مقدمه
توسعه فناوری‌های “پاک” در همه حوزه‌های تولید صنعتی امروزه نیازی اساسی است که توسط قوانین و برنامه‌های زیست‌محیطی کشورها در سراسر جهان آغاز شده است. از مهمترین منابع آلودگی محیط‌زیست می‌توان به فرایندهای رایج مورداستفاده در عملیات پرداخت سطحی فلز مانند پوشش‌دهی الکتریکی و الکترولس پوششهای کاربردی و تزئینی اشاره کرد.
در 80 سال گذشته، از ابتدای زمانی که کروم سخت به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت، این فناوری صنعتی به یک تجارت بزرگ، سازمان‌یافته، پیشرفته و از نظر مالی قدرتمند و چندین میلیارد دلاری تبدیل شده است. تنها در یک دهه گذشته فعالیت‌های قابل‌توجهی باهدف جایگزینی سیستماتیک برخی از این فناوری‌های “کثیف” (به خصوص برای کادمیم، کروم و روی) با پوششهای خشک پرکاربرد “تمیز” شروع شده است.
در بین بسیاری از فناوری‌های موجود، بیشترین توجه به سمت روش رسوب‌دهی بخار فیزیکی (PVD) ، رسوب‌دهی بخار شیمیایی معمولی و به کمک پلاسما (PACVD و CVD) و پاشش حرارتی متمرکز شده است. تکنولوژیست‌ها و مدیران با مشکلات زیادی برای پیداکردن یک فناوری مناسب برای پوشش‌دهی که باعث تولید پوششهای مقرون‌به‌صرفه و دارای کیفیت مطابق با استانداردها باشد، روبرو بودند.
این فناوری‌های جدید، تمیز و سازگار با محیط‌زیست به آرامی بهبود یافتند و کم‌کم برای مواد مورداستفاده در ساخت ابزار، روش‌های سنتی پرداخت سطح و هندسه قدیمی ابزار و لوازم جایگزین‌هایی پیدا شد. دراین‌بین، روش پوشش‌دهی PVD به عنوان راهی مطمئن و مقرون‌به‌صرفه برای بهبود ابزارهای کار و قطعات مختلف ماشین معرفی شد. قطعاتی که عمدتاً تعداد کمی (چندین عدد تا چند صد مورد در هر سفارش) و اندازه و ابعاد نسبتاً کوچکی داشتند و به این روش به آسانی پوشش‌دهی می‌شدند؛ بنابراین در پوشش‌دهی این سفارش‌ها از رآکتورهای فله‌ای PVD استفاده می‌شود. چنین ابزارها و قطعاتی در مقایسه با قطعات پوشش‌دهی شده به روش‌های دیگر عمدتاً گران‌قیمت‌تر هستند. این بدان معنی است که مزایای پوشش PVD در عمل با کمی افزایش در هزینه‌ها به دست می‌آید.
پوششهای الکتریکی و الکترولس معمولاً برای محافظت سطوح در برابر سایش و خوردگی و همچنین برای اهداف تزئینی استفاده می‌شوند. آنها در واقع کم‌هزینه هستند و اغلب در هر بار پوشش‌دهی تعداد زیادی از قطعات با اندازه‌های یکسان به طور هم‌زمان پوشش‌دهی می‌شوند. تنوع بالا در شکل، اندازه و به خصوص در مواد و ضخامت پوشش قابل اعمال باعث افزایش وسعت کاربرد فرایندهای پوشش‌دهی الکتریکی و الکترولس شده است.
در ادامه به مقایسه پوششهای PVD و آبکاری در موارد مختلف می‌پردازیم
نرخ رسوب نشانی و ضخامت:
فناوری‌های مدرن PVD (تبخیر کردن، یون نشانی و پاشش) در حالت فله‌ای نرخ رسوب نشانی خوبی دارند که در حد نرخ رسوب نشانی روش‌های آبکاری است. با این تفاوت که در صورت استفاده از روش PVD می‌توان به طیف وسیعی از ضخامت‌ها با ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مشابه دست‌یافت که این امر در روش‌های سنتی میسر نیست. تنها محدودیت این روش ابعاد و شکل قطعه‌ی زیرلایه است.
مزیت آبکاری الکترولس نیز نسبت به آبکاری الکتریکی یکنواخت‌تر بودن ضخامت پوشش در سرتاسر قطعه است به‌طوری‌که قطعه را می‌توان به میزان موردنظر، بدون نیاز به عملیات پرداخت سطحی نهایی، پوشش‌دهی کرد.
خواص پوشش:
در روش‌های الکتریکی و الکترولس می‌توان با تغییر دادن پارامترهای رسوب نشانی، خواص پوشش را به آسانی تنظیم نمود. این کار با استفاده از اضافه‌کردن افزودنی‌های مختلف در محلول آبکاری، قابل دستیابی است. باتوجه‌به محدودیت‌های زیست‌محیطی جدید، تقریباً تمامی پوششهای سطحی سنتی با ایجاد تغییر در تجهیزات موجود، کنترل فرایند مناسب و انجام تست‌های صنعتی مداوم بر روی محصولات پوششی تولید شده، بهبودیافته‌اند. پتنت ها و نوآوری‌های بی‌شمار باعث شده‌اند که صنعت پوششهای گالوانیک به سمت تولید پوششهای کارآمدتر و باکیفیت‌تر حرکت کند و به صورت موازی، آلوده کردن آب و هوا را به حداقل برساند. چنین پوشش‌هایی عمدتاً ریزدانه و حتی نزدیک به آمورف و غیر کریستالی هستند. چنین پوشش‌هایی به دلیل چگالی بالا، مقاومت در برابر خوردگی، چسبندگی مناسب و خواص مکانیکی خوب، برای کاربردهای جدید بسیار مناسب‌اند.
