ชุบโครเมี่ยม

          ชุบโครเมี่ยม (Chromium plating) หรือเรียกอีกชื่อว่า “การชุบโครม” คือ การชุบเงาบนผิวโลหะ หรือ พลาสติก ด้วยโครเมี่ยมในกระบวนการวิธีการชุบโดยใช้ไฟฟ้า ช่วยให้วัสดุที่ได้รับการชุบมีความเงาสวยงาม ป้องกันการถลอกจากการกัดกร่อนและการกระแทก นิยมใช้ในการชุบผิวบรรจุภัณฑ์เครื่องสำอาง ชิ้นส่วนรถยนต์ ล้อรถจักรยานยนต์ และเครื่องประดับตกแต่งอื่นๆ          การชุบโครม ถูกใช้ในเชิงพาณิชย์ตั้งแต่ปี 2467 ในชิ้นส่วนตกแต่งและเครื่องประดับต่างๆ ซึ่งจะนิยมชุบเคลือบผิวด้วยความหนาประมาณ 0.25-0.8 ไมโครเมตร บนผิวนิเกิลซึ่งจะให้ประสิทธิภาพการทนต่อการกัดกร่อนดีมาก          ส่วนใหญ่ในสมัยก่อน การชุบนิยมใช้สารละลายโครเมี่ยม 6 ประจุ ( Cr⁶⁺ , Hexavalent chromium ) และค่อยๆเปลี่ยนมาใช้สายละลายโครเมี่ยม 3 ประจุ ( Cr³⁺ , trivalent chromium ) ในช่วงสมัยหลังๆ          บทความนี้จะอธิบายพื้นฐานการชุบโครเมี่ยม รวมถึงขั้นตอนและเทคนิคต่างๆให้มือใหม่และผู้ที่สนใจสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ อย่างละเอียด

รายละเอียด ฮีตเตอร์สำหรับชุบโลหะ

ฮีตเตอร์

ฮีตเตอร์หลอดแก้ว

ฮีตเตอร์สแตนเลส

ฮีตเตอร์ไทเทเนียม

พื้นฐานการชุบโครเมี่ยม

          การชุบโครมใช้กระบวนการพื้นฐานของการชุบด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นการดึงประจุของโครเมี่ยมในสารละลายไปจับตัวที่พื้นผิวของชิ้นงานด้วยกระบวนการทางเคมี ซึ่งกระบวนการอย่างคร่าวๆสามารถดูได้จากวีดีโอด้านล่างนี้

วีดีโอที่ 1 แสดงขั้นตอนการชุบโครเมี่ยม

Credit : youtube.com/watch?v=iLgiTAz86Hw

ขั้นตอนการชุบโครเมี่ยมบนโลหะ

           การชุบโครมเมี่ยมบนพื้นผิวโลหะเริ่มจากการเตรียมผิวชิ้นงานและการทำความสะอาด หลังจากนั้น จำเป็นต้องมีการชุบทองแดงและนิเกิลก่อนการชุบโครเมี่ยมในขั้นตอนสุดท้าย

ขั้นตอนการชุบโครเมี่ยมบนพลาสติก ABS

          การชุบโครมบนพลาสติก ABS สามารถทำได้เช่นกัน โดยตัวอย่างสิ่งที่เราเห็นบ่อยๆรอบตัว เช่น ชิ้นส่วนภายในรถยนต์ บรรจุภัณฑ์เครื่องสำอาง เครื่องประดับตกแต่ง โดยจะมีขั้นตอนที่แตกต่างจากการชุบโลหะเล็กน้อย          สิ่งที่แตกต่างจากการชุบโครเมี่ยมบนผิวโลหะ คือ พลาสติก ABS ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ จึงจำเป็นต้องมีการชุบพลาสติกให้นำไฟฟ้าได้ก่อนด้วยปฎิกิริยาเคมี เราเรียกกระบวนการนี้ว่า conductive electroless process หลังจากนั้น จึงทำการชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้า ( electroless Nickel ) และจึงทำการชุบเหมือนกับการชุบโครมบนผิวโลหะ

