ציפוי מתכת

ציפוי מתכת הוא כיסוי משטח בו נבנית שכבת מתכת על משטח מוליך. ציפויים מבוצעים כבר במשך מאות שנים; הציפויים קריטיים גם לטכנולוגיה מודרנית. ציפוי משמש לקישוט חפצים, לעיכוב קורוזיה, לשיפור ההלחמה, להקשחה, להפחתת החיכוך, לשיפור הדבקת הצבעים, לשיפור המוליכות, למיגון קרינה ולמטרות אחרות. בתכשיטים בדרך כלל משתמשים בציפוי כסף ניקל או זהב כדי לתת גימור. בציפוי אלקטרוליטי, יוני מתכת מחוזרים (מקבלים אלקטרונים ליצירת ציפוי מתכתי על מצע. מערכת נפוצה כוללת תמיסה של הצורה היונית של המתכת, אנודה (טעונה חיובית) שעשויה להיות מורכבת מהמתכת המצופה או אנודה מהחומרים פחמן, פלטינה, טיטניום, עופרת או פלדה וקתודה (טעונה שלילית) שהיא המשטח אותו מצפים בה מסופקים אלקטרונים ליוני המתכת לייצור שכבה דקה של מתכת (נייטרלית מבחינה חשמלית) על החלק המצופה. ציפוי ללא חשמל (Electroless plating), המכונה גם ציפוי כימי או ציפוי קטליטי, הוא שיטת ציפוי לא גלוונית המערבת מספר תגובות בו זמנית בתמיסה מימית, המתרחשות ללא שימוש בכוח חשמלי חיצוני. התגובה מתבצעת כאשר משוחרר מימן ומייצר מטען שלילי על פני החלק. שיטת הציפוי האלקטרונית הנפוצה ביותר היא ציפוי ניקל קטליטי (electroless nickel plating) ציפוי ניקל, אם כי ניתן ליישם באותה שיטה גם שכבות כסף, זהב ונחושת. ערך מורחב – מיתוך ציפוי מתכתי או מיתוך (Metallizing) הוא השם הכללי לטכניקה של ציפוי מתכת על מוצרים. ציפויים מתכתיים עשויים להיות דקורטיביים, או להגנה על פני השטח. לדוגמה בציפוי מתכתי של זכוכית עם כסף נקבל ראי. בתהליך זה ניתן לצפות חומרים שאינם מוליכים חשמלית. התהליך הכללי הוא צריבת פני השטח עם חומצה ולאחר מכן ציפוי מוקדם עם נחושת או ניקל בתהליך ציפוי לא אלקטרוליטי ולאחר מכן לצפות שכבה נוספת של החומר הסופי כמו כסף. הציפוי המוקדם מיועד לשיפור תכונת ההידבקות של המתכת. בציפויי המרה מבוצעת פעילות כימית על השטח החיצוני ללא תוספת חומרים אחרים. למשל אלגון – אלומיניום היא מתכת קלה ובעלת מוליכות חשמל גבוהה, ומשום כך בעלת יתרונות על מתכות ברזיליות ופלדות. עם זאת, יש צורך להקשות את פני השטח, בתהליך של טבילה בכימיקלים שונים מקבלים שכבת חמצון שיוצרת שכבת מגן על פני החלק. שימוש בתהליך זה זה נעשה למטרות תעשייתיות בהן נדרשת עמידות של אלומיניום ונתיכיו בתנאים קשים כגון שחיקה, בידוד חשמלי גבוה, עמידות בקורוזיה ובתנאי מים. חלק מעובי הציפוי נבנה בעומק השטח והיתרה נבנית כשכבה חיצונית. פאסיבציה לסגסוגות נחושת הוא תהליך בתהליך שמתבצע בטבילה במלחי כרום. מתקבלת שכבה אנטי קורוזיבית שמונעת חמצון ומגינה על שטח הפנים. השכבה המתקבלת מבריקה יותר, שומרת על גוון חומר הבסיס ומונעת השחרה. בציפוי זה ניתן לבצע ציפוי בשכבה דקה מאוד עד כדי יכולת לציפוי פרטים בממדי אטום, ולכן הציפוי מוצא שימוש רב ננוטכנולוגיה. ובא לידי שימוש בתהליכים חדשים כמו ציפוי אלקטרוליטי (Electroplating), ריבוץ בריק (Vacuum