Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση
Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση ή ηλεκτρολυτική απόθεση ή γαλβανοπλαστική (Electroplating ή electrochemical deposition ή electrodeposition), είναι μια διεργασία για την παραγωγή μιας μεταλλικής επικάλυψης σε ένα στερεό υπόστρωμα μέσω της αναγωγής κατιόντων αυτού του μετάλλου μέσω ενός συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος. Το μέρος που πρόκειται να επικαλυφθεί λειτουργεί ως η κάθοδος (αρνητικό ηλεκτρόδιο) ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα ενός άλατος του οποίου το κατιόν είναι το μέταλλο που πρόκειται να επικαλυφθεί, και η άνοδος (θετικό ηλεκτρόδιο) είναι συνήθως είτε τμήμα αυτού του μετάλλου, είτε κάποιου αδρανούς αγώγιμου υλικού. Το ρεύμα παρέχεται από μια εξωτερική τροφοδοσία.
Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία και στις διακοσμητικές τέχνες για τη βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων των αντικειμένων - όπως η αντοχή στην μηχανική τριβή και τη διάβρωση, η λιπαντικότητα, η ανακλαστικότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή η εμφάνιση. Χρησιμοποιείται για την δημιουργία πάχους σε υπομεγέθη ή φθαρμένα μέρη και για την κατασκευή μεταλλικών πλακών με σύνθετο σχήμα, μια διεργασία που ονομάζεται ηλεκτροδιαμόρφωση (electroforming). Χρησιμοποιείται για την εναπόθεση χαλκού και άλλων αγωγών κατά τον σχηματισμό τυπωμένων κυκλωμάτων και διασυνδέσεων χαλκού σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Χρησιμοποιείται επίσης για τον καθαρισμό μετάλλων όπως ο χαλκός.
Η προαναφερθείσα ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μετάλλων χρησιμοποιεί μια διαδικασία ηλεκτροαναγωγής (δηλαδή, ένα αρνητικό ή καθοδικό ρεύμα βρίσκεται στο ηλεκτρόδιο εργασίας). Ο όρος «ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση» χρησιμοποιείται επίσης περιστασιακά για διεργασίες που συμβαίνουν υπό ηλεκτροοξείδωση (δηλαδή θετικό ή ανοδικό ρεύμα στο ηλεκτρόδιο εργασίας), αν και τέτοιες διεργασίες αναφέρονται συχνότερα ως ανοδίωση παρά ως ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ο σχηματισμός χλωριούχου αργύρου σε σύρμα αργύρου σε χλωριούχα διαλύματα για την παρασκευή ηλεκτροδίων αργύρου/χλωριούχου αργύρου (AgCl).
Η ηλεκτρολυτική στίλβωση (Electropolishing), μια διεργασία που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για την επιλεκτική αφαίρεση του εξωτερικού στρώματος από την επιφάνεια ενός μεταλλικού αντικειμένου, είναι το αντίστροφο της διαδικασίας της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.[1]
Η Ισχύς ρίψης (Throwing power) είναι μια σημαντική παράμετρος που παρέχει ένα μέτρο της ομοιομορφίας του ρεύματος ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης και, κατά συνέπεια, της ομοιομορφίας του πάχους του ηλεκτρολυτικά επιμεταλλωμένου μετάλλου σε περιοχές του τμήματος που βρίσκονται κοντά στην άνοδο σε σύγκριση με περιοχές που βρίσκονται μακριά από αυτήν. Εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση και τη θερμοκρασία του διαλύματος ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, καθώς και από την πυκνότητα ρεύματος λειτουργίας.[2] Μια υψηλότερη ισχύς ρίψης του λουτρού επιμετάλλωσης έχει ως αποτέλεσμα μια πιο ομοιόμορφη επίστρωση.[3]
Διεργασία
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα].svg)
Ο ηλεκτρολύτης στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο επιμετάλλωσης θα πρέπει να περιέχει θετικά ιόντα (κατιόντα) του μετάλλου που πρόκειται να εναποτεθεί. Αυτά τα κατιόντα ανάγονται στην κάθοδο προς το μέταλλο στην κατάσταση μηδενικού σθένους. Για παράδειγμα, ο ηλεκτρολύτης για την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση με χαλκό μπορεί να είναι ένα διάλυμα θειικού χαλκού(II), το οποίο διίσταται σε κατιόντα Cu2+ και ανιόντα SO2−
4. Στην κάθοδο, ο Cu2+ ανάγεται σε μεταλλικό χαλκό αποκτώντας δύο ηλεκτρόνια.
Όταν η άνοδος είναι κατασκευασμένη από το μέταλλο που προορίζεται για την επικάλυψη της καθόδου, η αντίθετη αντίδραση μπορεί να συμβεί στην άνοδο, μετατρέποντάς την σε διιστάμενα κατιόντα. Για παράδειγμα, ο χαλκός θα οξειδωνόταν στην άνοδο σε Cu2+ χάνοντας δύο ηλεκτρόνια. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρυθμός με τον οποίο διαλύεται η άνοδος θα είναι ίσος με τον ρυθμό με τον οποίο επιμεταλλώνεται η κάθοδος και έτσι τα ιόντα στο λουτρό ηλεκτρολύτη αναπληρώνονται συνεχώς από την άνοδο. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι η αποτελεσματική μεταφορά μετάλλου από την άνοδο στην κάθοδο.
