إلباس السطح surface coating هو تغطية سطح معدن أو سبيكة ـ خليطة alloy سواء بتعديل طبيعة هذا السطح بفعل كيمياوي أو إضافةٍ سطحيةٍ معدنيةٍ أو غير معدنية.






ويرمي
هذا الإلباس ـ بحسب استعمالات القِطَع المعالجة ـ إلى ضمان فعلٍ زخرفي مع
تجنب التأكسد السطحي والكُمْدَة أو التأثر الموضعي في جوٍ عادي أو مؤذٍ أذى
خفيفاً، وحماية القطع المعدنية المعرضة إلى وسط سائل أو غازي أكّال سواء
أكان حمضياً أم أساسياً أم ملحياً، أو القطع التي ترتفع درجات حرارتها
كثيراً في أجواء مؤثرة كالأجواء المؤكسدة أو المكَرْبِنَة أو المكَبْرِتَة،
وتحسين الصفات السطحية وذلك لتخفيف تأثر الاحتكاك بخفض معامل الاحتكاك
وبتنعيم السطح أو بصقله أو بغير ذلك، وتجنب بِلى القِطَع بزيادة قساوتها
السطحية، وتسهيل توضع الدهانات أو البرانيق، أو تيسير تماس القطع بغية
لحمها.

أسباب ائتكال السطوح المعدنية

للائتكال أسباب كثيرة (الشكل 1)، والرئيسة منها هي:

الوسط الخارجي:
أي الطبيعة والتركيز الكيمياوي والشوائب ودرجة الحرارة والضغط والخضخضة
والإشعاع الضوئي، ووجود تيارات كهربائية والناقلية الكهربائية وغيرها.

العوامل الخاصة بالمعدن: كالتركيب والنقاء والتجانس والبنية والحالة الفيزيائية ـ الكيمياوية (المعالجة الحرارية، التشوه) والتوترات الداخلية.






شكل القطعة وشروط الاستعمال: كالمظهر
العام وحالة السطح (الإنهاء والخشونة والتحزيزات) والتماس مع معادن أخرى،
والتوترات وشروط الغْمر أو التَّعريض ودرجة حرارة القطعة وغيرها.

ويتبدى
المظهر الخارجي للائتكال الكهركيمياوي بالانحلال المصعدي الناتج من فرق
الكمون أو من المزدوجة الغلفانية التي تتكون بين المعدنين المغمورين، أو
بين مناطق مختلفة «البنية» للسبيكة ـ الخليطة نفسها أو بين أجزاء مختلفة من
القطعة نفسها المغمورة جزئياً (الشكل 2) (ظاهرة إيفانس Evans
أو ظاهرة التهوية التفاضلية)، وهكذا يؤتكل الحديد المغمور جزئياً في الماء
ولاسيما عند حد مستوى الماء نتيجةً للفرق في الكمون بين الجزء المغمور غير
المهوّى والجزء المعرَّض للهواء.

سير عملية إلباس السطح

تقوم طرائق إلباس السطح المعدني على ثلاثة أطوار متتالية هي:






إعداد السطح:
وهو عملية جوهرية يضمن بها تعلق اللبوس الواقي تعلقاً صحيحاً بالسـطح. وقد
يتطلب السطح، بحسب الحالة الهندسية الصِغْرية، صقلاً مسبقاً، كأن يصقل
ميكانيكياً باليد أو بآلة ساحجة (الشكل 3)، أو يصقل في برميل باحتكاك
القِطَع بوجود منتجات ساحجة، أو يصقل كيمياوياً أو بالحل الكهربائي
(الكهرلة).

ويجب بعد ذلك
تخليص القـطع من أي أثر لمواد غريبة، ولاسيما أثر الدهون والزيوت وقد يسمح
بإزالة المواد الدسمة بالمذيبات العضوية المشتقة من النفط كالبنزين والبنزن
والكحول الأبيض white spirit
وغيرها ولكن على نطاقٍ ضيق وذلك لما لهذه المنتجات الطيارة واللهوبة
والسامة من محاذير. وتستعمل في الصناعة مذيبات مُكَلْوَرَة (من كلور)،
وتستعمل حديثاً مذيبات من المشتقات الكلورية للفحوم الهدروجينية كثلاثي
كلور الإتيلين، أو فوق كلور الإتيلين، أو ثلاثي كلور الإتان التي تعمل في
طورها السائل أو البخاري في آلات ملائمة. كما تُزال المواد الدسمة بغسولات
تُصَبِّنُ الدهون ذات المنشأ الحيواني أو النباتي وتسْتَحْلِبُ الشحوم
المعدنية. وأساس هذه الغسولات هو الصود أو البوتاس أو الكربونات أو الفسفات
القلوية، وهي تستعمل بالتخضيل أو الرذ على القطع المراد معالجتها. ويحسن
فعلُها في حالة القطع ذات الأشكال المعقدة باستعمال الموجات فوق الأصوات
التي تعمل في مغطس إزالة الشحوم.