deposition) וריבוץ מותז (Sputter deposition). ציפוי זה הוא שכבת חומר דקה ביותר בערכים של חלקי ננומטר עד כמה מיקרונים. ההתקדמות בטכניקות סרט דק במהלך המאה ה-20 אפשרה מגוון רחב של פריצות דרך טכנולוגיות בתחומים כמו מדיה להקלטה מגנטית, התקני מוליכים למחצה אלקטרוניים, נוריות לד, ציפויים אופטיים (Optical coating), וציפויים קשים על כלי חיתוך, שיטה מקובלת בציפוי זה היא בנייה רב שכבתית של שכבות דקות מחומרים שונים. ציפוי זהב הוא שיטה ליישום שכבת זהב דקה על פני זכוכית או מתכת, לרוב נחושת או כסף. ציפוי זהב משמש לעיתים קרובות באלקטרוניקה, כדי לספק שכבה עמידה בפני קורוזיה ומוליכה חשמלית על נחושת, בדרך כלל במחברים חשמליים ובמעגלים מודפסים. עם ציפוי ישיר מזהב על נחושת, אטומי הנחושת נוטים להתפזר בשכבת הזהב, וגורמים להכתמת פני השטח ולהיווצרות שכבת תחמוצת / גופרית. לפיכך, יש לצפות בשכבת ביניים של מתכת מתאימה, בדרך כלל ניקל, על מצע הנחושת ורק אחר כך ציפוי נחושת-ניקל-זהב. מתכות וזכוכית עשויים להיות מצופים בזהב למטרות נוי, תוך שימוש במספר תהליכים שונים המכונים בדרך כלל זיהוב (Gilding). ספיר, פלסטיק וסיבי פחמן הם חומרים שיכולים להיות מצופים בטכניקות ציפוי מתקדמות. המצעים בהם ניתן להשתמש כמעט בלתי מוגבלים. ציפוי כסף משמש מאז המאה ה-18 כדי לספק גרסאות זולות יותר של פריטי בית שאחרים היו עשויים מכסף מלא, כולל סכו"ם, כלים מסוגים שונים ופמוטים. בבריטניה סוחרי כסף ואספני כסף, משתמשים במונח "Silver plate" לפריטים העשויים מכסף מלא, שמקורו הרבה לפני שהומצא ציפוי הכסף מהמילה הספרדית לכסף "פלטה" (plata), שוד כסף מספינות ספרדיות נושאות כסף מאמריקה הייתה אז מקור רציני לכסף. הצורה המוקדמת ביותר של ציפוי כסף הייתה מיזוג גיליונות כסף דקים על שכבה על מתכת בסיסית, אולם במאה ה-19 הוצגו שיטות ייצור חדשות (כולל ציפוי אלקטרוליטי). ליישומים בתחום האלקטרוניקה משתמשים לעיתים קרובות בכסף לציפוי נחושת שכן ההתנגדות החשמלית שלו נמוכה יותר. קבלים משתנים נחשבים לאיכותיים ביותר כאשר יש להם לוחות בציפוי כסף. יש לשמור על חלקים החשופים לסביבות לחות גבוהה מכיוון שבסביבות כאלה, כאשר שכבת הכסף נקבובית או מכילה סדקים, הנחושת שבבסיס עוברת קורוזיה גלוונית מהירה, מתנתקת מהציפוי וחושפת את הנחושת עצמה. נחושת מצופה כסף שמוחזקת בסביבה ללא לחות לא תינזק. ציפוי נחושת הוא תהליך היווצרות אלקטרוליטית של שכבת נחושת על פני השטח של פריט. ציפוי רודיום (Rhodium plating) משמש לציפוי זהב לבן, כסף או נחושת וסגסוגותיו. בדרך כלל מבוצע ציפוי שכבת הגנה של ניקל על כסף, אם כי במקרה זה אין זה כדי למנוע נדידת כסף דרך רודיום, אלא כדי למנוע זיהום של אמבט הרודיום בכסף ונחושת, שמתמוססים מעט בחומצה הגופריתית הנמצאת בדרך כלל בהרכב האמבטיה. ציפוי כרום הוא ציפוי גימור ומיועד לתת לפני השטח מראה יפה, כרום דק ובהיר מעניק גימור דמוי מראה לפריטים כמו מסגרות רהיטי מתכת