Η άνοδος μπορεί αντ' αυτού να είναι κατασκευασμένη από υλικό που αντιστέκεται στην ηλεκτροχημική οξείδωση, όπως μόλυβδος ή άνθρακας. Στη συνέχεια, στην άνοδο παράγονται οξυγόνο, υπεροξείδιο του υδρογόνου και ορισμένα άλλα παραπροϊόντα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα ιόντα του μετάλλου που πρόκειται να επιμεταλλωθεί πρέπει να αναπληρώνονται (συνεχώς ή περιοδικά) στο λουτρό καθώς εξάγονται από το διάλυμα.[4]
Η επιμετάλλωση είναι συνήθως ένα μόνο μεταλλικό στοιχείο, όχι ένα κράμα. Ωστόσο, ορισμένα κράματα μπορούν να ηλεκτροεναποτεθούν, κυρίως ο ορείχαλκος και το καλάι. Τα επιμεταλλωμένα κράματα δεν είναι αληθινά κράματα (στερεά διαλύματα), αλλά μάλλον είναι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι των στοιχειακών μετάλλων που επιμεταλλώνονται. Στην περίπτωση του επιμεταλλωμένου καλάι, θεωρείται μερικές φορές απαραίτητο να υπάρχει ένα πραγματικό κράμα και το επιμεταλλωμένο καλάι τήκεται για να επιτραπεί στον κασσίτερο και τον μόλυβδο να συνδυαστούν σε ένα πραγματικό κράμα. Το πραγματικό κράμα είναι πιο ανθεκτικό στη διάβρωση από το επιμεταλλωμένο μείγμα.
Πολλά λουτρά επιμετάλλωσης περιλαμβάνουν κυανιούχα άλλων μετάλλων (όπως κυανιούχο κάλιο) εκτός από τα κυανιούχα του μετάλλου που πρόκειται να εναποτεθεί. Αυτά τα ελεύθερα κυανιούχα διευκολύνουν τη διάβρωση της ανόδου, βοηθούν στη διατήρηση σταθερού επιπέδου μεταλλικών ιόντων και συμβάλλουν στην αγωγιμότητα. Επιπλέον, μπορούν να προστεθούν μη μεταλλικές χημικές ουσίες όπως ανθρακικά και φωσφορικά για την αύξηση της αγωγιμότητας.
Όταν δεν επιθυμείται η επιμετάλλωση σε ορισμένες περιοχές του υποστρώματος, εφαρμόζονται φραγμοί για να αποτραπεί η επαφή του λουτρού με το υπόστρωμα. Τυπικοί φραγμοί περιλαμβάνουν ταινία, αλουμινόχαρτο, λάκες και κεριά.[5]
Χτύπημα
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Αρχικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια ειδική επιμετάλλωση που ονομάζεται χτύπημα (strike ή flash) για να σχηματίσει μια πολύ λεπτή (συνήθως πάχους μικρότερου από 0,1 μm) επιμετάλλωση υψηλής ποιότητας και καλής πρόσφυσης στο υπόστρωμα. Αυτό χρησιμεύει ως βάση για τις επόμενες διαδικασίες επιμετάλλωσης. Ένα χτύπημα χρησιμοποιεί υψηλή πυκνότητα ρεύματος και ένα λουτρό με χαμηλή συγκέντρωση ιόντων. Η διαδικασία είναι αργή, επομένως χρησιμοποιούνται πιο αποτελεσματικές διαδικασίες επιμετάλλωσης μόλις επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος επιμετάλλωσης.
Η μέθοδος χτυπήματος (striking method) χρησιμοποιείται επίσης σε συνδυασμό με την επιμετάλλωση διαφορετικών μετάλλων. Εάν είναι επιθυμητή η επιμετάλλωση ενός τύπου εναπόθεσης σε ένα μέταλλο για τη βελτίωση της αντοχής στη διάβρωση, αλλά αυτό το μέταλλο έχει εγγενώς κακή πρόσφυση στο υπόστρωμα, τότε μπορεί πρώτα να εναποτεθεί ένα χτύπημα που είναι συμβατό και με τα δύο. Ένα παράδειγμα αυτής της κατάστασης είναι η κακή πρόσφυση του ηλεκτρολυτικού νικελίου σε κράματα ψευδαργύρου, οπότε χρησιμοποιείται ένα χτύπημα χαλκού, το οποίο έχει καλή πρόσφυση και στα δύο.[4]
Παλμική ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η διεργασία παλμικής ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης ή παλμικής ηλεκτροαπόθεσης (pulse electrodeposition, PED) περιλαμβάνει την ταχεία εναλλαγή του ηλεκτρικού δυναμικού ή ρεύματος μεταξύ δύο διαφορετικών τιμών, με αποτέλεσμα μια σειρά παλμών ίσης πλάτους, διάρκειας και πολικότητας, που χωρίζονται από μηδενικό ρεύμα. Αλλάζοντας το πλάτος και το εύρος του παλμού, είναι δυνατό να αλλάξετε τη σύσταση και το πάχος της εναποτιθέμενης μεμβράνης.[6]
Οι πειραματικές παράμετροι της παλμικής ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης αποτελούνται συνήθως από το μέγιστο ρεύμα/δυναμικό, τον κύκλο λειτουργίας, τη συχνότητα και το ενεργό ρεύμα/δυναμικό. Το μέγιστο ρεύμα/δυναμικό είναι η μέγιστη ρύθμιση του ρεύματος ή του δυναμικού ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης. Ο κύκλος λειτουργίας είναι το ενεργό χρονικό διάστημα σε μια συγκεκριμένη περίοδο ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης με το ρεύμα ή το δυναμικό που εφαρμόζεται. Το ενεργό ρεύμα/δυναμικό υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τον κύκλο λειτουργίας και την μέγιστη τιμή του ρεύματος ή του δυναμικού. Η παλμική ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της ποιότητας της ηλεκτρολυτικής μεμβράνης και στην απελευθέρωση της εσωτερικής τάσης που συσσωρεύεται κατά την ταχεία εναπόθεση. Ένας συνδυασμός σύντομου κύκλου λειτουργίας και υψηλής συχνότητας θα μπορούσε να μειώσει τις επιφανειακές ρωγμές. Ωστόσο, για να διατηρηθεί το σταθερό ενεργό ρεύμα ή δυναμικό, μπορεί να απαιτείται τροφοδοτικό υψηλής απόδοσης για την παροχή υψηλού ρεύματος/δυναμικού και γρήγορης εναλλαγής. Ένα άλλο συνηθισμένο πρόβλημα της παλμικής ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης είναι ότι το υλικό της ανόδου θα μπορούσε να επιμεταλλωθεί και να μολυνθεί κατά την αντίστροφη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, ειδικά για ένα αδρανές ηλεκτρόδιο υψηλού κόστους όπως ο λευκόχρυσος.
Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την παλμική ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία, το διάκενο ανόδου προς κάθοδο και την ανάδευση. Μερικές φορές, η παλμική ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμαινόμενο λουτρό ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης για να αυξηθεί ο ρυθμός εναπόθεσης, καθώς ο ρυθμός των περισσότερων χημικών αντιδράσεων αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία σύμφωνα με τον νόμο Αρρένιους. Το διάκενο ανόδου προς κάθοδο σχετίζεται με την κατανομή ρεύματος μεταξύ ανόδου και καθόδου. Μια μικρή αναλογία διακένου προς επιφάνεια δείγματος μπορεί να προκαλέσει ανομοιόμορφη κατανομή ρεύματος και να επηρεάσει την τοπολογία της επιφάνειας του επιμεταλλωμένου δείγματος. Η ανάδευση μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό μεταφοράς/διάχυσης μεταλλικών ιόντων από το διάλυμα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Η ιδανική ρύθμιση ανάδευσης ποικίλλει για διαφορετικές διεργασίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης μετάλλων.
Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση με βούρτσα
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Μια στενά συνδεδεμένη διαδικασία είναι η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση με βούρτσα (πινέλο), κατά την οποία τοπικές περιοχές ή ολόκληρα αντικείμενα επιμεταλλώνονται χρησιμοποιώντας μια βούρτσα εμποτισμένη με διάλυμα επιμετάλλωσης. Η βούρτσα, συνήθως ένα σώμα από γραφίτη τυλιγμένο με ένα απορροφητικό ύφασμα που συγκρατεί το διάλυμα επιμετάλλωσης και εμποδίζει την άμεση επαφή με το αντικείμενο που επιμεταλλώνεται, συνδέεται στην άνοδο μιας πηγής ισχύος χαμηλής τάσης και 3-4 αμπέρ συνεχούς ρεύματος, και το αντικείμενο που πρόκειται να επιμεταλλωθεί (η κάθοδος) είναι γειωμένο. Ο χειριστής βυθίζει τη βούρτσα στο διάλυμα επιμετάλλωσης και στη συνέχεια το εφαρμόζει στο αντικείμενο, μετακινώντας τη βούρτσα συνεχώς για να επιτύχει ομοιόμορφη κατανομή του υλικού επιμετάλλωσης.
Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση με βούρτσα έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με την επιμετάλλωση με δεξαμενή, όπως η φορητότητα, η δυνατότητα επιμετάλλωσης αντικειμένων που για κάποιο λόγο δεν μπορούν να επιμεταλλωθούν με δεξαμενή (μία εφαρμογή ήταν η επιμετάλλωση τμημάτων πολύ μεγάλων διακοσμητικών στηλών στήριξης σε μια ανακαίνιση κτιρίου), οι χαμηλές ή καθόλου απαιτήσεις κάλυψης και οι συγκριτικά χαμηλές απαιτήσεις όγκου διαλύματος επιμετάλλωσης. Χρησιμοποιείται κυρίως βιομηχανικά για επισκευή μερών, φθαρμένων επιφανειών εδράνων με εναπόθεση νικελίου ή αργύρου. Με την τεχνολογική πρόοδο έχουν επιτευχθεί εναποθέσεις έως και 0,025" και έχουν διατηρηθεί ομοιομορφίες. Τα μειονεκτήματα σε σύγκριση με την επιμετάλλωση με δεξαμενή μπορεί να περιλαμβάνουν τη μεγαλύτερη εμπλοκή του χειριστή (η επιμετάλλωση δεξαμενής μπορεί συχνά να γίνει με ελάχιστη προσοχή και τα διαλύματα που χρησιμοποιούνται είναι συχνά τοξικά) και την ασυνέπεια στην επίτευξη ενός τόσο μεγάλου πάχους πλάκας.