ويجب
في حالة الإلباس الكهرلي إنهاء مختلف عمليات إزالة الشحوم بإزالة كهرلية
متقنة مدمجة في عملية الإلباس. وتحقق هذه الإزالة الكهرلية المهبطية أو
المصعدية بكثافة تيار قدرها 5ـ 12أمبير/دسم2 وذلك في مغاطس
قلوية يكيِّف تركيبها وفق المعدن المراد إزالة الشحوم منه وتحوي الصود
الكاوي أو كربونات الصوديوم أو فسفات الصوديوم أو سيان الصوديوم أو غيرها.






وفي
بعض الحالات، كما في ضروب الفولاذ وسبائك الألمنيوم الخليطة والمعادن
الشديدة التأكسد، يجب أن تُنهى عملية نزع الشحوم بتنظيف حمضي من الصدأ بغية
تعرية السطح المعدني وجعله أكثر استعداداً للإلباس اللاحق. وبحسب طبيعة
معادن الأساس يُمارس التنظيف الكيمياوي أو الكهرلي من الصدأ في مغاطس يمكن
أن تحوي حمض الكبريت أو حمض كلور الماء أو حمض الآزوت أو حمض الفسفور أو
حمض الكروم أو هدريد الصوديوم.

تنفيذ الإلباس: بعد
تحضير سطح القطعة تحضيراً ملائماً يُشرع بالإلباس الذي عليه أن يحقق بعض
معايير الجودة كانتظام الثخن وتجانس التركيب الكيمياوي وغياب المسامِّية
والنُّقَر والتشققات، ونعومة البنية والمظهر المطلوب من حيث الكمدة أو
اللمعان، والتعلق الجيد بالحامل (الشكل 4).

وهنالك طرائق فيزيائية ـ كيمياوية كثيرة تتيح التحكم في هذه الخاصيات كالتحليل الكيمياوي للّبوس واختبار القطرة والتصوير المجهري micrography والانحلال الكهربائي والقساوة الصِّغْرية microhardness وقياس حالة السطح، والاختبارات الميكانيكية من ثنيٍ وشدٍ وقصٍ وغيرها.

عمليات الإنهاء: قد
يتطلب الإلباس أحياناً، وفق التطبيقات العملية للقِطَع المعالجة، عمليات
إنهاء كصقل السطح أو تلميعه أو إشراب اللبوس برانيق أو مواد ملونة،
وكالمعالجة الحرارية بقصد التثبيت ونزع الغازات بالتسخين أو في الفراغ.

أنماط الإلباس الرئيسة

هناك
طرائق كثيرة لإلباس السطح، إلا أن اختيار الطريقة الملائمة يتوقف على
طبيعة الإلباس وكتلة القطع وشكلها وتعقيدها، والمميزات الكيمياوية
والفيزيائية المطلوبة، وكميات القطع المراد إلباسها على إنفراد أو على
سلاسل كبيرة، وعلى الأحوال الاقتصادية للطريقة نفسها.

الإلباس بالكهرلة:
هو أكثر الطرائق استعمالاً فهو يتيح توضيع أغلب المعادن، حتى بعض السبائك
الخليطة، على حوامل معدنية من شتى السبائك ـ الخليطة، الحديدية أو غير
الحديدية وذلك بغية حفظها من الائتكال.