וחלקי רכב הציפוי מבוסס על ריבוץ אלקטרוליטי (Electrolytic deposition) של כרום. הצורה הנפוצה ביותר של ציפוי כרום היא "הכרום הבהיר" הדק בעובי שכבה של 10 מיקרון. בעת ציפוי על ברזל או פלדה, הנקבוביות (חורים זעירים) בשכבות הניקל והכרום פועלות להקל על הלחץ הנגרם כתוצאה מהתאמה של התרחבות תרמית אך בעוביים שונים ידרשו איזונים שונים של התכונות האמורות. כרום דק ובהיר מעניק גימור דמוי מראה לפריטים כמו מסגרות רהיטי מתכת וחלקי רכב. ציפוי זה מגיע עד לעובי 1,000 מיקרון, ונקרא "כרום קשה" ומשמש בציוד תעשייתי להפחתת חיכוך ובלאי. שימוש חשוב ביותר הוא שיפוץ חלקים יקרים במערכות תעופתיות אשר ניזוקו עקב שימוש, חלקים אלה משופצים על ידי תהליך של בניית שכבה חדשה של ציפוי כרום קשה שמאפשרת לחזור לגאומטריה המקורית. התהליך משולב – השחזה של אזור הבלאי כהכנה לציפוי, ציפוי כרום והשחזה סופית. לכרום הקשה ערכי קושי של כ-58 HRC. ציפוי אבץ מונע חמצון של המתכת המוגנת על ידי היווצרות שכבה מגינה. האבץ משמש כאנודה אם השכבה נפגעת נוצרת. תחמוצת אבץ שהיא אבק לבן דק אשר (בניגוד לתחמוצת ברזל) אינו גורם לנזק למשטח המצופה. תחמוצת האבץ, אם היא לא מופרעת, יכולה לשמש כחסם בפני חמצון נוסף, מרבית חלקי החומרה הם בציפוי אבץ ולא בציפוי קדמיום. ציפוי אבץ-ניקל הוא אחד הגימורים הטובים ביותר העמידותו בפני קורוזיה מעל פי חמישה מהעמידה של ציפוי אבץ קונבנציונלי, בדיקות העמידות מגיעות עד 1,500 שעות של מבחן של ריסוס מלח נייטרלי. ציפוי זה הוא שילוב של סגסוגת אבץ גבוהה-ניקל (10-15% ניקל) משמש להגנה על פלדה, ברזל יצוק, פליז, נחושת וחומרים אחרים, ציפוי חומצי זה הוא אפשרות בטוחה לסביבה.לעומת כרומטים שסווגו כגורם מסרטן על ידי ה-EPA וה-OSHA. בתהליך ציפוי בדיל נעשה שימוש נרחב להגנה על משטחים ברזליים וגם על משטח שאינו ברזלי. בדיל הוא מתכת שימושית לתעשיית עיבוד המזון מכיוון שהוא אינו רעיל, רקיע ועמיד בפני קורוזיה. השמישות המצוינת של בדיל מאפשרת ליצור יריעת מתכת בסיסית מצופה בדיל למגוון צורות מבלי לפגוע בשכבת הפח המקורית. הוא מספק הגנה בסביבה של נחושת, ניקל ומתכות לא ברזליות אחרות, אך לא לפלדה. הבדיל נמצא בשימוש נרחב גם בתעשיית האלקטרוניקה בגלל יכולתו להגן על המתכת הבסיסית מפני חמצון ובכך שומר על יכולת ההלחמה שלו. ביישומים אלקטרוניים ניתן להוסיף עופרת של 3% עד 7% לשיפור יכולת ההלחמה. ניתן לבצע ציפוי מחומר מרוכב על בסיס קרבידים של מתכות והרכבם יכול לשפר את תכונות העמידה בבלאי, הביצועים בטמפרטורה גבוהה או החוזק המכני. חומרים המשמשים בקבוצה זו הם טונגסטן קרביד, סיליקון קרביד, כרום קרביד, ותחמוצת אלומיניום (אלומינה) המשמשים גם בייצור כלי חיתוך. לציפוי קדמיום שורה ארוכה של יתרונות טכניים כמו עמידות בפני קורוזיה מעולה גם בעובי נמוך יחסית ובאווירות מלח, תאימות גלוונית לאלומיניום, ניתן לצביעה, יש לו שימון טוב והתאמה להלחמה, ציפוי קדמיום נמצא בתהליך הוצאה