فرآیند آبکاری قلع: راهنمای گام به گام
حقایق سریع درباره قلع
قلع فلزی نرم، چکشخوار و به رنگ سفید نقرهای است که به وفور در بسیاری از نقاط جهان موجود است. قدمت استخراج قلع به حدود 3000 سال قبل از میلاد در عصر برنز باز می گردد. برنز یک آلیاژ قهوه ای مایل به زرد از مس و قلع است که معمولاً از حدود یک سوم قلع تشکیل شده است. اولین اشیاء برنزی حاوی یک جزء کوچک قلع بودند. چینی ها در حدود 700 سال قبل از میلاد شروع به استخراج قلع کردند امروزه قلع در چین، تایلند و اندونزی یافت می شود و همچنین در برزیل، پرو و بولیوی استخراج می شود. قلع از احیای کربوترمیک کانسنگ اکسیدی بدست می آید که با حرارت دادن سنگ معدن در کوره تولید می شود.
سایر حقایق کلیدی قلع
قلع چهل و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. قلع در جدول تناوبی عناصر با نماد اتمی “Sn” و عدد اتمی 50 ذکر شده است. قلع یک عنصر بومی نیست، به این معنی که باید از سنگ معدن استخراج شود، نه اینکه در حالت طبیعی یافت شود. قلع را می توان از سنگ معدن های مختلف استخراج کرد، اما رایج ترین سنگ معدن کاسیتیت (SnO2) است. در حالی که قلع در شکل فلزی آن غیر سمی است، برخی از ترکیبات قلع می توانند سمی باشند. مقدار کمی قلع در ایالات متحده عمدتاً در آلاسکا و کالیفرنیا یافت می شود. ترکیب کریستالی قلع باعث ایجاد صدای جیغ متمایز در هنگام خم شدن فلز می شود که به “گریه قلع” معروف است.
مزایای قلع در فرآیند آبکاری
چرا قلع انتخاب محبوبی برای آبکاری است؟ شاید بزرگترین دلیل این باشد که آبکاری قلع – یا “قلعکاری” – یک فرآیند بسیار مقرونبهصرفه است. از آنجایی که قلع بسیار آسان در دسترس است، بسیار ارزانتر از فلزات گرانتر مانند طلا، پلاتین یا پالادیوم است. قلع همچنین قابلیت لحیم کاری عالی و همچنین محافظت عالی در برابر خوردگی را ارائه می دهد.
آبکاری قلع می تواند رنگ خاکستری مایل به سفیدی را ایجاد کند که در صورت تمایل ظاهری کدر یا مات ترجیح داده می شود. همچنین می تواند ظاهری براق و فلزی ایجاد کند که درخشندگی کمی بیشتر باشد. قلع سطح مناسبی از رسانایی را ارائه می دهد و باعث می شود آبکاری قلع در ساخت قطعات الکترونیکی مختلف مفید باشد. قلع همچنین برای استفاده در صنعت خدمات غذایی مورد تایید FDA است.
صنایعی که از آبکاری قلع استفاده می کنند
مزایای ذکر شده در بالا، قلع را به فلز انتخابی برای کاربردهای آبکاری در طیف وسیعی از صنایع از جمله:
هوافضا، سرویس غذا، الکترونیک، مخابرات، جواهر سازیفرآیندهای پایه آبکاری قلع
سه نوع اصلی آبکاری قلع وجود دارد که هر کدام به رسوب محلول الکترولیتی قلع بر روی سطح یک جسم فلزی متکی است:
آبکاری بشکه ای (گردون)
آبکاری بشکه ای معمولاً برای آبکاری قطعات کوچکتر استفاده می شود و مستلزم قرار دادن اجسام در یک ظرف مخصوص ساخته شده است که معمولاً به آن بشکه می گویند. بشکه در حالی که در محلول آبکاری الکترولیتی غوطه ور است به آرامی می چرخد. آبکاری بشکه ای قلع بسیار مقرون به صرفه است، اگرچه تکمیل فرآیند آبکاری به زمان نسبتاً طولانی نیاز دارد.
آبکاری قفسه ای
آبکاری قفسه ای گزینه ارجح برای آبکاری قلع بر روی قطعات بزرگتر یا ظریف تر است که ممکن است برای فرآیند آبکاری بشکه مناسب نباشد. با آبکاری قفسه ای، اجسام را روی یک قفسه آویزان کرده و در محلول آبکاری غوطه ور می کنند. اگرچه آبکاری قفسه کار فشردهتر و در نتیجه گرانتر از آبکاری بشکه است، کنترل بیشتری بر ضخامت آبکاری ارائه میدهد و میتواند در رسیدن به حفرههای عمیق درون جسم مؤثرتر باشد.
آبکاری ارتعاشی
همچنین برای قطعات ظریف استفاده می شود، آبکاری ویبره شامل قرار دادن قطعات در سبدی مجهز به دکمه های فلزی است که حاوی محلول آبکاری الکترولیتی نیز می باشد. یک ژنراتور برای تولید یک عمل ارتعاشی استفاده می شود که باعث حرکت قطعات و تماس با دکمه های فلزی می شود. آبکاری ارتعاشی معمولاً گرانترین شکل آبکاری قلع است و به فرآیند خشک کردن خاصی نیاز دارد که ممکن است باعث خم شدن قطعات شود.