Hλεκτρολυτική επιμετάλλωση βαρελιού
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση βαρελιού (περιστρεφόμενου κάδου) είναι μία από τις πιο συνηθισμένες που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για μεγάλο αριθμό μικρών αντικειμένων. Τα αντικείμενα τοποθετούνται σε ένα μη αγώγιμο κλουβί σε σχήμα βαρελιού και στη συνέχεια βυθίζονται σε ένα χημικό λουτρό που περιέχει διαλυμένα ιόντα του μετάλλου που πρόκειται να επιμεταλλωθεί πάνω τους. Στη συνέχεια, το βαρέλι περιστρέφεται και ηλεκτρικά ρεύματα διέρχονται από τα διάφορα κομμάτια του βαρελιού, τα οποία ολοκληρώνουν κυκλώματα καθώς αγγίζουν το ένα το άλλο. Το αποτέλεσμα είναι μια πολύ ομοιόμορφη και αποτελεσματική διαδικασία επιμετάλλωσης, αν και το φινίρισμα στα τελικά προϊόντα πιθανότατα θα υποφέρει από τριβή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιμετάλλωσης. Είναι ακατάλληλο για ιδιαίτερα διακοσμητικά ή ακριβώς κατασκευασμένα αντικείμενα.[7]
Καθαριότητα
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η καθαριότητα είναι απαραίτητη για την επιτυχή ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, καθώς τα μοριακά στρώματα λαδιού μπορούν να εμποδίσουν την προσκόλληση της επικάλυψης. Το ASTM B322 είναι ένας τυπικός οδηγός για τον καθαρισμό μετάλλων πριν από την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Ο καθαρισμός περιλαμβάνει καθαρισμό με διαλύτη, καθαρισμό με ζεστό αλκαλικό απορρυπαντικό, ηλεκτροκαθαρισμό, υπερηχητικό καθαρισμό και επεξεργασία με οξύ. Η πιο συνηθισμένη βιομηχανική δοκιμή καθαριότητας είναι η δοκιμή θραύσης νερού, στην οποία η επιφάνεια ξεπλένεται καλά και διατηρείται κάθετη. Οι υδρόφοβοι ρύποι, όπως τα έλαια, προκαλούν τη δημιουργία σταγόνων και τη διάσπαση του νερού, επιτρέποντας στο νερό να στραγγίσει γρήγορα. Οι τέλεια καθαρές μεταλλικές επιφάνειες είναι υδρόφιλες και θα διατηρήσουν ένα αδιάσπαστο φύλλο νερού που δεν σχηματίζει σταγόνες ή δεν στραγγίζει. Το ASTM F22 περιγράφει μια έκδοση αυτής της δοκιμής. Αυτή η δοκιμή δεν ανιχνεύει υδρόφιλους ρύπους, αλλά η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορεί να τους εκτοπίσει εύκολα, καθώς τα διαλύματα έχουν βάση το νερό. Τα επιφανειοδραστικά όπως το σαπούνι μειώνουν την ευαισθησία της δοκιμής και πρέπει να ξεπλένονται καλά.
Στοιχεία δοκιμής και χαρακτηρισμός
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Ισχύς ρίψης
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η ισχύς ρίψης ή ισχύς μακρορίψης (Throwing power) είναι μια σημαντική παράμετρος που παρέχει ένα μέτρο της ομοιομορφίας του ρεύματος ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης και, κατά συνέπεια, της ομοιομορφίας του πάχους του ηλεκτρολυτικά επιμεταλλωμένου μετάλλου σε περιοχές του εξαρτήματος που βρίσκονται κοντά στην άνοδο σε σύγκριση με περιοχές που βρίσκονται μακριά από αυτήν. Εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση και τη θερμοκρασία του διαλύματος ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης.[2] Η ισχύς μικρορίψης (Micro throwing power) αναφέρεται στον βαθμό στον οποίο μια διαδικασία μπορεί να γεμίσει ή να επικαλύψει μικρές εσοχές όπως διαμπερείς οπές (through-holes).[8] Η ισχύς ρίψης μπορεί να χαρακτηριστεί από τον αδιάστατο αριθμό Wagner:
όπου R είναι η παγκόσμια σταθερά των αερίων, T είναι η θερμοκρασία λειτουργίας, κ είναι η ιοντική αγωγιμότητα του διαλύματος επιμετάλλωσης, F είναι η σταθερά Faraday, L είναι το ισοδύναμο μέγεθος του επιμεταλλωμένου αντικειμένου, α είναι ο συντελεστής μεταφοράς και i η μέση συνολική πυκνότητα ρεύματος (συμπεριλαμβανομένης της έκλυσης υδρογόνου) στην επιφάνεια. Ο αριθμός Wagner ποσοτικοποιεί την αναλογία των κινητικών προς τις ωμικές αντιστάσεις. Ένας υψηλότερος αριθμός Wagner παράγει μια πιο ομοιόμορφη εναπόθεση. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί στην πράξη μειώνοντας το μέγεθος (L) του επιμεταλλωμένου αντικειμένου, μειώνοντας την πυκνότητα ρεύματος |i|}, προσθέτοντας χημικές ουσίες που μειώνουν το α (καθιστούν το ηλεκτρικό ρεύμα λιγότερο ευαίσθητο στην τάση) και αυξάνοντας την αγωγιμότητα του διαλύματος (π.χ. προσθέτοντας οξύ). Η ταυτόχρονη έκλυση υδρογόνου βελτιώνει συνήθως την ομοιομορφία της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης αυξάνοντας το |i|. Ωστόσο, αυτό το φαινόμενο μπορεί να αντισταθμιστεί από την απόφραξη λόγω φυσαλίδων υδρογόνου και εναποθέσεων υδροξειδίου.[9]
Ο αριθμός Wagner είναι μάλλον δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια. Επομένως, χρησιμοποιούνται συνήθως άλλες σχετικές παράμετροι, οι οποίες είναι πιο εύκολο να ληφθούν πειραματικά με πρότυπα στοιχεία. Αυτές οι παράμετροι προέρχονται από δύο λόγους: τον λόγο M = m1 / m2 του πάχους της επιμετάλλωσης μιας συγκεκριμένης περιοχής της καθόδου "κοντά" στην άνοδο προς το πάχος μιας περιοχής "μακριά" από την κάθοδο και τον λόγο L = x2 / x1 των αποστάσεων αυτών των περιοχών μέσω του ηλεκτρολύτη έως την άνοδο. Σε ένα στοιχείο Haring-Blum, για παράδειγμα, L = 5 για τις δύο ανεξάρτητες καθόδους του, και ένα στοιχείο που αποδίδει λόγο πάχους επιμετάλλωσης M = 6 έχει ισχύ ρίψης Harring-Blum 100% × (L − M) / L = −20%.[8] Άλλες συμβάσεις περιλαμβάνουν την ισχύ ρίψης Heatley 100% × (L − M) / (L − 1), την ισχύ ρίψης πεδίου 100% × (L − M) / (L + M − 2),[10] and Ένα πιο ομοιόμορφο πάχος επιτυγχάνεται κάνοντας την ισχύ ρίψης μεγαλύτερη (λιγότερο αρνητική), εκτός από την ισχύ ρίψης του Luke, η οποία έχει το πλεονέκτημα ότι έχει ελάχιστο 0 και μέγιστο 100, όσον αφορά τη λιγότερο αρνητική τιμή, σύμφωνα με οποιονδήποτε από αυτούς τους ορισμούς.
