بيشتر مي گردد و با درشت شدن دانه هاي رسوب طلا را به دنبال دارد و در نتيجه دوباره يكنواختي توزيع و براقيت پوشش طلا كاهش مي يابد.

علي رغم اينکه مي توان با افزايش زمان آبکاري ضخامت پوشش را افزايش داد ولي مورفولوژي و ساختار رسوب هاي حاصل از زمان هاي بالاي آبكاري، باعث تشكيل رسوب هايي دانه درشت و خشن مي شود و رسوب ها به صورت غير يکنواخت و تجمعي در نواحي خاص بر روي سطح رينگ آلياژ يوتكتيك Bi-wt%45Pb رسوب مي نمايند. در ضخامت هاي بالا رسوبات دانه درشت و خشن مي شوند.

ب) ارتباط تغييرات ضخامت پوشش طلا با درجه حرارت در دانسيته جريان ثابت 0.7amp/dm2 و زمان ثابت زمان آبكاري14 دقيقه با حداكثر ضخامت14µm.

در اين بخش ارتباط تغييرات ضخامت پوشش طلا با درجه حرارت در دانسيته جريان ثابت0.7 amp/dm2 و زمان ثابت آبكاري14minو با حداكثر ضخامت 14 ميکرون بررسي شد.10 نمونه رينگ آلياژ Bi-wt%45Pb انتخاب شدند و بعد از چربيگري و اسيد شويي درجه حرارت20 الي70 سانتيگراد با دانسيته جريان فوق آبكاري طلا شدند. آزمايشها نشان دادند كه با افزايش درجه حرارت20 الي70 سانتيگراد تغييرات ضخامت پوشش اعمالي متغيري را مشاهده مي شود.(شكل6). نتايج ارتباط تغييرات ضخامت پوشش طلا با درجه حرارت نشان دادند كه با افزايش درجه حرارت از20 الي70 سانتيگراد ضخامت پوشش ابتدا افزايش و سپس كاهش مي نمايد. با افزايش درجه حرارت، ضخامت رسوب طلا يك شيب صعودي را طي مي نمايد و اين افزايش ضخامت تا درجه حرارت60 سانتيگراد ادامه مي يابد، بطوريكه بالاترين ضخامت رسوب طلا (14 ميکرون) در اين درجه حرارت اندازه گيري شده است. با افزايش درجه حرارت منحني با كاهش ضخامت رسوب همراه مي باشد. با توجه به اينكه در اين آزمايش سعي شده است كه كليه شرايط فوق در ضمن پوشش دهي ثابت نگه داشته شود به نظر مي رسد كه عامل اصلي بروز اين پديده بالارفتن غلظت محلول در اثر تبخير سطحي آب محلول مي گردد. با توجه به رفتار محلول سيانوري طلا از درجه حرارت محيط تا درجه حرارت مي توان نتيجه گرفت كه بالاترين يكنواختي و راتدمان پوشش دهي در زمان ثابت در داخل محلول سيانوري طلا در اين درجه حرارت مي باشد و با افزايش درجه حرارت با گذشت زمان راندمان نشست رسوب پايين مي آيد و در نتيجه ضخامت رسوب طلا كاهش مي يابد.

ج) مقاومت خوردگي در محيط گازي دي سولفيد هيدروژن (H2S)

