صنعت آبکاری فلزات با قانون گذاریهای بی شمار مربوط به مواد خطرناک به کار رفته در فرایندهای تزیینی و پوشش دهی تحت تاثیر قرار گرفته است. این قواعد زیست محیطی در بخش های صنعتی و تسهیلات دولتی کاراست. به علاوه ، سازمان تقویت محیط زیست فدرال، سازمان مدیریت محیط زیست ، انرژی و حمل و نقل و فرماندهی اجرایی زیست محیطی، انرژی و اقتصادی به تازگی درگیر این امر شده اند.

این مصوبات اجرایی آژانس های دولتی را ملزم به کاهش میزان مواد اولیه لازم ، مواد مصرفی و نیز پساب مواد شیمیایی سمی و خطرناک می کند . کادمیم و کروم شش ظرفیتی بسیار سمی و سرطان زا هستند که به طور جدی توسط آژانس های حفاظت محیط زیست[1] ، امنیت شغلی و وزارت سلامت[2] محدود شده است. به علاوه کروم شش ظرفیتی در بین سه ماده خطرناکی است که وزارت دفاع برای تحقق مصوبات اجرایی تصمیم به کاهش میزان این ماده گرفته است.

در نتیجه سمیت و سرطانزایی این ماده همگام با اقدامات اجرایی مربوط به این مواد، بخش تحقیق و توسعه و مرکز مهندسی خودروهای تانک ارتش آمریکا[3] روی حذف یا کاهش استفاده از کادمیم یا کروم شش ظرفیتی در سیستم های مرتبط به خودروهای شنی متمرکز شده است. مرکز دفاع ملی انرژی و محیط زیست[4] توسط سازمان فناوری های همزمان[5] مامور به حمایت ازفعالیت های انجام شده خصوصا در زمینه بدنه های محافظ رابط های الکتریکی[6] که در حال حاضر در سیستم های زمینی ارتش مورد استفاده قرار می گیرد و از صفحات کادمیمی که بعدا توسط پوشش تبدیل کرومی[7] ، و به منظور جلوگیری از خوردگی بیشتر کروماته می شود، ساخته شده است گردیده است.

مصوبات مذکور روی نیاز به یافتن جایگزین برای فرایندهای پوشش دهی کنونی به منظور کاهش اثرات زیستن محیطی و خطرات امنیتی متمرکز شده است. در هر حال جایگزینی کادمیم برای کاربرد در زمینه های مختلف مسئولیت کم اهمیتی نیست. کادمیم سالهاست که به دلیل ویژگی های مختلفی که در اجزای کلی نشان می دهد به عنوان پوشش محافظتی رابط های الکتریکی به کار گرفته می شود.

ویژگی اصلی که پوشش های کادمیمی در زمینه رابط های الکتریکی ایفا می کند شامل موارد زیر است

The metal finishing industry has been impacted by numerous regulatory actions related to the hazardous materials that are used in decorative and functional coating processes. These environmental regulations are applicable to both commercial and government facilities. In addition, Executive Order (EO) 13423,Strengthening Federal Environmental, Energy, and Transportation Management, and EO13514, Federal Leadership in Environmental, Energy, and Economic Performance, were recently enacted. These EOs require government agencies to reduce the quantity of toxic and hazardous chemicals and materials acquired, used, or disposed. Cadmium and hexavalent chromium are very toxic and carcinogenic materials heavily regulated by the Environmental Protection Agency (EPA) and the Occupational Safety and Health Administration (OSHA). In addition, hexavalent chromium is among the three hazardous materials that the Department of Defense (DoD) has targeted for reduction to meet the requirements of the EO13423. Due to the toxicity and carcinogenicity, as well as the numerous regulatory actions related to these materials, the U.S. Army Tank-automotive Research Development and Engineering Center (TARDEC) has been working to eliminate or reduce the use of cadmium and hexavalent chromium in ground vehicles and related systems. The National Defense Center for Energy and Environment (NDCEE), operated by Concurrent Technologies Corporation (CTC), has been tasked to support TARDEC’s activities in this area. Specifically, the protective shells of electrical connectors currently used in military ground systems are cadmium plated and then chromated with chromate conversion coatings (CCCs) to provide additional corrosion protection.

The aforementioned regulatory concerns underscore a need to find alternatives to the currently used coating processes to reduce environmental and safety risks. However, the replacement of cadmium for any application is not a trivial task. Cadmium has been used as a protective coating for electrical connectors for many years because of the numerous properties that it imparts to the overall component.

Key properties that cadmium coatings impart to electrical connector shells include:

سهولت تولید

· سهولت بازتعمیر

· هدایت الکتریکی

· سازش پذیری الکترومغناطیسی/ تداخل الکترومغناطیسی

· بازدهی

· مقاومت زیست محیطی/ خصوصا مقاومت در برابر خوردگی

· جفت شدگی گالوانیکی

· جلوگیری از رشد جلبک

· قیمت ارزان

· گرانروی ( الزامات پیچشی /کششی را تامین کند.)

· مقاومت در برابر تلاطم

· توانایی لحیم شدگی

· مقاومت دمایی

· مقاومت ارتعاشی

مهم ترین برنامه های CCC برای دستیابی به ویژگی های بهتر پوشش های کادمیم عبارتند از :

· مقاومت افزایش یافته در برابر خوردگی

· قابلیت رنگ پذیری( الزامات چسبندگی رنگ به پوشش را تامین کند.)