משימוש בגלל הרעילות הסביבתית של מתכת הקדמיום. ציפוי קדמיום נמצא בשימוש נרחב ביישומים מסוימים בתחומי התעופה והחלל, הצבא והתעופה. עם זאת, עקב רעילותה נמצאו תחליפים לציפוי זה. ניתן להחליף ישירות ציפוי קדמיום בציפוי זהב מכיוון שהוא חולק את מרבית מאפייני החומר, אך זהב יקר יותר ואינו יכול לשמש בסיס צבע. קיימים תחליפים זולים יותר. בהשוואה לציפוי קדמיום, ציפוי ניקל מציע גימור נוצץ וקשה יותר, אך עמידותו בפני קורוזיה נמוכה יותר, וכתוצאה מכך יש לו נטייה להתקלף אם יעבור עיבוד מכני נוסף. ציפוי ניקל קטליטי (Electroless), הידוע גם בשם NiP, מציע יתרונות רבים: עובי שכבה אחידה על פני המשטחים המסובכים ביותר, ציפוי ישיר של מתכות ברזליות (פלדה), עמידה מעולה בשחיקה ועמידות בפני קורוזיה לעומת ניקל או כרום. ניתן להחליף חלק ניכר מציפויי הכרום בענף התעופה והחלל בציפוי ניקל זה. אחת מתכונותיו של ציפוי ניקל קטליטי הוא הידבקות טובה לפני השטח כאשר מצופות כראוי. הציפוי אינו מגנטי ואמורפי. שכבות הציפוי אינן ניתנות להלחמה בקלות, והן אינן נתפסות במתכות אחרות. התנגדות חשמלית גבוהה יותר לעומת ציפוי מתכת טהורה. אלגון תהליך ציפוי על ידי התזת אבקות מתכת הניתנות לשחיקה מדיה וקבצים בנושא ציפוי מתכת בוויקישיתוף MATerials Science & Engineering Federation Electrochemistry Encyclopedia New nano-ceramic coating technology brings zinc plating totally free of chromate and heavy metal ions ציפוי מתכת, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Kuo, Hong-Shi; Hwang, Ing-Shouh; Fu, Tsu-Yi; Lin, Yu-Chun; Chang, Che-Cheng; Tsong, Tien T. (7 בנובמבר 2006). "=Noble Metal/W(111) Single-Atom Tips and Their Field Electron and Ion Emission Characteristics". Japanese Journal of Applied Physics. 45 (11): 8972–8983. Bibcode:2006JaJAP..45.8972K. doi:10.1143/JJAP.45.8972. {{cite journal}}: (עזרה) "Plating on Plastics". Epner Technology, Inc. אורכב מ-המקור ב-2013-11-01. נבדק ב-2013-10-30. באנגלית משמעות המילה "plate" היא לצפות Clint DeBoer (2009-07-23). "Silver Saboteurs - Are Silver Audio Cables Better?". Audioholics. אורכב מ-המקור ב-2012-01-30. נבדק ב-2011-12-11. Pushpavanam, M; Raman, V; Shenoi, B (1981). "Rhodium — Electrodeposition and applications". Surface Technology. 12 (4): 351. doi:10.1016/0376-4583(81)90029-7. Inc., Gatto Industrial Platers. "Zinc Nickel Plating - Zinc Nickel Electroplating - Gatto Industrial Platers, Inc". www.gattoplaters.com. אורכב מ-המקור ב-2016-02-07. "Health Effects Notebook for Hazardous Air Pollutants". EPA.gov. נבדק ב-2020-03-03. "Chemical Sampling Information - Chromium (VI) (Hexavalent Chromium) - Occupational Safety and Health Administration". www.osha.gov. אורכב מ-המקור ב-2016-03-05.