يكي از آزمايشهاي بررسي مقاومت خوردگي پوشش طلا، انجام آزمايش خوردگي در محيط گازي سولفيد هيدروژن(H2S)مي باشد.[4] بعد از قرارگيري7 نمونه رينگ آلياژ يوتكتيكBi-45%wtPb، در داخل محفظه حاوي گاز دي سولفيد هيدروژن(H2S) و بازبيني ظاهري به ازاي هر 6 ساعت مورد نشان دادند که با توجه به ضخامت پوششها، لكه هاي تيره رنگ بر روي سطح رينگ‌ها از 40 الي200 ساعت ظاهر مي شوند(شكل9). زمان شروع اولين خوردگي مشاهده رنگ تيره بعد از خورده شدن پوشش طلا مي باشد. با كمك ميكروسكوپ نوري تصويري از نمونه آبكاري شده با دانسيته جريان ثابت0.7 amp/dm2 و زمان آبكاري14 دقيقه تهيه شد. مطابق با شكل(8) مشاهده مي شود كه سطح پوشش از تخلخلهاي بسيار ريزي برخوردار مي باشد. آزمايش بررسي مقاومت به خوردگي پوشش طلا در محيط گازي دي سولفيد هيدروژن (H2S) نشان داد كه با افزايش زمان پوشش دهي طلا بر روي سطح رينگ آلياژ Bi-wt%45Pb ضخامت پوشش طلا افزايش مي يابد و با بالا رفتن ضخامت پوشش طلا، مقاومت به خوردگي در محيط گازي دي سولفيد هيدروژن (H2S) در يک دانسيته جريان ثابت0.7 amp/dm2 و زمان آبكاري 14دقيقه افزايش مي يابد(شکل7). لازم به ذكر است كه نتايج نشان دادند که تنها عامل افزايش مقاومت به خوردگي در مقابل گاز دي سولفيد هيدروژن(H2S)، افزايش ضخامت پوشش طلا نمي باشد بلكه ارتباط مستقيمي با تشکيل يکنواخت لايه طلا بر روي سطح دارد، يعني هر چه پوشش نهايي طلا به صورت يکنواخت تر بر روي سطح رينگ مورد نظر رسوب نمايد، زمان مقاومت خوردگي در اين آزمون افزايش مي يابد(شكل9). تصاويري ميكروسكوپي نشان دادند كه همواره بر روي سطح عدم يكنواختي پوشش سطحي مشاهده مي شود و سطح پوشش دهي طلا با تخلخل و حفره هاي سطحي همراه مي باشد(شكل7). با توجه به وجود اين مناطق در لايه هاي سطحي، نفوذ گاز دي سولفيد هيدروژن(H2S) آسان تر مي شود و بنابراين اين مناطق آسيب پذير تر مي باشند و سريع تر از مناطق ديگر شروع به خوردگي مي نمايند. نتايج آزمايش مقاومت خوردگي نيز وجود لكه هاي تيره رنگ در اينگونه مناطق را تائيد مي نمايد كه اين رنگ تيره به خاطر واكنش گوگرد گاز amp/dm2 با پوشش زير لايه طلا (پيش نقره) مي باشد(شكل8).

نتيجه گيري

مي توان با افزايش زمان پوشش دهي ضخامت پوشش طلا و در نتيجه مقدار وزني آن را افزايش داد ولي مورفولوژي و ساختار رسوب هاي حاصل دانه دانه و خشن مي باشند و رسوبها به صورت غير يکنواخت و دانه درشت بر روي سطح رينگ آلياژ Bi-wt%45Pb رسوب مي نمايد.

بيشترين يكنواختي و براقيت پوشش طلا در درجه حرارتC° 60 و دانسيته جريان0.7amp/dm2 حاصل مي شود.

زمان مقاومت به خوردگي با بالا رفتن ضخامت پوشش بر روي سطح رينگ آلياژ Bi-wt%45Pb، در يک دانسيته جريان ثابت0.7amp/dm2 و در درجه حرارتC° 60 افزايش مي يابد.

افزايش زمان پوشش دهي باعث ضخيم تر شدن پوشش طلا مي گردد و اين عامل زمان مقاومت خوردگي پوشش طلا را افزايش مي دهد.

برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید

کلیک کنید

نشریه پیام آبکار – بهار ۱۳۹۵

بررسي اثر pH ، دما و دانسيته جريان بر سرعت و بازده جريان پوشش دهي پالاديوم با استفاده از آبکاري الکتريکي

تهيه و تنظيم:

زينب تاداس

احمد ايران نژاد

گروه مهندسي مواد، خوردگي وحفاظت ازمواد

دانشگاه آزاداسلامي سيرجان

آبکاري پالاديوم در اتصالات مورد استفاده در مخابرات، حمل و نقل، مدارات چاپي و رايانه و بسياري از حوزه هاي نانوتکنولوژي مورد استفاده مي باشد. پالاديوم با قيمتي کمتر، دانسيته پائين تر، خواص مکانيکي بهتر، حفرات کمتر در آبکاري و در نتيجه خواص خوردگي بهتر جايگزين مناسبي براي فلز گران قيمت طلا مي باشد. در اين مَقاله از حمام آمونياکي با 6=pH خنثي و حمام قليايي با 12=pH استفاده شد. اين حمام ها شامل کلريد پلاديوم و نيترات آمونيوم بود. زيرلايه مورد استفاده نيز مس آماده سازي شده سنباده و پوليش شده بود. کليه پارامترهاي آبکاري شامل حمام آبکاري مناسب، دما، pH، دانسيته جريان اعمالي، پتانسيل و زمان مناسب به منظور بدست آوردن پوششي يکنواخت، براق و با کمترين تخلخل بهينه گرديدند.

فلز پالاديوم (Pd) توسط پزشک انگليسي W. H. Wollaston و با نام وي در سال 1803 درحالي کشف شد که او مشغول انجام آزمايشهايي روي جداسازي و خالص سازي پلاتين بود. دکتر Wollaston بعنوان يک دانشمند و ستاره شناس معروف نخست کشف خود را پس از شناسايي سيارک Ceres با نام سرزيوم نامگذاري نمود.

هرچند خيلي زود نظر خود را عوض کرد و نام اين فلز را به افتخار سيارک تازه کشف شده Pallas به پالاديوم تغيير داد. پالاديوم به رنگ سفيد نقرهاي است، از قابليت چکش خواري و شکل پذيري برخوردار بوده و ساختار بلورياش fcc (مکعبي با وجوه مرکز پر) است. پالاديوم داراي عدد اتمي 46 و جرم اتمي 106.4 gmol-1، چگالي 12.16 gcm-3، و نقطه ذوب 1555درجه سانتيگراد است.

بطور کلي، عناصر آلياژي قصد دارند مقاومت ويژه، سختي و استحکام کششي Pd را بهبود بخشند. مس، نيکل، طلا، ايريديوم، روديوم و روتنيوم براي توليد آلياژهاي Pd براي کاربردهاي عملي بسياري استفاده شدهاند. براي مثال، آلياژي از نقره (درصد وزني 60 به 40 براي Pd به Ag) عموماً در کنتاکتور رله هاي الکتريکي بکار ميرود [3-1]. آبکاري در حدود 4 تا 8 درصد کل مصرف پالاديوم در سطح جهان تشکيل مي دهد، پالاديوم يکي از مهم ترين فلزات براي کاربردهاي صنعتي، مانند الکتريکي و کاتاليستي به خاطر داشتن خواص سايشي بالا و قابليت لحيم کاري نرم و فعاليت هاي بالاي کاتاليستي براي واکنش هاي شيميايي مختلف مي باشد.

هزينه مصرف پالاديوم به همراه چگالي پايين تر آن صرفه جويي چشمگيري در جايگزيني طلا يا ساير فلزات گران بهايي همچون پلاتين را مهيا مي‌کند.

امروزه نه تنها مزيت هاي اقتصادي بلکه مزاياي فناوري جايگزيني پالاديوم يا آلياژهاي براي طلا شناخته شده است[7-5 ] امروزه نه تنها مزيتهاي اقتصادي بلکه مزاياي تکنولوژيک جايگزيني Pd يا آلياژهاي Pd براي طلا عموماً شناخته شده اند. خواص ماده (مثلاً سختي، داکتيليته و پايداري حرارتي) پالاديوم در بسياري از موارد از طلاي سخت برتر هستند.

براي مثال، سختي بيشتر براي مقاومت به سايش مفيد است، که مي توان آنرا با پوششي نازکي از طلاي آبکاري شده به عنوان يک روانساز جامد ارتقاء بخشيد. تخلخل کمتر آلياژهاي آبکاري شده Pd (مثلآً PdNi) مقاومت به خوردگي قطعات آبکاري شده را بهبود مي‌بخشد[8]. در کاربردهاي فناوري رسوب دهي فيلم‌هاي پالاديوم، تردي هيدروژني اهميت زيادي دارا مي‌باشد. بديهي است که اين فيلم‌ها بايد داراي يکپارچگي مکانيکي بوده و عاري از هرگونه ترک و تنش باشند.