· رنگ

Ease of manufacturing

• Ease of repair

• Electrical conductivity

• Electromagnetic compatibility (EMC)/electromagnetic interference (EMI)

effectiveness

• Environmental resistance, particularly corrosion resistance

• Galvanic coupling

• Inhibition of algae growth

• Low cost

• Lubricity (meets established torque/tension requirements)

• Shock resistance

• Solderability

• Temperature resistance

• Vibration resistance

CCCs are applied over cadmium coatings to provide additional properties, the most important of which are:

• Enhanced corrosion resistance

• Paintability (meets requirements for paint adhesion to coating)

• Color

همان طور که در بالا مشاهده می شود. مزایای کمکی که توسط این سیستم ایجاد می شود جایگزینی آن را با مواد دیگر با چالش مواجه کرده است. یک مثال از ویژگی های کمیابی که توسط این پوشش های کادمیم و کروم شش ظرفیتی ایجاد میشود ، مقاومت بالا در برابر خوردگی است. پوشش کادمیمی در رابط های الکتریکی مقاومت در برابر خوردگی گالوانیکی ایجاد میکند، در حالی که تعداد اندکی از فلزات توانایی ایجاد چنین مقاونت خوردگی را دارهستند. این موضوع با توجه به موقعیت کادمیم در سری گالوانی در شکل 1 قابل مشاهده است. شکل 1 نشان میدهد که روی و آلیاژ های روی، بریلیم ، منیزیم و آلیاژهای آلومینیم فعال ترین فلزات در برابر خوردگی محیطی هستند. بنابراین تنها موادی هستند که مقاومت در برابر خوردگی مشابه با کادمیم ایجاد میکنند. در هر حال بریلیم خطرناکتر از کادمیم است و منیزیم و روی خالص در بسیاری از کاربردهای مهندسی به سرعت دچار خوردگی می شوند.

مثالهای دیگر ویژگیهای بی همتای کادمیم که برای کاربرد در رابط های الکتریکی خود را نشان میدهد بازدهی خوب EMC وEMI است. مقاومت جفتی این رابط بایستی تا حد کمینه نگه داشته شود( به عنوان مثال کمتر از 5/2 میلی اهم EMC )زیرا میزان بزرگتر مقاومت جفتی منجر به ولتاژ بالا میشود که هر گونه نوسان جریان القایی ناگهانی مشابه نوسانات برق شهری منجر به شکست خواهد شد.

رابط های پوشش داده شده با کادمیم این الزامات را در حین طول عمر رابط الکتریکی تامین می کنند.

هم چنین سایر پوشش های آبکاری، به عنوان مثال الکترولیز نیکل در ابتدا این الزامات را تامین می کنند اما با گذر زمان و مقاومت ناشی از خوردگی ، محصولات بازدهی خود را از دست می دهند.

As seen above, the synergistic benefits provided by this coating system have made its replacement challenging. One example of the unique protective properties that are imparted by cadmium and hexavalent chromium is corrosion resistance. Cadmium coatings provide galvanic corrosion protection to electrical connector shells, and very few metals can provide a similar level of corrosion protection in this application. This is demonstrated by the position of cadmiumin the galvanic series, shown in Figure 1. 1Figure 1 demonstrates that zinc and zinc alloys, beryllium, magnesium, and aluminum alloys are generally the most active metals in corrosive environments and, therefore, are the only materials that can provide sacrificial corrosion protection similar to cadmium in this application. However, beryllium is more hazardous than cadmium, and magnesium and pure zinc both corrode too rapidly for many engineering applications.

Other examples of the unique properties that are imparted by cadmium to connector shells involve electrical properties, specifically EMC and EMI effectiveness. Connector mating resistances must be kept to a minimum (e.g. lessthan 2.5 milliohms) for EMC, because greater mating resistances can lead to high voltages (and subsequent failures) when induced by sudden surge currents (such as a lightning strike).

Cadmium-plated connectors meet this requirement throughout the life of the connector (i.e., the corrosion products of cadmium are generally non-insulating). Other plated coatings, such as electroless nickel (EN), meet this requirement initially, but lose effectiveness over time due to the resistances that are generated by corrosion products.

جایگزین مناسب کادمیم

DODسالهاست که در پی یافتن جایگزین مناسب کادمیم بوده و در سالهای گذشته موفق به شناسایی و کشف جایگزین های بالقوه ی بسیاری شده است که توسط برومان، گیداس، کلینجنبرگ و لگ و شاهین هدایت شده است. هدف از این مقاله خلاصه سازی کارهای قبلی انجام شده در این زمینه با هدف دستیابی به انتخاب منطقی قابل اعتماد ترین گزینه است

VIABLE ALTERNATIVES TO CADMIUM

The DoD has been interested in cadmium replacement for many years, and numerous potential replacements have been identified and explored in past work conducted by Brooman2,3,4, Gaydos5, Klingenberg3,4,6, Legg1; and Shahin7,among many others. It is the intent of this paper to summarize past work that has been accomplished in this area, with the intent of providing a rationale for the selection of the most promising candidates.