فرآیند آبکاری قلع
قلع را می توان تقریباً بر روی هر نوع فلزی با الکترود رسوب داد. بیایید نگاهی دقیقتر به اجزای خاص فرآیند موثر آبکاری قلع بیندازیم:
تمیز کردن
تمیز کردن بستر (بخشی که پوشش قلع را دریافت می کند) قبل از غوطه ور شدن در حمام آبکاری بسیار مهم است. تمیز کردن روغن، گریس و سایر آلودگیهای سطحیرا که میتوانند اثربخشی فرآیند آبکاری را کاهش دهند، از بین میبرد.
تمیز کردن یک فرآیند چند مرحلهای است که بسته به ترکیب زیرلایه و میزان کثیفی و زبالههای موجود در آن و همچنین انواع تجهیزات تمیزکننده موجود برای استفاده میتواند تا حدودی متفاوت باشد
به طور کلی، فرآیند تمیز کردن شامل:
سند بلاست
فرآیند استفاده از هوای تحت فشار برای پخش موادی مانند شیشه خرد شده، اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیکون، فولاد، بلال ذرت یا پوسته گردو برای حذف مواد خارجی از سطح است.
جوشاندن
جوشاندن بستر در آب می تواند یک روش موثر برای از بین بردن چربی و روغن بدون استفاده از افزودنی های شیمیایی باشد.
چربی زدایی الکترولیتی
غوطه ور کردن زیرلایه در محلول الکترولیتی، چربی و روغنی را که در ترک ها، شکاف ها و سایر نواحی سطحی صعب العبور انباشته شده اند، از بین می برد.
شستشو
شستشوی بستر در آب پس از چربی زدایی الکترولیتی، محلول تمیزکننده باقیمانده و زباله های سطحی را از بین می برد.
آماده سازی حمام آبکاری
مرحله بعدی تهیه محلول الکترولیتی است که به عنوان حمام آبکاری نیز شناخته می شود. حمام های آبکاری قلع الکترولیتی می توانند از محلول های قلع اسیدی، قلع قلیایی یا اسید متیل سولفونیک تشکیل شوند. حمام آبکاری شامل قلع است که برای تشکیل یون های دارای بار مثبت که در محلول معلق هستند و همچنین سایر افزودنی های شیمیایی حل می شود. حمام به عنوان یک محیط رسانا در طول رسوب الکتریکی عمل می کند.
حمامهای اسیدی معمولاً بیشتر استفاده میشوند، زیرا منجر به نرخ رسوب بالاتری میشوند. با این حال، در حالی که حمام های اسیدی به طور کلی یک پوشش یکنواخت ارائه می دهند، همیشه به سوراخ ها یا سایر بی نظمی های سطحی با سطح بالایی از ضخامت نمی رسند.
روش رسوب الکتریکی (آبکاری)
هنگامی که بستر تمیز شد و در حمام الکترولیت غوطه ور شد، برای رسوب الکتریکی پوشش قلع آماده است. جسم معمولاً در مرکز مخزن طراحی شده مخصوص قرار می گیرد که حاوی محلول الکترولیتی است. جسم به عنوان کاتد عمل می کند که الکترود با بار منفی در مدار الکتریکی است. آندها که الکترودهای دارای بار مثبت در مدار هستند در نزدیکی لبه مخزن آبکاری قرار می گیرند.
مرحله بعدی وارد کردن جریان DC ولتاژ پایین به حمام آبکاری است. دستگاهی به نام یکسو کننده برای تبدیل برق AC به جریان DC استفاده می شود. ورود جریان الکتریکی در نهایت باعث می شود که یون های دارای بار مثبت در آند از طریق الکترولیت در حمام آبکاری به سمت کاتد با بار منفی (زیر لایه) جریان پیدا کنند، جایی که آنها بر روی سطح قرار می گیرند. سپس جریان به سمت آند برمی گردد تا مدار کامل شود.
فرآیند بعد از آبکاری
معمولاً در پایان فرآیند آبکاری قلع، فرآیند نهایی مورد نیاز نیست. غیرفعال کردن یا همان پسیو کردن که استفاده از یک پوشش سبک از مواد محافظ است ممکن است در کاربردهای آبکاری ویژه برای ایجاد حفاظت بیشتر در برابر خوردگی یا افزایش خواص واکنشی قلع استفاده شود. همچنین ممکن است از عملیات حرارتی برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن استفاده شود که تضعیف فلز ناشی از قرار گرفتن در معرض هیدروژن است.
