آبکاری نیکل فسفر الکترولس

قطعات ماشین با آبکاری نیکل الکترولس.

آبکاری نیکل-فسفر الکترولس که به آن E-nickel نیز گفته می شود ، یک فرآیند شیمیایی است که یک لایه یکنواخت از آلیاژ نیکل - فسفر را روی سطح یک بستر جامد مانند فلز یا پلاستیک رسوب می دهد . این فرآیند شامل فرو بردن بستر در یک محلول آبی حاوی نمک نیکل و یک عامل کاهنده حاوی فسفر استکه معمولاً یکنمک هیپوفسفیت است. [1] این رایج ترین نسخه آبکاری نیکل الکترولس (EN plating) است و اغلب با آن نام خوانده می شود. فرآیند مشابهی از یکعامل کاهنده بوروهیدرید استفاده می کند که در عوض یک پوشش نیکل بور ایجاد می کند .

برخلاف آبکاری الکتریکی ، فرآیندها به طور کلی نیازی به عبور جریان الکتریکی از حمام و بستر ندارند . احیای کاتیونهای فلزی در محلول به فلز با روشهای کاملا شیمیایی و از طریق یک واکنش اتوکاتالیستی به دست می آید. این یک لایه یکنواخت از فلز را بدون توجه به هندسه سطح ایجاد می کند - بر خلاف آبکاری الکتریکی که از چگالی جریان ناهموار به دلیل تأثیر شکل زیرلایه بر مقاومت الکتریکی حمام و در نتیجه بر توزیع جریان در داخل آن رنج می برد. [2] علاوه بر این، می توان آن را بر روی سطوح غیر رسانا اعمال کرد.

کاربردهای صنعتی زیادی دارد، از صرفاً تزئینی گرفته تا جلوگیری از خوردگی و سایش. می توان از آن برای اعمال پوشش های کامپوزیت با معلق کردن پودرهای مناسب در حمام استفاده کرد. [3]

مروری تاریخی

کاهش نمک های نیکل به فلز نیکل توسط هیپوفسفیت به طور تصادفی توسط چارلز آدولف وورتس در سال 1844 کشف شد . [5]

با این حال، به نظر نمی رسد که اختراع روکس کاربرد تجاری زیادی داشته باشد. در سال 1946 این فرآیند به طور تصادفی توسط Abner Brenner و Grace E. Riddell از اداره ملی استانداردها دوباره کشف شد . آنها سعی کردند مواد کاهنده مختلف را به حمام آبکاری اضافه کنند تا از واکنش های اکسیداسیون نامطلوب در آند جلوگیری کنند . هنگامی که آنها هیپو فسفیت سدیم را اضافه کردند ، مشاهده کردند که مقدار نیکلی که در کاتد رسوب می کند از حد نظری قانون فارادی فراتر رفته است . [6] [7]

برنر و ریدل کشف خود را در کنوانسیون سال 1946 انجمن الکتروپلاترهای آمریکا (AES) ارائه کردند. [8] یک سال بعد، در همان کنفرانس، اصطلاح "الکترولس" را برای این فرآیند پیشنهاد کردند و فرمول‌های بهینه حمام را توصیف کردند، [9] که منجر به ثبت اختراع شد. [10] [11] [12]

گزارش فنی ارتش ایالات متحده در سال 1963 که از طبقه بندی خارج شده بود، این کشف را بیشتر به ورتز و روکس نسبت داد تا برنر و ریدل. [ نیازمند منبع ]

طی سال های 1954 تا 1959، تیمی به رهبری گرگوری گوتزیت در شرکت حمل و نقل عمومی آمریکا، این فرآیند را به شدت توسعه دادند و پارامترها و غلظت های بهینه حمام را تعیین کردند و افزودنی های مهم زیادی را برای سرعت بخشیدن به میزان رسوب و جلوگیری از واکنش های ناخواسته، مانند خود به خودی، معرفی کردند. رسوب گذاری آنها همچنین شیمی این فرآیند را مطالعه کردند. [1] [6]