Οι παράμετροι που περιγράφουν την απόδοση των στοιχείων, όπως η ισχύς ρίψης, μετρώνται σε μικρά στοιχεία δοκιμών διαφόρων σχεδίων που στοχεύουν στην αναπαραγωγή συνθηκών παρόμοιων με αυτές που βρίσκονται στο λουτρό επιμετάλλωσης παραγωγής.[8]
Στοιχείο Haring–Blum
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Το στοιχείο Haring-Blum χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ισχύος μακρορίψης ενός λουτρού επιμετάλλωσης. Το στοιχείο αποτελείται από δύο παράλληλες καθόδους με μια σταθερή άνοδο στη μέση. Οι κάθοδοι βρίσκονται σε αποστάσεις από την άνοδο σε αναλογία 1:5. Η ισχύς μακρορίψης υπολογίζεται από το πάχος της επιμετάλλωσης στις δύο καθόδους όταν διέρχεται συνεχές ρεύμα για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Το στοιχείο κατασκευάζεται από πλεξιγκλάς ή γυαλί.[11][12]
Στοιχείο Hull
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Το στοιχείο Hull είναι ένας τύπος στοιχείου δοκιμής που χρησιμοποιείται για τον ημιποσοτικό έλεγχο της κατάστασης ενός λουτρού ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης. Μετρά το εύρος της χρησιμοποιήσιμης πυκνότητας ρεύματος, τη βελτιστοποίηση της συγκέντρωσης προσθέτων, την αναγνώριση των επιδράσεων των προσμείξεων και την ένδειξη της ικανότητας ισχύος μακρορίψης.[13] Το στοιχείο Hull αναπαράγει το λουτρό επιμετάλλωσης σε εργαστηριακή κλίμακα. Γεμίζεται με ένα δείγμα του διαλύματος επιμετάλλωσης και μια κατάλληλη άνοδο η οποία συνδέεται με έναν ανορθωτή (rectifier). Η εργασία αντικαθίσταται με ένα πάνελ δοκιμής στοιχείου Hull που θα επιμεταλλωθεί για να δείξει την υγεία του λουτρού.
Το στοιχείο Hull είναι ένα τραπεζοειδές δοχείο που περιέχει 267 χιλιοστόλιτρα διαλύματος λουτρού επιμετάλλωσης. Αυτό το σχήμα επιτρέπει την τοποθέτηση του πλαισίου δοκιμής υπό γωνία ως προς την άνοδο. Ως αποτέλεσμα, η εναπόθεση επιμεταλλώνεται σε ένα εύρος πυκνοτήτων ρεύματος κατά μήκος του, οι οποίες μπορούν να μετρηθούν με ένα χάρακα στοιχείου Hull. Ο όγκος του διαλύματος επιτρέπει μια ημιποσοτική μέτρηση της συγκέντρωσης του πρόσθετου: η προσθήκη 1 γραμμαρίου σε 267 mL ισοδυναμεί με 0,5 oz/gal στη δεξαμενή επιμετάλλωσης.[14]
Επιπτώσεις
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση αλλάζει τις χημικές, φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του τεμαχίου εργασίας. Ένα παράδειγμα χημικής μεταβολής είναι όταν η επιμετάλλωση με νικέλιο βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση. Ένα παράδειγμα φυσικής μεταβολής είναι μια αλλαγή στην εξωτερική εμφάνιση. Ένα παράδειγμα μηχανικής μεταβολής είναι μια μεταβολή στην αντοχή σε εφελκυσμό ή την επιφανειακή σκληρότητα, η οποία είναι ένα απαιτούμενο χαρακτηριστικό στη βιομηχανία εργαλείων.[15] Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση με όξινο χρυσό σε υποκείμενα κυκλώματα επιμεταλλωμένα με χαλκό ή νικέλιο μειώνει την αντίσταση επαφής καθώς και τη σκληρότητα της επιφάνειας. Οι επιμεταλλωμένες με χαλκό περιοχές μαλακού χάλυβα λειτουργούν ως μάσκα εάν δεν είναι επιθυμητή η σκλήρυνση περιβλήματος τέτοιων περιοχών. Ο επικασσιτερωμένος χάλυβας είναι επιχρωμιωμένος για να αποφευχθεί η θόλωση της επιφάνειας λόγω της οξείδωσης του κασσιτέρου.