รูปที่ 2 แสดงการเปลี่ยนพื้นผิวพลาสติกให้สามารถนำไฟฟ้าได้

Credit : Plating on acrylonitrile–butadiene–styrene (ABS) plastic: a review : Sharon Olivera1•Handanahally Basavarajaiah Muralidhara1•Krishna Venkatesh1•Keshavanarayana Gopalakrishna1•Chinnaganahalli Suryaprakash Vivek

กระบวนการชุบโครเมี่ยมด้วย Hexavalent chromium

          กระบวนการชุบโครม Hexavalent chromium หรือ hex-chrome Cr⁶⁺ เป็นการใช้ สารละลายโครเมี่ยมไตรออกไซด์ หรือเรียกโดนทั่วไปว่า โครมิกไฮไดร์ ( chromium trioxide or chromic anhydride ) เป็นสารประกอบหลัก ในกระบวนการชุบนั้น โดยใช้สารละลายแคทตาไลท์ซึ่งเป็นส่วนผสมของ โครเมี่ยมไตรออกไซด์ ( chromium trioxide ) และ กรดซัลฟิวริก ( sulfuric acid ) ซึ่งมีอัตราส่วนผสมระหว่าง 75:1 ถึง 250:1 โดยน้ำหนัก คุณภาพของงานชุบโครเมี่ยมขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิของสารละลาย ปริมาณกระแสไฟฟ้า และส่วนผสมของสารละลาย          การชุบโครมทั้งเพื่อให้ชิ้นงานสวยงาม หรือ เพื่อเพิ่มความแข็ง จำเป็นต้องใช้ฮีตเตอร์หลอดแก้วเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของสารละลายทั้งสิ้น          โดยส่วนใหญ่การชุบโครเมี่ยมเพื่อความสวยงามชองชิ้นงานจะควบคุมให้อุณหภูมิอยู่ในช่วง 35-45 องศาเซลเซียส ส่วนสำหรับงานชุบฮาร์ดโครมเพื่อเพิ่มความแข็งจะใช้อุณหภูมิประมาณ 50-65 องศาเซลเซียส โดยการชุบโครมทั้งสองแบบต้องควบคุมอุณหภูมิให้คงที่อยู่ตลอดเวลา          กระบวนการชุบโครมด้วย Dual-Catalyst ซึ่งมี sulfate/fluoride เป็นสารละลายแคทตาไลท์เป็นกระบวนการที่ใช้มากที่สุดในปัจจุบัน การผสมสาระละลายอื่นเข้าไปสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชุบโครเมี่ยม ( cathode efficiency ) ได้ ในระยะหลังกระบวนการชุบโครเมี่ยมด้วย Triple-Catalyst เริ่มมีการใช้งานมากขึ้นเรื่อย ซึ่งมีระบบการชุบเหมือน Dual-Catalyst แต่ให้ประสิทธิภาพดีกว่า กระบวนการ Triple-Catalyst ต้องการการควบคุมความเข้มข้นของสารละลายให้เหมาะสมตลอดเวลา          กระบวนการชุบโครมด้วย Hexavalent chromium เป็นการชุบที่ความหนาของชั้นโครเมี่ยมขึ้นอยู่กับระยะเวลาในการชุบซึ่งต้องคำนวณอย่างดีจากประสิทธิภาพของแคโทด ( cathode efficiency ) ซึ่งมีปัจจัยต่างๆดังนี้

ชนิดของอิเล็กโทรไลท์

จากตารางแสดงชนิดของ Hexavalent chromium แสดงให้เห็นว่า อิเล็กโทรไลท์ประเภท Triple-Catalyst ให้ประสิทธิภาพแคโทดมากกว่าอิเล็กโทรไลท์ประเภทอื่น จึงทำให้เป็นที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ

ความเข้มข้นของสารละลาย

ประสิทธิภาพแคโทดนั้นเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของโครเมี่ยมไตรออกไซด์ และมีประสิทธิภาพดีที่สุดที่ 250 กรัมต่อลิตรซึ่งหากมีความเข้มข้นมากกว่า 250 กรัมต่อลิตร จะทำให้ประสิทธิภาพแคโทดลดลง แต่อย่างไรก็ตามความเข้มขึ้นที่มากขึ้นนั้น สามารถทำการควบคุมได้ง่ายกว่า และการปนเปื้อนส่งผลต่อคุณภาพชิ้นงานน้อยกว่าด้วย

การควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้า

จากตารางด้านบนแสดงให้เห็นว่า กระแสไฟฟ้าสูงให้ผลต่อประสิทธิภาพแคโทดดีกว่า

อุณหภูมิของสารละลาย

สภาวะอุณหภูมิของสารละลายนั้นทำให้ประสิทธิภาพของแคโทดลดลง แต่ในทางปฎิบัตแล้วการเพิ่มกระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแคโทด จำเป็นต้องใช้สารละลายที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งต้องอาศัยความชำนาญในการควบคุมกระแสไฟฟ้าและอุณหภูมิของสารละลายซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงคู่กันเสมอ

การคำนวณเวลาที่ใช้ในการชุบโครเมี่ยมสำหรับ Hexavalent

          การควบคุมกระแสไฟฟ้าและอุณหภูมิของสารละลายมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของแคโทด โดยตารางที่ 2 แสดงเวลาโดยประมาณ ต่อประสิทธิภาพแคโทดและกระแสไฟฟ้า ที่ทำให้งานชุบโครเมี่ยมมีความหนาเพิ่มขึ้น 1 ไมครอน ซึ่งตารางนี้เป็นผลโดยประมาณภายใต้เงื่อนไขที่กระแสไฟฟ้ามีค่าคงที่

อุปกรณ์เพิ่มเติมสำหรับการชุบโครเมี่ยมด้วย Hexavalent

               โดยส่วนใหญ่แล้วถังหรือบ่อสำหรับน้ำยาชุบโครมส่วนใหญ่ทำจาก PVC การให้ความร้อนแก่สารละลายสามารถใช้ทั้ง ฮีตเตอร์หลอดแก้ว และ ฮีตเตอร์ไทเทเนียม ได้ และขั้วไฟฟ้าแอโนดนิยมใช้ แอโนตะกั่ว–ดีบุก หรือเรียกอีกชื่อว่า แผ่นโครเมี่ยม ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อเป็นประจุบวกและควบคุมความสมดุลของ ประจุโครเมี่ยมและกรดโครมิก               โดยทั่วไปนิยมใช้แผ่นโครเมี่ยมให้มีพื้นที่มากกว่า 120% ของพื้นที่ผิวชิ้นงาน เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลจากแอโนดผ่านสารละลายไปสู่ชิ้นงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านแอโนดแล้ว จะเกิดชั้นผิวสีน้ำตาลคล้ายช็อกโกแลตบริเวรแอโนดซึ่งเกิดจากกระบวนการ re-oxidized ของกรดโครมิกบริเวณขั้วแอโนดนั่นเอง

ข้อเสียของการชุบโครเมี่ยมด้วย Hexavalent

               ข้อเสียของการชุบโครมด้วย Hexavalent คือ มีประสิทธิภาพแคโทดต่ำและการชุบไม่สม่ำเสมอ กล่าวคือชั้นชุบจะหนากว่าบริเวณขอบชิ้นงาน และบางกว่าบริเวณมุมและรูของชิ้นงาน จึงจำเป็นต้องมีการทำแอโนดใกล้บริเวณที่บาง หรือเรียกว่า auxiliary anodes เพื่อทำให้กระแสไฟฟ้าไหลไปบริเวณที่ยากต่อการไหลมากขึ้น               การชุบโครมด้วยวิธีนี้ยังเป็นพิษมากต่อสุขภาพของผู้ทำงานและสิ่งแวดล้อม จำเป็นต้องมีการบำบัดก่อนการปล่อยสารเคมีหรือกำจัดอย่างถูกวิธีซึ่งทำให้มีค่าใช้จ่ายมากขึ้นด้วย นอกจากนี้ยังมีวัสดุมีพิษจากแอโนดตะกั่วที่จำเป็นต้องกำจัดอย่างถูกวิธี