أ
ـ التنكيل: إن تنكيل القطع الحديدية أو النحاسية أو سبائك الألمنيوم أو
الزنك يتطلب أحياناً أن تفصل بين المعدن والنيكل طبقة من النحاس تضمن
الارتباط. وقد تفرعت أغلب مغاطس التنكيل من مغطس واط Watt التقليدي الذي يعمل في الدرجة 50ْ س تقريباً بكثافة تيار قدرها 2 - 6أمبير/دسم2،
والمؤلف من محلول كبريتات النيكل وكلور النيكل وحمض البور. ويمكن الحصول
على تنكيل لماع مباشرة على القطع من دون حاجة إلى تلميع لاحق وذلك بإضافة
منتجات مُلَمِّعة إلى المغطس التقليدي، منها عضوي كالغرويات ومنها معدني
أساسه أملاح الكوبَلْت أو السلينيوم.

ب ـ الكَرْوَمَة: وهي الإلباس بالكروم chromium plating وتكون، وفق التطبيق العملي، على نوعين:

ـ
كَرْوَمَة الزخرفة، وينحصر ثخن توضع الكروم فيها بين 0.25 و5 مِكْرونات
كما في الأدوات المنزلية وواقيات الصدمات في السيارات، وكما في صناعة
«البراغي".

ـ الكَرْوَمَة
الثخينة أو القاسية، وقد شاع فيها أن يكون ثخن التوضع بين 10 و50
مِكْروناً، وقد يبلغ 300 مِكْرون في الحالة التي تعاد فيها كرومة الأشياء
المستعملة، كإعادة كرومة الجزوع المستعملة أو أدوات التشكيل بعملية لاحقة
من التعديل الميكانيكي. ويُلجأ إلى الكرومة القاسية خاصةً في القطع التي
عليها أن تقاوم البِلى بالاحتكاك نتيجةً لقساوة سطح التوضع المرتفعة التي
هي من الرتبة 1100 فيكرس (واحدة القساوة) vickers،
وبنيته المفرطة في النعومة والطفيفة المسامية مما يسهِّل احتجاز المزلقات
كما في قمصان المحركات الانفجارية المكسوة بالكروم. وتختلف مغاطس الكرومة
من حيث درجة الحرارة التي تراوح بين 30ْس و50ْس، وكثافة التيار الكهربائي
التي تكون من الرتبة 10أمبير/دسم2 في التوضعات الرقيقة، و 25 - 50أمبير/دسم2
في التوضعات الثخينة. وتحتوي هذه المغاطس أساساً على حمض الكروم وحمض
الكبريت والكبريتات، وقد تحتوي على ثاني كرومات قلوية وحمض فلور
السيليسيوم.

ج ـ التنحيس: كثيراً ما يُلجأ إلى التنحيس copper plating
للحصول على توضع واقٍ أو على طبقة تحتية تسبق الإلباس كما في التنكيل
مثلاً، أو حتى على توضع مكون لاحتياطي في بعض معالجات الطبقات السطحية كما
في السمنتة مثلاً، انطلاقاً من مغاطس حمضية تحتوي على ضروبٍ من الكبريتات
أو فلور البورات أو في الأعم الغالب في مغاطس قلوية تحوي سيانيد النحاس
والقلويات.

د ـ القصدرة الكهرلية أو التبييض الكهرلي: لقد حلت القصدرة tin plating
الكهرلية الرقيقة الطبقة والمستعملة في حماية القطع الحديدية محل جزء كبير
من القصدرة بالتخضيل، وذلك في صنع صفائح التَنَك التي هي من الفولاذ
المقصْدر المتناهي في الليونة، وذلك في المنشآت التي تصنع هذه المنتجات
بكميات كبيرة وباستمرار. وتكون المغاطس المستعملة حمضية تحوي حمض الكبريت
أو حمض كلور الماء أو حمض فلور البور، أو قلوية أساسها القصديرات القلوية.

هـ ـ الترصيص: يُلجأ إلى الترصيص plumb plating
في حماية القطع المعرضة لوسط حمضي، أو لتسهيل الاحتكاك اعتماداً على صفات
الرصاص المقاومة للاحتكاك، وذلك في مغاطس حمضية أساسها ضروب فلور البورات.

و ـ التزنيك: يستعمل الإلباس بالزنك (الخارصين) zinc plating
في حماية الفولاذ، ذلك في مغاطس حمضية أساسها الكبريتات أو في مغاطس قلوية
أساسها السيانيدات. إن حماية الحديد التلقائية التي يقوم بها الزنك في
الأجواء العادية، ومظهرَ التوضع وانتظامه، يفسّران كثرة استعمال الصفائح
«المزنكة» كهربائياً في الإنشاء المعدني على حساب الصاج التقليدي المنجز
بالتخضيل بالزنك المصهور.

