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