Εναλλακτικές λύσεις για την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Υπάρχουν ορισμένες εναλλακτικές διεργασίες για την παραγωγή μεταλλικών επιστρώσεων σε στερεά υποστρώματα που δεν περιλαμβάνουν ηλεκτρολυτική αναγωγή:
- Η μη ηλεκτρολυτική εναπόθεση (Electroless deposition) χρησιμοποιεί ένα λουτρό που περιέχει μεταλλικά ιόντα και χημικές ουσίες που θα τα ανάγουν στο μέταλλο μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. Η αντίδραση θα πρέπει να είναι αυτοκαταλυτική, έτσι ώστε το νέο μέταλλο να εναποτίθεται πάνω στην αναπτυσσόμενη επίστρωση, αντί να καθιζάνει ως σκόνη σε ολόκληρο το λουτρό ταυτόχρονα. Οι μη ηλεκτρολυτικές διεργασίες χρησιμοποιούνται ευρέως για την εναπόθεση κραμάτων νικελίου-φωσφόρου ή νικελίου-βορίου για αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση, άργυρο για κατασκευή κατόπτρου, χαλκό για πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων και πολλά άλλα. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα αυτών των διεργασιών σε σχέση με την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση είναι ότι μπορούν να παράγουν επιστρώσεις ομοιόμορφου πάχους σε επιφάνειες αυθαίρετου σχήματος, ακόμη και μέσα σε οπές, και το υπόστρωμα δεν χρειάζεται να είναι ηλεκτρικά αγώγιμο. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζονται πηγές ενέργειας ή ειδικά διαμορφωμένες ανόδους. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν τη χαμηλότερη ταχύτητα εναπόθεσης, την κατανάλωση σχετικά ακριβών χημικών ουσιών και την περιορισμένη επιλογή μετάλλων επικάλυψης.
- Οι διεργασίες επικάλυψης με εμβάπτιση (Immersion coating) εκμεταλλεύονται τις αντιδράσεις μετατόπισης στις οποίες το μέταλλο υποστρώματος οξειδώνεται σε διαλυτά ιόντα, ενώ ιόντα του μετάλλου επικάλυψης ανάγονται και εναποτίθενται στη θέση του. Αυτή η διαδικασία περιορίζεται σε πολύ λεπτές επιστρώσεις, καθώς η αντίδραση σταματά αφού το υπόστρωμα έχει καλυφθεί πλήρως. Παρ' όλα αυτά, έχει ορισμένες σημαντικές εφαρμογές, όπως η μη ηλεκτρολυτική εμβάπτιση νικελίου σε χρυσό (electroless nickel immersion gold, ENIG) που χρησιμοποιείται για την απόκτηση επιχρυσωμένων ηλεκτρικών επαφών σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων.
- Η καθοδική διασκόρπιση (Sputtering) χρησιμοποιεί μια δέσμη ηλεκτρονίων ή πλάσμα για να εκτοξεύσει μικροσκοπικά σωματίδια του μετάλλου στο υπόστρωμα σε κενό.
- Η φυσική εναπόθεση ατμών (Physical vapor deposition) μεταφέρει το μέταλλο στο υπόστρωμα εξατμίζοντάς το.
- Η χημική εναπόθεση ατμών (Chemical vapor deposition) χρησιμοποιεί ένα αέριο που περιέχει μια πτητική ένωση του μετάλλου, η οποία εναποτίθεται στο υπόστρωμα ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης.
- Η επιχρύσωση (Gilding) είναι ένας παραδοσιακός τρόπος για να στερεώσετε ένα στρώμα χρυσού σε μέταλλα εφαρμόζοντας ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού που συγκρατείται στη θέση του με μια κόλλα.
Ιστορικό
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Στην προκολομβιανή Νότια Αμερική, οι Μότσε ανέπτυξαν ανεξάρτητα την τεχνολογία ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης χωρίς καμία επιρροή από τον Παλαιό Κόσμο. Οι Μότσε χρησιμοποίησαν ηλεκτρική ενέργεια που προερχόταν από χημικές ουσίες για να επιχρυσώσουν τον χαλκό με ένα λεπτό στρώμα χρυσού. Για να ξεκινήσουν τη διαδικασία ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, οι Μότσε παρασκεύασαν πρώτα ένα πολύ διαβρωτικό και εξαιρετικά όξινο υγρό διάλυμα στο οποίο διέλυσαν μικρά ίχνη χρυσού. Ο χαλκός που εισήχθη στο προκύπτον όξινο διάλυμα λειτούργησε τόσο ως κάθοδος όσο και ως άνοδος, παράγοντας το ηλεκτρικό ρεύμα που χρειαζόταν για να ξεκινήσει η διαδικασία ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης. Τα ιόντα χρυσού στο διάλυμα έλκονταν από την άνοδο και την κάθοδο του χαλκού και σχημάτιζαν ένα λεπτό στρώμα πάνω από τον χαλκό, δίνοντας στον τελευταίο την εμφάνιση ενός συμπαγούς χρυσού αντικειμένου, παρόλο που ο χρυσός επικάλυπτε μόνο το εξωτερικό στρώμα του χάλκινου αντικειμένου. Στη συνέχεια, οι Μότσε άφηναν το όξινο διάλυμα να βράσει αργά, προκαλώντας ένα πολύ λεπτό στρώμα/επίστρωση χρυσού να επικαλύψει μόνιμα την άνοδο και την κάθοδο του χαλκού. Αυτή η τεχνική ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης χωρίς μπαταρία αναπτύχθηκε γύρω στο 500 μ.Χ. από τους Μότσε, 1.300 χρόνια πριν οι Ευρωπαίοι εφεύρουν την ίδια διαδικασία.[16][17][18]
Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση εφευρέθηκε ανεξάρτητα στην Ευρώπη από τον Ιταλό χημικό Luigi Valentino Brugnatelli το 1805. Ο Brugnatelli χρησιμοποίησε την εφεύρεση του συναδέλφου του Αλεσάντρο Βόλτα πέντε χρόνια νωρίτερα, την βολταϊκή στήλη, για να διευκολύνει την πρώτη ηλεκτροαπόθεση. Οι εφευρέσεις του Brugnatelli καταπνίγηκαν από τη Ακαδημία Επιστημών (Γαλλία) και δεν χρησιμοποιήθηκαν στη γενική βιομηχανία για τα επόμενα τριάντα χρόνια. Μέχρι το 1839, επιστήμονες στο Βρετανία και τη Ρωσία είχαν επινοήσει ανεξάρτητα διαδικασίες εναπόθεσης μετάλλων παρόμοιες με αυτές του Brugnatelli για την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση χαλκού σε πλάκες τυπογραφικών πιεστηρίων.