กระบวนการชุบโครเมี่ยมด้วย Trivalent chromium

               กระบวนการชุบโครม Trivalent chromium หรือ tri-chrome Cr³⁺ เป็นการใช้ โครมเมี่ยมซัลเฟต ( Chromium sulfate ) หรือ โครเมี่ยมคลอไรด์ ( Chromium chloride ) เป็นสารละลายหลัก ซึ่งกระบวนการชุบนั้นคล้าย Hexavalent chromium ต่างกันเพียงสารเคมีและแอโนด               ในปัจจุบัน Trivalent chromium มีความนิยมใช้มากขึ้น เนื่องจากประสิทธิภาพแคโทดสูงกว่าและยังเป็นพิษน้อยกว่าแบบ Hexavalent chromium ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิต ลดเวลาในการผลิต นอกจากนี้โลหะหนักในสารละลายยังน้อยกว่ามาก จึงช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำบัดสารเคมีเสียที่เกิดจากการชุบโครเมี่ยม               แม้จะมีข้อดีมากมายแต่การชุบโครมแบบ Trivalent chromium จะให้เฉดสีที่ไม่แวววาวและมืดกว่าการชุบด้วย Hexavalent chromium จึงไม่เป็นนิยมสำหรับการชุบเพื่อความสวยงามมากนัก

ตารางที่ 3 ตารางแสดงข้อมูลแต่ละชนิดของการชุบโครเมี่ยมแบบ Trivalent Chromium

Credit : https://www.pfonline.com/articles/chromium-plating(2)

               อิเล็คโทรไลท์สำหรับการ Trivalent chromium นั้นแบ่งเป็น ซัลเฟต ( Sulfate-based ) และ คลอไรด์ ( chloride-based )               ซัลเฟต ( Sulfate-based ) นั้นให้สีใกล้เคียงกับกับชุบโครเมี่ยมด้วย Hexavalent chromium อีกทั้งสารเคมียังเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า แต่จำเป็นต้องใช้แอโนดที่ทำจากไทเทเนียมซึ่งมีราคาสูง ส่วน คลอไรด์ ( chloride-based ) มีอัตราเร็วในการชุบใกล้เคียงกับ Hexavalent chromium แต่ให้สีสันที่มืดกว่าการชุบโครเมี่ยมแบบ Hexavalent chromium แต่ใช้แอโนดชนิดแกรไฟต์ซึ่งมาราคาไม่สูงมากนัก

อุปกรณ์สำหรับการชุบโครเมี่ยมแบบ Trivalent chromium

            อุปกรณ์ส่วนใหญ่ของการชุบโครเมี่ยมแบบ Trivalent นั้นส่วนใหญ่เหมือนกับ การชุบโครเมี่ยมแบบ Hexavalent ทั้งถังหรือบ่อชุบซึ่งสามารถใช้ได้ทั้ง PVC และ PE รวมถึง ฮีตเตอร์หลอดแก้ว และ ฮีตเตอร์ไทเทเนียม แต่แอโนดนั้นจะใช้แตกต่างกับแล้วแต่ประเภทอิเล็กโทรไลท์

สรุป

               การชุบโครเมี่ยมนั้น นิยมชุบเพื่อความสวยงามของชิ้นงาน เช่น การชุบชิ้นส่วนรถยนต์ บรรจุภัณฑ์ต่างๆ และการชุบเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งของชิ้นส่วนเครื่องจักร หรือ การชุบฮาร์ดโครม โดยการชุบโครเมี่ยม จำเป็นต้องมีการชุบและเตรียมผิวหลายขั้นตอนก่อนการชุบผิวชั้นโครเมี่ยม               การชุบผิวชั้นโครเมี่ยมมีวิธีการชุบหลายแบบ ทั้ง Hexavalent chromium และ Trivalent chromium ซึ่งมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของชิ้นงานแต่ละประเภท ref1 : https://en.wikipedia.org/wiki/Chrome_platingref2 : https://www.pfonline.com/articles/chromium-plating(2)