از اين رو حذف يا جلوگيري از رسوب نشاني هيدروژن با پالاديوم مهم مي باشد. تردي هيدروژني يکي از مهم ترين چالش هاست ولي نتها چالش موجود که بايد در فرايند آبکاري پالاديوم ديده شود. پارامترهاي آبکاري الکتريکي مانند شرايط الکتروليز (ترکيب و هم زدن حمام الکتريکي، حضور مواد افزودني، دماي pH) شرايط جريان (مقدار دانسيته جريان و نوع جريان) و خواص ذره (نوع و اندازه شکل) خواص آبکاري الکتريکي و غيره، مورفولوژي و خواص پوشش‌هاي پالاديوم را تحت تاثير قرار مي دهند [12-9].

در اين پژوهش سعي شده، امکان سنجي پوشش پالاديوم و جايگزيني آن براي طلا بررسي گردد و همچنين شرايط بهينه آبکاري را مشخص شده است.

روش انجام آزمايش

در اين پژوهش با توجه به پيشينه مطالعات صورت گرفته شده، از حمام آمونياکي با محيط خنثي 6= pH و حمام قليايي با 12= pH مورد استفاده قرار گرفت.

اين حمام‌ها شامل mM PdCl2 100 و 30mM نيترات آمونيوم هستند استفاده گرديد. زيرلايه مورد استفاده براي پوشش پالاديوم از جنس مس بوده که براي آماده سازي و ايجاد پوششي براق و يکنواخت بر روي سطح اين فلز پايه ها ابتدا با سنباده 200 تا 3000 سنباده زده شده و سپس با ذرات آلومينايي مورد عمليات پوليش کاري قرار گرفت تا سطحي صاف و آيينه اي جهت آبکاري ايجاد گردد. لازم به ذکر است در اين پژوهش از روش ولتاموگرام چرخه اي گستره پتانسيل و جريان مناسب براي آبکاري پالاديوم تعيين گرديد.

براي مشخص کردن ساختارهاي شبکه پوشش‌ها اعمالي از آناليز پراش اشعه ايکس استفاده شد و همچنين از روش ميکرو سختي ويکرز با بار اعمالي 20 گرم به مدت 15 ثانيه در سطح، سختي اعمال شده ميانگين 5 نقطه توسط بار اعمالي بوده سختي پوشش ها بدست آمد.

نتايج و بحث

بررسي و بدست آوردن pH مناسب حمام آبکاري

در اين پژوهش براي انجام پوشش پالاديوم بر روي مس، از حمام هاي آبکاري با محيط هاي خنثي و قليايي استفاده شد که در اين بخش به بررسي و مقايسه اين دو محيط با يکديگر و همچنين بدست آوردن بهينه ترين شرايط پرداخته مي شود.

بررسي شرايط حمام آبکاري در pH خنثي

در شکل 1، منحني هاي ولتاموگرام چرخه اي با سرعت هاي متغير v/s 01/0، 02/0، 04/0 و 05/0 نشان داده شده است. همچنين به منظور بررسي دقيق تر اين شرايط و منحني هاي دانسيته جريان-پتانسيل دو نمودار ستوني دانسيته جريان و پتانسيل احياي پالاديوم در محلول آبکاري با pH خنثي برحسب سرعت اعمال پتانسيل به ترتيب در شکل هاي 2 و 3 نشان داده شده است.

همانگونه که مشاهده مي شود، با افزايش سرعت اعمال پتانسيل، دانسيته جريان احيايي افزايش مي‌يابد و پتانسيل احيا نيز به سمت مقادير منفي تر جابه جا مي شود. قله پتانسيل احيايي هنگامي رخ ميدهد که غلظت يون ها بر روي سطح صفر شود، گراديان غلظت حداکثر شود و در نتيجه ماکزيمم جريان احيايي ايجاد مي گردد.

بدين ترتيب با افزايش سرعت اعمال پتانسيل براي اين که غلظت يون‌ها بر روي سطح صفر شود و از نظر ترموديناميکي رسيدن يون‌ها از محلول به سطح الکترود کننده باشد و هرآنچه از يون‌ها که به سطح مي رسند احيا شوند نياز به نيروي محرکه بالاتر و در نتيجه پتانسيل بالاتري مي باشد.