Έρευνες από τη δεκαετία του 1930 είχαν διατυπώσει τη θεωρία ότι η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορεί να είχε πραγματοποιηθεί στην Πάρθια αυτοκρατορία χρησιμοποιώντας μια συσκευή που έμοιαζε με τη μπαταρία της Βαγδάτης, αλλά αυτό έχει έκτοτε διαψευσθεί. Τα αντικείμενα επιχρυσώθηκαν με φωτιά χρησιμοποιώντας υδράργυρο.[19]
Ο Μπόρις Γιάκομπι στη Ρωσία όχι μόνο ανακάλυψε ξανά τα γαλβανοπλαστικά, αλλά ανέπτυξε την ηλεκτροεκτύπωση (electrotyping) και τη γαλβανοπλαστική γλυπτική. Η γαλβανοπλαστική έγινε γρήγορα της μόδας στη Ρωσία, με ανθρώπους όπως ο εφευρέτης Πέτερ Μπαγκρατιόν, ο επιστήμονας Χάινριχ Λεντς και ο συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Βλαντιμίρ Οντογιέφσκι να συμβάλλουν στην περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας. Μεταξύ των πιο διαβόητων περιπτώσεων χρήσης ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης στα μέσα του 19ου αιώνα στη Ρωσία ήταν τα γιγάντια γαλβανοπλαστικά γλυπτά του Καθεδρικού Ναού του Αγίου Ισαάκ στην Αγία Πετρούπολη και ο επιχρυσωμένος ηλεκτρολυτικά τρούλος του Καθεδρικού Ναού του Χριστού Σωτήρος στη Μόσχα, την τρίτη ψηλότερη ορθόδοξη εκκλησία στον κόσμο.[20]
Αυτοί οι δύο ίδρυσαν στη συνέχεια μια βιομηχανία ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης στο Μπέρμιγχαμ, από όπου εξαπλώθηκε σε όλο τον κόσμο. Η ηλεκτρική γεννήτρια Woolrich του 1844, που τώρα βρίσκεται στο Μουσείο Επιστημών του Μπέρμιγχαμ, είναι η πρώτη ηλεκτρική γεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στη βιομηχανία.[21] Χρησιμοποιήθηκε από τους Elkingtons.[22][23][24]
Η Norddeutsche Affinerie στο Αμβούργο ήταν το πρώτο σύγχρονο εργοστάσιο ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης που ξεκίνησε την παραγωγή του το 1876.[25]
Καθώς η επιστήμη της ηλεκτροχημείας αναπτυσσόταν, η σχέση της με την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση έγινε κατανοητή και αναπτύχθηκαν και άλλοι τύποι ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης μη διακοσμητικών μετάλλων. Η εμπορική ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση νικελίου, ορείχαλκου, κασσιτέρου και ψευδάργυρου αναπτύχθηκε μέχρι τη δεκαετία του 1850. Τα λουτρά και ο εξοπλισμός ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης με βάση τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας των Elkington αναβαθμίστηκαν για να εξυπηρετήσουν την επιμετάλλωση πολυάριθμων αντικειμένων μεγάλης κλίμακας και για συγκεκριμένες εφαρμογές κατασκευής και μηχανικής.
Η βιομηχανία επιμετάλλωσης έλαβε μεγάλη ώθηση με την εμφάνιση της ανάπτυξης των ηλεκτρικών γεννητριών στα τέλη του 19ου αιώνα. Με τα υψηλότερα ρεύματα που ήταν διαθέσιμα, μεταλλικά εξαρτήματα μηχανών, εξαρτήματα και εξαρτήματα αυτοκινήτων που απαιτούσαν προστασία από τη διάβρωση και βελτιωμένες ιδιότητες φθοράς, μαζί με καλύτερη εμφάνιση, μπορούσαν να υποστούν μαζική επεξεργασία χύμα.
Οι δύο Παγκόσμιοι Πόλεμοι και η αναπτυσσόμενη αεροπορική βιομηχανία έδωσαν ώθηση σε περαιτέρω εξελίξεις και βελτιώσεις, συμπεριλαμβανομένων διαδικασιών όπως η σκληρή επιχρωμίωση, η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση κραμάτων με ορείχαλκο, η επιμετάλλωση με σουλφαμικό νικέλιο και πολλές άλλες διαδικασίες επιμετάλλωσης. Ο εξοπλισμός επιμετάλλωσης εξελίχθηκε από χειροκίνητες ξύλινες δεξαμενές με επένδυση πίσσας σε αυτοματοποιημένο εξοπλισμό ικανό να επεξεργάζεται χιλιάδες κιλά εξαρτημάτων ανά ώρα.