در سال 1969، هارولد ادوارد بلیس از DuPont ثبت اختراع برای یک کلاس کلی از فرآیندهای با استفاده از سدیم بوروهیدرید ، دی متیل آمین بوران، یا هیپوفسفیت سدیم ، در حضور نمک های تالیم به ثبت رساند، بنابراین یک فلز-تالیم-بور یا فلز-تالیم-فسفر تولید کرد. جایی که فلز می تواند نیکل یا کبالت باشد . محتوای بور یا فسفر از 0.1 تا 12 درصد و تالیم از 0.5 تا 6 درصد متغیر است. ادعا می‌شود که پوشش‌ها "یک پراکندگی دقیق از بورید تری نیکل سخت ( Ni 3 B ) یا فسفید نیکل ( Ni 3 P ) در یک ماتریس نرم از نیکل و تالیم هستند." [13]

رویه

تمیز کردن سطح

قبل از آبکاری، سطح مواد باید کاملا تمیز شود. جامدات ناخواسته باقی مانده روی سطح باعث آبکاری ضعیف می شود. تمیز کردن معمولاً با یک سری حمام های شیمیایی از جمله حلال های غیر قطبی برای حذف روغن ها و گریس ها و همچنین اسیدها و قلیاها برای حذف اکسیدها، مواد آلی نامحلول و سایر آلاینده های سطحی انجام می شود. پس از استفاده از هر حمام، سطح باید کاملاً با آب شسته شود تا بقایای مواد شیمیایی پاک کننده پاک شود. [14]

تنش های داخلی در بستر ایجاد شده توسط ماشین کاری یا جوشکاری می تواند بر روی آبکاری تاثیر بگذارد. [14]

حمام آبکاری

مدل مولکولی هیپوفسفیت سدیم، عامل کاهنده معمول در آبکاری نیکل-فسفر الکترولس.

مواد اصلی تشکیل دهنده حمام آبکاری نیکل الکترولس منبع کاتیون های نیکل Ni است2+
معمولاً سولفات نیکل و یک عامل احیا کننده مناسب مانند هیپوفسفیت H
2
PO-
2
یا بوروهیدرید BH-
4
. [1] با هیپوفسفیت، واکنش اصلی که آبکاری نیکل را تولید می کند، ارتوفسفیت H را تولید می کند.
2
PO-
3
، فسفر عنصری، پروتون H+
و هیدروژن مولکولی H
2
: [1]

2 Ni2+
+ 8 H
2
PO-
2
+ 2 H
2
O
→ 2 Ni
0
(s) + 6 H
2
PO-
3
+ 2 H+
+ 2 P (s) + 3 H
2
(g)

این واکنش توسط برخی فلزات از جمله کبالت ، پالادیوم ، رودیوم و خود نیکل کاتالیز می شود. به دلیل دومی، واکنش خودکار کاتالیزوری است و به محض تشکیل لایه اولیه نیکل روی سطح، خود به خود ادامه می‌یابد. [1]

حمام آبکاری نیز اغلب شامل موارد زیر است:

  • تثبیت کننده ها، مانند نمک های سرب ، ترکیبات گوگردی ، یا ترکیبات آلی مختلف، برای کند کردن کاهش با رسوب گذاری مشترک با نیکل.
  • بافرها، برای حفظ اسیدیته حمام. بسیاری از عوامل کمپلکس کننده به عنوان بافر عمل می کنند.
  • روشن کننده ها، مانند نمک های کادمیوم یا ترکیبات آلی خاص، برای بهبود سطح. آنها عمدتاً با نیکل (مانند تثبیت کننده ها) رسوب می کنند.
  • سورفکتانت ها، برای حفظ آبدوست لایه رسوب یافته به منظور کاهش حفره و لکه.
  • تسریع‌کننده‌ها، مانند برخی ترکیبات گوگردی، برای مقابله با کاهش سرعت آبکاری ناشی از عوامل کمپلکس‌کننده. آنها معمولاً به صورت مشترک رسوب می کنند و ممکن است باعث تغییر رنگ شوند.