در پتانسيل بالاتر دانسيته جريان بالاتري نيز ايجاد مي گردد براي بررسي و تحليل بيش تر، منحني ولتاموگرام درمنطقه آبکاري (احيايي) در سرعت پتانسيل Vs-1 05/0 شکل 4 نشان داده شده است، همانگونه در شکل 4 مشاهده مي شود اين منحني داراي يک منطقه نفوذي و منطقه احياي هيدروژن که با شماره‌هاي 1 و 2 نشان داده شده است.

در منطقه احياي پالاديوم مطابق با واکنش 1 انجام مي گردد. در اين منطقه پالاديم احيا مي شود و به صورت فلز بر روي سطح پوشش ايجاد مي گردد. در ادامه با منفي تر شدن پتانسيل در منطقه 2 احياي هيدروژن طبق واکنش 2 رخ مي دهد.

(1)

(2)

با توجه به امکان تصاعد هيدروژن در اين محدوده پتانسيل خطر تردي هيدروژني وجود دارد. بنابراين مي بايست شرايط آبکاري به گونه اي بهينه گردد که از نظر ولتاژ و جريان در محدوده آبکاري هم احياي يون پالاديوم را با نرخ و راندمان بالا داشته باشيم و هم احياي هيدروژن با نرخ پايين صورت بگيرد. کاهش احياي هيدروژن علاوه بر کاهش تردي باعث افزايش راندمان کاتدي مي گردد.

براين اساس باتوجه به منحني ولتاموگرام شکل حداقل دانسيته جريان mAcm-2 5/1 و حداکثر mAcm-2 3 مناسب مي باشد. با توجه به نتايج بدست آمده شرايط آبکاري در محدوده بالا انجام گرديد و در ادامه به بررسي راندمان کاتدي در شرايط بالا پرداخته شد که شرايط بهينه براي راندمان کاتدي نيز بدست آيد. در شکل 5 نمودار ستوني راندمان کاتدي نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه مي شود با افزايش جريان از
mAcm-2 5/1 به 2 راندمان کاتدي افزايش مي يابد.

علت اين امر افزايش جريان و افزايش نيروي محرکه جهت احياي يونهاي فلزي مي باشد که باعث مي گردد در زمان يکسان ميزان پوشش بيشتري بدست آيد. اما در ادامه با افزايش بيشتر جريان مشاهده مي شود راندمان کاتدي کاهش مي يابد، علت اين امر افزايش جريان و پتانسيل و رسيدن به منطقه احياي هم زمان هيدروژن مي باشد که باعث مي گردد بخشي از جريان صرف احياي هيدروژن شده و درنتيجه راندمان کاتدي کاهش مي يابد.

پس از جريان بيشتر از mAcm-2 2 خطر تردي هيدروژني رو به رو هستيم، براي کاهش اين خطر و افزايش راندمان کاتدي آبکاري در جريان کم‌تر از 2 انجام مي شود.

بررسي شرايط حمام آبکاري در pH قليايي

در شکل 6 منحني هاي ولتاموگرام چرخه اي با سرعت هاي متغير v/s 01/0، 02/0، 04/0 و 05/0 نشان داده شده است و همچنين به منظور بررسي دقيق تر در شکل هاي 7 و 8 اين شرايط و منحني هاي دانسيته جريان-پتانسيل دو نمودار ستوني دانسيته جريان و پتانسيل احياي پالاديوم در محلول آبکاري با pH قليايي برحسب سرعت اعمال نشان داده شده است.

در محلول آبکاري با pH قليايي نيز همچون شرايط آبکاري با pH خنثي، با افزايش سرعت اعمال پتانسيل دانسيته جريان احيايي افزايش مي يابد و پتانسيل احيا نيز به سمت مقادير منفي تر جابه جا مي شود. همانطور که گفته شد در مورد فلز پالاديوم با توجه به امکان تصاعد هيدروژن در اين محدوده پتانسيل خطر تردي هيدروژني وجود دارد. بنابراين مي بايست شرايط آبکاري به گونه اي بهينه گردد که از نظر ولتاژ و جريان در محدوده اي قرار گيريم که هم احياي يون فلز پالاديوم با نرخ بالا صورت گيرد و هم احياي هيدروژن حداقل باشد.