Ένα από τα πρώτα έργα του Αμερικανού φυσικού Ρίτσαρντ Φίλιπς Φάινμαν ήταν η ανάπτυξη τεχνολογίας για την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μετάλλου σε πλαστικό. Ο Φάινμαν ανέπτυξε την αρχική ιδέα του φίλου του σε μια επιτυχημένη εφεύρεση, επιτρέποντας στον εργοδότη του (και φίλο) να τηρήσει εμπορικές υποσχέσεις που είχε δώσει, αλλά δεν θα μπορούσε να τις εκπληρώσει διαφορετικά.[26]
Παραπομπές
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]- ↑ «FAQs | Frequently Asked Questions | Electropolishing || Electro-Glo». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 28 Νοεμβρίου 2020. Ανακτήθηκε στις 1 Μαΐου 2019.
- 1 2 Farber, H. L. (1930). «Throwing Power in Chromium Plating». Bureau of Standards Journal of Research 3: 27. doi:. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/4/jresv4n1p27_A2b.pdf. Ανακτήθηκε στις 6 August 2023.
- ↑ «Pollution Prevention Technology Profile Trivalent Chromium Replacements for Hexavalent Chromium Plating» (PDF). Northeast Waste Management Officials’ Association. 18 Οκτωβρίου 2003. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 20 Ιουλίου 2011.
- 1 2 Dufour 2006, σελ. IX-2
- ↑ Dufour 2006, σελ. IX-3
- ↑ kunji durai, M. S.; chaala, Mathy (2008). «Pulse and pulse reverse plating—Conceptual, advantages and applications». Electrochimica Acta 53 (8): 3313–3322. doi:.
- ↑ A.C. Tan (30 Νοεμβρίου 1992). Tin and Solder Plating in the Semiconductor Industry. Springer Science & Business Media. σελ. 122. ISBN 978-0-412-48240-3. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 1 Αυγούστου 2020. Ανακτήθηκε στις 16 Μαΐου 2019.
- 1 2 3 McCormick, M.; Kuhn, A. T. (1993). «The Haring-Blum Cell». Transactions of the IMF 71 (2): 74–76. doi:. ISSN 0020-2967.
- ↑ Fuller, T. F.; Harb, J. N. Electrochemical engineering; John Wiley & Sons, 2018. ISBN 9781119446583
- ↑ Gabe, David R. (2002). «Test cells for plating». Metal Finishing 100: 579–586. doi:. ISSN 0026-0576. https://archive.org/details/sim_metal-finishing_2002_100/page/578.
- ↑ Bard, Allan· Inzelt, György· Scholz, Fritz (2012). «Haring–Blum Cell». Electrochemical Dictionary. Springer. σελ. 444. doi:10.1007/978-3-642-29551-5_8. ISBN 978-3-642-29551-5.
- ↑ Wendt, Hartmut· Gerhard, Kreyse (1999). Electrochemical Engineering: Science and Technology in Chemical and Other Industries. Springer. σελ. 122. ISBN 3540643869.
- ↑ Metal Finishing: Guidebook and Directory. Issue 98. 95. 1998. σελ. 588.
- ↑ Kushner, Arthur S. (1 Δεκεμβρίου 2006). «Hull Cell 101». Products Finishing. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2010.
- ↑ Todd, Robert H.· Allen, Dell K.· Alting, Leo (1994). «Surface Coating». Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press. σελίδες 454–458. ISBN 0-8311-3049-0. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 9 Οκτωβρίου 2013.
- ↑ Emory Dean Keoke, Kay Marie Porterfield (2009). Encyclopedia of American Indian Contributions to the World: 15,000 Years of Inventions and Innovations. Infobase. σελ. 98. ISBN 978-0816040520.
- ↑ H. Lechtman, "A Pre-Columbian Technique for Electrochemical Plating of Gold and Silver on Copper Objects," Journal of Metals 31 (1979): 154–60
- ↑ New perspectives on Moche Metallurgy: Techniques of Gilding Copper at Loma Negra, Northern Peru, Heather Lechtman, Antonieta Erlij, and Edward J. Barry online abstract via www.jstor.org
- ↑ «Debunking the So-Called "Baghdad Battery"». Tales of Times Forgotten (στα Αγγλικά). 8 Μαρτίου 2020. Ανακτήθηκε στις 10 Οκτωβρίου 2021.
- ↑ «The history of galvanotechnology in Russia» (στα Ρωσικά). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 5 Μαρτίου 2012.
- ↑ Birmingham Museums trust catalogue, accession number: 1889S00044
- ↑ Thomas, John Meurig (1991). Michael Faraday and the Royal Institution: The Genius of Man and Place. Bristol: Hilger. σελ. 51. ISBN 0750301457.
- ↑ Beauchamp, K. G. (1997). Exhibiting Electricity. IET. σελ. 90. ISBN 9780852968956.
- ↑ Hunt, L. B. (March 1973). «The early history of gold plating». Gold Bulletin 6 (1): 16–27. doi:.
- ↑ Stelter, M.; Bombach, H. (2004). «Process Optimization in Copper Electrorefining». Advanced Engineering Materials 6 (7): 558. doi:.
- ↑ Feynman, Richard (1985). «Chapter 6: The Chief Research Chemist of the Metaplast Corporation». Surely You're Joking, Mr. Feynman!.
Βιβλιογραφία
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]- Dufour, Jim (2006). An Introduction to Metallurgy (5th έκδοση). Cameron.Πρότυπο:ISBN missing