مسائل رایج آبکاری قلع
تعدادی از مشکلات ممکن است در طول فرآیند آبکاری قلع رخ دهد که می تواند بر نتیجه نهایی تأثیر منفی بگذارد. این شامل:
پرزهای (ویسکر) قلع
برآمدگی های کوچک و تیز معروف به سبیل(پرز) می توانند روی سطح اجسام قلع اندود خالص مدت ها پس از پایان فرآیند آبکاری ایجاد شوند. این الیاف فلزی میکروسکوپی با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند، اما می توانند آسیب قابل توجهی به محصول نهایی وارد کنند. از آنجایی که رسانای الکتریکی هستند، ویسکرها می توانند باعث اتصال کوتاه در قطعات الکترونیکی شوند. حتی شناخته شده است که ویسکرهای حلبی منجر به از کار افتادن سیستم های کامپیوتری و ماهواره ها و همچنین اختلال در عملکرد نیروگاه های هسته ای می شوند. مشخص نیست که چه چیزی باعث تشکیل ویسکرهای حلبی می شود و هیچ روش اثبات شده ای برای جلوگیری کامل از آنها وجود ندارد.
عدم ضخامت یکنواخت
در برخی موارد، قلع ممکن است به طور یکنواخت روی جسم آبکاری شده رسوب نکند. گاهی اوقات، شکل و کانتور جسم، دستیابی به ضخامت مورد نظر را که معمولاً بین ده تا 20 میکرون است، دشوار می کند. هنگام آبکاری روی اجسام فلزی با گوشه های تیز، قلع ممکن است با ضخامت بیشتری در قسمت بیرونی رسوب کند. گوشه ها و کاهش ضخامت در نواحی فرورفته. این اغلب با تغییر موقعیت آندها و تغییر چگالی جریان DC قابل رفع است.
قابلیت لحیم کاری فاسد شدنی: در حالی که فلزات قلع اندود برای لحیم کاری عالی خود شناخته شده اند، این ویژگی به مرور زمان کاهش می یابد. طول عمر لحیم کاری را می توان از طریق مشخصات رسوب گذاری مناسب، آماده سازی بستر مناسب و بسته بندی مناسب اجزای آبکاری شده افزایش داد. آب بندی محصولات آبکاری شده در کیسه های پر از نیتروژن باعث افزایش ده برابری عمر مفید لحیم کاری می شود.
آبکاری آلیاژ قلع
یکی از راههای تقویت فرآیند آبکاری قلع، رسوبگذاری (آلیاژسازی) قلع با فلز دیگر یا چند فلز است. آلیاژهای قلع رایج عبارتند از
- سرب قلع: مقاومت در برابر خوردگی و لحیم کاری عالی را ارائه می دهد و می تواند یک روکش نرم و انعطاف پذیر ایجاد کند و در عین حال از ایجاد ویسکرقلع جلوگیری کند.
- قلع-مس: استحکام کلی پوشش را بهبود می بخشد، اما ممکن است آن را شکننده تر کند. همچنین می تواند منجر به خیس شدن ناکافی برای کاربردهای لحیم کاری شود و باعث توسعه ویسکرهای قلع شود.سرب-قلع-مس: این ترکیب اغلب برای کاهش اصطکاک در یاتاقان های موتور کشویی استفاده می شود.قلع-نقره : ستحکام مکانیکی کلی را بهبود می بخشد و حداکثر دمای سرویس را افزایش می دهد، اما جزء نقره می تواند این آلیاژ را برای بسیاری از شرکت ها مقرون به صرفه نکند.
- قلع روی: قطه ذوب بالا و استحکام خستگی عالی را ارائه می دهد، اما منجر به ترشوندگی ضعیف و محافظت محدود در برابر خوردگی می شود.قلع-بیسموت: ایده آل برای کاربردهای آبکاری در دمای پایین، این آلیاژ همچنین ترشوندگی خوبی را ارائه می دهد و می تواند تشکیل ویسکررا محدود کند. با این حال، ممکن است با اجسام حاوی سرب سازگار نباشد و نقطه ذوب پایین آن را برای اکثر فرآیندهای آبکاری در دمای بالا نامناسب می کند.
آلیاژ سرب قلع را برای کاهش ویسکرقلع در نظر بگیرید
اگر ویسکرهای قلع در محیط تولید شما نگران کننده هستند، باید به شدت آلیاژ آبکاری قلع سرب را در نظر بگیرید . بر خلاف قلع خالص، همانطور که قبلا ذکر شد، سرب قلع می تواند در جلوگیری از تشکیل ویسکرها موثر باشد، و آن را به انتخابی عالی در ساخت قطعات الکترونیکی مانند برد مدار چاپی، اتصال دهنده ها و نیمه هادی ها تبدیل می کند. از آنجایی که هر دو فلز دارای ولتاژ هیدروژن بالا هستند، رسوب یک آلیاژ قلع سرب را می توان از طریق محلول های اسید قوی بدون افزودن عوامل کمپلکس کننده تولید کرد.
علاوه بر کاهش سبیل، یک آلیاژ قلع می تواند محافظت بیشتری در برابر خوردگی نسبت به قلع خالص به تنهایی ارائه دهد. سرب قلع نیز لحیم کاری عالی را ارائه می دهد و می تواند سطح نرم تر و انعطاف پذیرتری ایجاد کند. به دلیل شکلپذیری، سرب قلع میتواند از آسیب به فلز زیرین در طی فرآیندهای ساخت سخت مانند مهر زنی جلوگیری کند.