باتوجه به منحني ولتاموگرام در منطقه آبکاري (احيايي) يعني در محدوده جريان و پتانسيل منفي در سرعت اعمال پتانسيل Vs-1 05/0 با توجه به دو منطقه احيايي يون پالاديوم وهيدروژن حداقل دانسيته جريان بايد mAcm-2 2 و حداکثر mAcm-2 5 مناسب مي باشد (شکل 9) و همچنين مشخص است که راندمان کاتدي از mAcm-2 2 به 3 افزايش مي يابد و بعد ازآن کاهش مي يابد و در نتيجه از دانسيته جريان بيشتر از mAcm-2 3 شاهد تصاعد هيدروژن و خطر تردي هيدروژني روبه رو خواهيم بود و براي جلوگيري از اين امر از دانسيته جريان کمتر از 3 در فرآيند آبکاري استفاده خواهد شد (شکل 10).

مقايسه دو حمام آبکاري با pH خنثي و قليايي.

دراين قسمت به مقايسه شرايط آبکاري در دو محيط خنثي و قليايي پرداخته شده، در شکل 11 دو منحني ولتاموگرامي آبکاري پالاديوم در اين دو طيف اسيديته نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه مي شود با افزايش pH از 7 به 12 سطح زير منحني افزايش مي يابد.

افزايش سطح زير منحني بيانگر افزايش ميزان نشست يون فلزي و به عبارتي ميزان پوشش بيشتر در زمان يکسان است. اين مطلب تاييد راندمان بيشتر با استفاده از حمام قليايي نسبت به حمام خنثي است. در شکل 12 سختي پوشش هاي پالاديوم در دو حمام آبکاري با محيط هاي خنثي و قليايي نشان داده شده است، همانطور که ديده مي شود، پوشش بدست آمده از حمام قليايي سختي مناسب در محدوده سختي پوشش پالاديوم دارد که علت اين امر کم بودن خلل و فرج ويکنواختي پوشش بدست آمده از حمام قليايي مي باشد.

پوشش بدست آمده از حمام خنثي سخت تر از حمام قليايي است که علت اين امر افزايش تردي هيدروژني مي باشد که منجر به افزايش سختي و اين سختي مناسب نمي باشد. در شکل 13 چسبندگي اين پوشش ها با دو حمام نشان داده شده است که مشخص است در محيط قليايي چسبندگي بهتري برخوردار مي باشد.

نتايج مقايسه آبکاري در دو محيط قليايي و خنثي نشان مي دهند که در محيط قليايي باتوجه به ميزان نشست بيش تر پالاديوم، راندمان کاتدي بالاتر و کم تر بودن احيايي هيدروژن و درنتيجه خطر کم تر تردي هيدروژن، پوشش هاي يکنواخت تر مناسب تر در مقايسه با محيط خنثي بدست مي آيد.

نتيجه گيري

پوشش پالاديوم بر زير لايه مسي به روش آبکاري الکتريکي به صورت موفقيت آميز انجام شد.

باتوجه به بررسي راندمان کاتدي و مطالعه دياگرام پوربه مشخص مي شود به منظور کاهش اثر تصاعد هيدروژن و در نتيجه افزايش راندمان کاتدي و کاهش تخريب ناشي از تردي هيدروژني، آبکاري پالاديوم در حمام قليايي مي بايست در جريان کم تر از mAcm-2 3 انجام گردد.

به منظور دست يابي به پوشش يکنواختي و کيفيت بالا، خلل و فرج پائين، راندمان کاتدي، سختي و چسبندگي بالا مي بايست از حمام آبکاري قليايي پالاديوم با 12= pH و در زمان 10 دقيقه و دماي حمام 60 درجه سانتي گراد استفاده نمود.

آزمون هاي پراش پرتو ايکس بيانگر پيک پراش (111)pd در 1/38 درجه، پيک پراش (200)pd در 1/45درجه و پيک پراش فلز مس و غيره مي باشد. پيک هاي تيز و واضح بيانگر پوشش و ايجاد ساختار کريستالي يکنواخت بر روي سطح فلز پايه مسي مي باشد.

برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید

کلیک کنید