زـ الكَدْوَمَة: أو الإلباس بالكادميوم cadmium plating
وهي كالتزنيك غير أنها تفوقه جودةً من حيث القدرة الحافظة والمظهر الأشد
لمعاناً، مما يجعلها مفضلةً في صناعة البراغي، وصناعة الحزقات والخردة
المنزلية (ما صغر وتفرق من المتاع) المصنوعة من النحاس أو الحديد، وفي
الإنشاء المعدني، وهي تجري في مغاطس حمضية أساسها ضروب فلور البورات، أو في
مغاطس قلوية أساسها السيانيدات.

ح
ـ الإلباس بتوضيعات أخرى: من هذه التوضيعات ما يحصل بالتذهيب والتفضيض
بقصد الزخرفة، أو المستعملة في تطبيقات نوعية جداً في الكهرباء اللاسلكية
أو الإلكترونيات في صنع التماسات والدارات المطبوعة. ويُلجأ إلى توضعات
الإيريديوم والروديوم والبلاتين والبالاديوم لا لصمودها للائتكال بالسوائل
فقط بل لصمودها مع وجود الحرارة أمام الغازات الأكّالة، ولقساوتها الملحوظة
المطلوبة في قِطَع الاحتكاك كما في الالكترونيات والصواريخ والمركبات
المسيرة من بعد.

إن
الإلباس بالسبائك ـ الخليطة أقل شيوعاً بكثير من الإلباس بالمعادن الخالصة
نتيجة لصعوبة ضبط الشروط الكهرلية للحصول على سبائك خليطة متجانسة وثابتة
التركيب. وهي تتحقق على شكل توضعات من الشَبَه الذي يحوي 65% من النحاس
و35% من الزنك في زخرفة الخردة المنزلية ؛ وعلى شكل توضعات من القصدير تحوي
20% من الزنك أو 30% من النيكل وتتصف بسهولة لحمها وجودة صمودها للائتكال
الجوي، وعلى شكل توضعات من الرصاص تحوي 6% من الأنديوم أو10% من القصدير
مع 2% من النحاس، وتتوضع مباشرة على سبائك ـ خليطةٍ نحاسيةٍ أوعلى طبقة
كهرلية بينية من النيكل تسمى «الحاجز» كما في السبائك ـ الخليطة المقاومة
للاحتكاك المستعملة في المساند الرقيقة للمحركات التي تعمل على البنزين أو
لمحركات الديزل.

ويجري
الإلباس الكهرلي بطرائق شتى وفي منشآت مختلفة جداً تتباين بحسب طبيعة
التوضع وشكل القطع وأبعادها، وبحسب أهمية الكميات المرادة معالجتها.

الإلباس بالتفاعل الكيمياوي للسطح مع محلول ملحي أو مركب صلب أو غاز: وهو يشمل الإزاحة الكيمياوية والمعالجة الملونة للمعادن والمعالجة الكيمياوية السطحية والمعالجة الكيمياوية الحرارية.

أ
ـ الإزاحة الكيمياوية: لا يمكن الإلباس بإزاحة معدن كيمياوياً بدءاً من
محلول أحد أملاحه إلا إذا كان المعدن المراد إلباسه أنشط كيمياوياً
(مُرجعاً أقوى) من المعدن المراد توضيعه (انظر الجدول 1) كما في حالة تنحيس
الفولاذ، وقصدرة الألمنيوم أو سبائكه ـ الخليطة، و"تنكيل» الفولاذ والحديد
الصب والسبائك ـ الخليطة النحاسية وسبائك الألمنيوم الخليطة، وتفضيض
السبائك ـ الخليطة النحاسية.





----------





ينزاح
المعدن المراد التلبيس به من ملحه بفعل المعدن الأساس. وبفعل الحماية
تقاومُ طبقة المعدن المتوضع ائتكال الوسط الخارجي مقاومةً أجود لأنه أقل
نشاطاً، ولكن كل انقطاع في المعدن من حز أو خدش يعرض إلى الخطر باستجرار
تأثر المعدن الأساس تأثراً موضعياً أكبر سرعة، وهكذا يُحمى الحديد بالنيكل
أو الرصاص أو القصدير أو النحاس.