در این پوشش‌ها، مورفولوژی سطح، چسبندگی، میزان تخلخل، سختی سطح و ضخامت تعیین‌کننده‌ی طول عمر مفید پوشش است. میکرو ترک‌ها، تغییر ترکیب شیمیایی و تغییرات ضخامت در نواحی مختلف از بحرانی‌ترین مشکلات برای پوششهای گالوانیک جدید هستند.
در خصوص پوششهای PVD، مقالات بسیاری وجود دارد که به بررسی خواص مختلف سیستم‌های پوششی اعمال شده به این روش پرداخته‌اند. بااین‌حال، باید در نظر داشت که پوشش اعمال شده تنها یک بخش از سیستم سه‌گانه‌ی زیرلایه – عملیات سطحی – پوشش می‌باشد که تعیین‌کننده‌ی خواص پوشش هستند؛ بنابراین، قبل از اینکه بخواهیم فناوری جایگزینی برای تولید یک پوشش انتخاب کنیم، باید حتماً مطالعه‌ای دقیق بر روی سیستم سه‌گانه داشته باشیم. به کمک زیرلایه های آزمایشی می‌توان مشخصه‌یابی کاملی انجام داد و با مقایسه کردن آن با روش‌های دیگر پوشش‌دهی، عملیات سطحی موردنیاز برای بهبود خواص را پیش‌بینی کرد.
پوششهای کاربردی PVD (از جمله Ni، Cr، TiN، ZrN، CrN، TiAlN، TiC، CrC، WC/C) باید به‌طورکلی به اندازه کافی ضخیم بوده (حداقل چند میکرومتر) و چسبندگی بالا و مقاومت در برابر سایش و خوردگی مناسبی داشته باشند. از سوی دیگر، پوششهای تزئینی PVD باید در مقابل سایش و خط و خش، خوردگی و اثرات محیطی بادوام بوده و ویژگی‌های ظاهری و نوری مناسبی (رنگ، تلألؤ، براقیت) داشته باشند و تا حد ممکن بتوانند با پوششهای تزئینی گالوانیک رقابت کنند. طیف کامل رنگی را می‌توان با تکنیک‌های مختلف PVD به دست آورد. به طور مثال ZrN (نزدیک‌ترین رنگ به طلای طبیعی) و Ti (N, O, C) که طیف‌های مختلف رنگ سیاه را ایجاد می‌کند.
چسبندگی:
در صنعت آزمون های چسبندگی به روش های Flyer plate ، ring shear و conical head انجام می شود ، در حالی که تکنیک رایج در آزمایشگاه ها، آزمایش خراش با قلم الماسه (REVETEST) است.
از نظر چسبندگی ، فرآیند PVD یون نشانی با پیش تمیز کاری اولتراسونیک و سپس تمیز کاری زیر لایه به روش پلاسما در محل، تکنیکی برتر از تکنیک های پاششی و به ویژه تبخیر کردن است. و در صورت به کار گیری این روش، به ندرت پیش می آید که از یک لایه میانی مستقل به عنوان ابزاری برای بهبود چسبندگی در سیستم پوششی استفاده شود.
بنابراین ، فن آوری های PVD به راحتی می توانند از تمام مشکلات پوشش های گالوانیک (مراحل پیش آماده سازی، مواد شیمیایی ، اچانت ها) به دور باشند.
چسبندگی پوشش های ضخیم تر از 5-3 میکرومتر (برای اکثر فلزات، TiN و سایر پوشش های PVD) به دلیل تنش داخلی نسبتاً زیاد، گاهی اوقات با مشکلاتی مواجه است. تنها پوشش های مبتنی بر کروم (Cr, CrN, CrC, CrON) هستند که به راحتی تا 20 یا حتی تا 50 میکرو متر قابل اعمال هستند. در صورت نیاز به پوشش های ضخیم، عمدتا با هدف محافظت در برابر خوردگی، می توان PVD و آبکاری را باهم ترکیب کرد. در چنین حالتی، تا حدودی مزایای زیست محیطی را از دست خواهیم داد.
خوردگی و تخلخل:
هنگامی که جایگزین کردن یک پوشش گالوانیک با پوشش PVD در نظر گرفته شود ، مقاومت در برابر خوردگی مناسب پوشش های محافظ سخت PVD، همواره یکی از اصلی ترین اهدافی است که باید بدست آید. به طور کلی ، ظاهر خوردگی پوشش ارتباط نزدیکی با کیفیت سطح زیر لایه دارد. این کیفیت به طور مستقیم بر خواص پوشش و خصوصاً مقاومت در برابر خوردگی تأثیر می گذارد. در مورد پوشش های الکترولس و الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی می تواند توسط پیش عملیات اصلاح سطحی چند مرحله ای، کنترل ریزساختار پوشش (متراکم و غیر متخلخل) و کنترل ضخامت که مهمترین فاکتور است، بهبود یابد.
امروزه اطلاعتی در خصوص حداقل ضخامت توصیه شده برای پوشش دهی مواد مختلف (Ni، Cu، Cr، Zn، Sn، Cd، Au، Ag و …) بر روی آهن ، فولاد ، برنج ، مس و آلیاژهای آن، منیزیم و آلیاژهای آن ، پلاستیک ، شیشه و غیره از طریق معیارهای دانش فنی عمومی ، استاندارد ASTM، استاندارد DIN و یا پتنت های مختلف در دسترس هستند.
در موارد پرمصرف تر، به جای پوششهای معمولی Ni یا Cr ، پوششهای محافظتی ویژه ای تولید شدند. این پوشش های گالوانیکی بهبود یافته به عنوان پوشش های “میکرو ترک”، “میکرو تخلخل” یا پوشش های ترکیبی شناخته می شوند.