فعال سازی سطحی

به دلیل ویژگی اتوکاتالیستی واکنش، سطحی که قرار است آبکاری شود باید با آبدوست کردن آن فعال شود و سپس اطمینان حاصل شود که از فلزی با فعالیت کاتالیزوری تشکیل شده است. اگر زیرلایه از یکی از آن فلزات ساخته نشده باشد، ابتدا باید یک لایه نازک از یکی از آنها با فرآیند دیگری رسوب داده شود.

اگر بستر فلزی باشد که الکترومثبت‌تر از نیکل است، مانند آهن و آلومینیوم ، یک لایه اولیه نیکل به طور خود به خود با واکنش ردوکس با حمام ایجاد می‌شود ، مانند: [1]

Fe
0
(s) + Ni2+
(ق) ← نی
0
(s) + Fe2+
(ق)
2 ال
0
(s) + 3 Ni2+
(ق) ← 3 نی
0
(s) + 2 Al3+
(ق)

برای فلزاتی که الکترومثبت کمتری نسبت به نیکل دارند، مانند مس ، لایه اولیه نیکل را می توان با غوطه ور کردن قطعه ای از فلز الکترومثبت تر، مانند روی که به صورت الکتریکی به بستر متصل می شود، ایجاد کرد، بنابراین یک سلول گالوانیکی کوتاه ایجاد کرد .

روی بسترهایی که فلزی نیستند اما رسانای الکتریکی هستند، مانند گرافیت ، لایه اولیه را می توان با عبور مختصر جریان الکتریکی از آن و حمام، مانند آبکاری الکتریکی، ایجاد کرد. اگر بستر مانند ABS و سایر پلاستیک ها رسانا نباشد ، می توان از حمام فعال کننده حاوی نمک فلز نجیب مانند کلرید پالادیوم یا نیترات نقره و یک عامل احیا کننده مناسب استفاده کرد. [ نیازمند منبع ]

اگر بستر غیرفلزی باشد، فعال سازی با اچ اسید ضعیف، ضربه نیکل یا محلول اختصاصی انجام می شود.

درمان پس از آبکاری

پس از آبکاری، یک پوشش شیمیایی ضد اکسیداسیون یا ضد تیرگی ، مانند فسفات یا کرومات ، اعمال می شود و سپس با آب شستشو داده می شود و برای جلوگیری از لکه شدن خشک می شود. پخت ممکن است برای بهبود سختی و چسبندگی آبکاری، بازپخت هرگونه تنش داخلی و بیرون راندن هیدروژن به دام افتاده که ممکن است آن را شکننده کند، ضروری باشد. [14]

انواع

فرآیندهای آبکاری الکترولس نیکل فسفر را می توان با جایگزینی کبالت به جای نیکل، به طور کامل یا جزئی، با تغییرات نسبتاً کمی اصلاح کرد. [10] سایر آلیاژهای نیکل-فسفر را می توان با حمام های مناسب ایجاد کرد، مانند نیکل- روی- فسفر. [15]

کامپوزیت ها با کدگذاری

آبکاری نیکل-فسفر الکترولس می تواند مواد کامپوزیتی متشکل از ذرات جامد ریز را که در پوشش نیکل-فسفر جاسازی شده اند تولید کند. روش کلی به این صورت است که ذرات در حمام آبکاری معلق می شوند، به طوری که لایه فلزی در حال رشد آنها را احاطه کرده و پوشش می دهد. این روش در ابتدا توسط Odekerken در سال 1966 برای پوشش‌های نیکل کروم الکتروریخته شده توسعه یافت . در آن مطالعه، در یک لایه میانی، ذرات پودری ریز مانند اکسید آلومینیوم و رزین پلی وینیل کلرید (PVC) در یک ماتریس فلزی توزیع شدند. با تغییر حمام، این روش می تواند پوشش هایی با چندین لایه از ترکیبات مختلف ایجاد کند.