ب
ـ المعالجة الملوِّنة للمعادن: تتم معالجة المعادن لتلوينها بتكوين رقاقة
من أكسيد أو كبريتيد أو كربونات على سطح المعدن، إلا أن الفعل الواقي لهذه
الرقاقة محدود غالباً.

ج ـ
المعالجة الكيمياوية السطحية: وهي معالجة تُكوِّن بمعدن السطح أكاسيد أو
أملاحاً حافظة، وذلك بالأكسدة المصعدية للألمنيوم وسبائكه ـ الخليطة
(كتكوين لبوس من الألُمين الحافظ الذي يُيَسرُ الاحتكاك، والذي أساسه ضروب
فسفات الحديد والمنغنيز والزنك المعقدة)، وبمعالجات السبائك الخليطة
الخفيفة (كتوضع ضروب فسفات الألمنيوم وكروماته وفلوريداته المعقدة التي
تحمل فيما بعد الدهانات والبرانيق)، وبشتى معالجات كبرتة الفولاذ أو
السبائك الخليطة النحاسية.

د
ـ المعالجة الكيمياوية الحرارية: طريقة تعتمد مبدأ الانتشار السطحي لعنصرٍ
معدني مع وجود الحرارة. إن أكثر المعالجات الكيمياوية الحرارية استعمالاً
في السبائك ـ الخليطة الحديدية والتي اشتقت من طريقة سمنتة الفولاذ
بالكربون هي طلي المعادن بالألمنيوم calorizing
والتي تطبَّق على الحديد والفولاذ خاصة فينفذ الألمنيوم في السطح المعدني
ويقيه من الحرق في درجات حرارة تبلغ حتى 982ْس، وطلي المعادن بالكروم chromizing فيكوّن الكروم بانتشاره في معدن الأساس سبيكة خليطة سطحية، وطلي المعادن بالزنك sherardizing،
وقد لقيت المعالجة بالكروم مكانة رفيعة في صناعة الطائرات والمركبات
الفضائية وذلك لحاجة القِطع المستعملة فيها إلى مقاومة البِلى والتحاتّ
والائتكال في درجات الحرارة المرتفعة.

الإلباس بالمعادن بالساخن أو بالتخضيل:
وفيه تُغمر القطع في مغطس معدن مصهور، وهي ممارسة مضى عليها زمن طويل،
توقى بها القطع الحديدية بالقصدرة (التنك المستعمل في صنع علب الكونسروة)
وبالتزنيك أو الغلفنة (صاج الأسطحة المغلفن والمواعين المنزلية)، وبتوضيع
سبيكة ـ خليطة أساسها الألمنيوم (طريقة سِنْدزِيمير Sendzimir).
علماً بأن التنظيف الدقيق المزيل للصدأ عن سطح المعدن الأساس، واستعمال
الدفق الملائم للمعدن المصهور يفسحان في المجال أمام جودة تعلق اللبوس
بحامله.

الإلباس بالمعادن بالرذ:
وهو يجري بدءاً من مساحيق المعادن أو أسلاكها بالحملاج الأكسجيني
الأستيليني وذلك بإسقاط قطيْرات المعدن المصهور على السطح المراد إلباسه.
وتطبق هذه الطريقة على الكثير من المعادن والسبائك الخليطة كالزنك والقصدير
والرصاص والألمنيوم والسبائك الخليطة القاسية التي أساسها النيكل أو
الكوبلت أو الكروم أو التنغستن.

الإلباس بالمعادن في الفراغ :
وقوام هذه الطريقة توضّعُ طبقة رقيقة من المعدن بدءاً من بخار المعدن؛ وهي
تطبق عملياً على القِطَع أو منتجاتها على هيئة توضعات من الألمنيوم والزنك
والكروم وغيرها في الصناعات الإلكترونية والضوئية والأجهزة الكهربائية
[ر.الإلباس بالمعادن في الفراغ].

الإلباس بالمواد غير المعدنية: وفيه تستعمل خاصية الدهانات واللكَّات والبرانيق والميناء والمواد اللدائنية، وأكثر الطرائق حداثة في هذا المجال هي طريقة الذر powdering التي تتم بتطبيق الراتنجات اللزوبة (الصلدة) حرارياً thermosetting على الأشياء المنزلية وأثاث الحديقة وهياكل السيارات وغيرها أو بالتطبيق الكهرساكن بالفرد (بالمرذاذ) pistol أو بغمر القِطع في مغطس انسيابي من المسحوق.

صلاح يحياوي