اولین کاربرد تجاری کار آنها، پوشش‌های کاربید نیکل-سیلیکون الکترولس روی موتور احتراق داخلی وانکل بود . یک کامپوزیت تجاری دیگر در سال 1981 از پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE نیکل-فسفر) استفاده کرد. با این حال، رسوب همزمان ذرات الماس و PTFE دشوارتر از اکسید آلومینیوم یا کاربید سیلیکون بود. امکان ادغام فاز دوم ذرات ریز، به اندازه یک نانومتر تا میکرومتر ، در یک ماتریس آلیاژ فلز، نسل جدیدی از پوشش‌های کامپوزیتی را آغاز کرده است. [3]

خصوصیات

مزایا و معایب

در مقایسه با فرآیند الکترولیتی، مزیت عمده آبکاری نیکل الکترولس این است که پوششی یکنواخت با ضخامت و حجم دلخواه ایجاد می کند، حتی در قسمت هایی با شکل پیچیده، فرورفتگی ها و سوراخ های کور. به دلیل این ویژگی، اغلب ممکن است تنها گزینه باشد. [16]

یکی دیگر از مزایای عمده آبکاری EN این است که نیازی به برق، دستگاه های الکتریکی یا جک و قفسه های پیچیده ندارد. [16]

اگر به درستی فرموله شود، آبکاری EN ممکن است پوششی با متخلخل کمتر، سخت تر و مقاوم تر در برابر خوردگی و جذب هیدروژن ایجاد کند. [16]

آبکاری نیکل الکترولس همچنین می تواند پوشش هایی تولید کند که بدون تنش مکانیکی داخلی باشد یا حتی دارای تنش فشاری باشد. [16]

یک نقطه ضعف هزینه بالاتر مواد شیمیایی است که به نسبت جرم نیکل ته نشین شده مصرف می شود. در حالی که در آبکاری الکتریکی، یون های نیکل توسط آند فلزی نیکل دوباره پر می شوند. ممکن است مکانیزم های خودکار برای پر کردن آن معرف ها در طول آبکاری مورد نیاز باشد.

ویژگی های خاص بسته به نوع آبکاری EN و آلیاژ نیکل مورد استفاده متفاوت است که متناسب با کاربرد انتخاب می شوند.

انواع

خواص متالورژیکی آلیاژ به درصد فسفر بستگی دارد. [17]

  • پوشش‌های فسفر متوسط ، رایج‌ترین نوع، به‌عنوان پوشش‌هایی با 4 تا 10 درصد فسفر تعریف می‌شوند، اگرچه محدوده به کاربرد بستگی دارد: تا 4 تا 7 درصد برای کاربردهای تزئینی، 6 تا 9 درصد برای کاربردهای صنعتی، و 4- 10 درصد برای الکترونیک [ نیازمند منبع ]
  • پوشش‌های با فسفر بالا دارای 10 تا 14 درصد فسفر هستند. آنها برای قطعاتی که در معرض محیط‌های اسیدی بسیار خورنده مانند حفاری نفت و استخراج زغال‌سنگ قرار دارند، ترجیح داده می‌شوند. سختی آنها ممکن است در آزمون ویکرز تا 600 نمره بگیرد . [ نیاز به منبع ] توجه داشته باشید که سختی ویکرز به راحتی با مقیاس راکول قابل مقایسه نیست.

پرداخت سطح

آبکاری نیکل الکترولس می تواند دارای روکش مات، نیمه روشن یا روشن باشد. [ نیازمند منبع ]

ساختار

پوشش‌های الکترولس نیکل فسفر با کمتر از ۷ درصد فسفر محلول‌های جامد با ساختار میکروکریستالی هستند و هر دانه ۲ تا ۶ نانومتر عرض دارد. پوشش های با بیش از 10 درصد فسفر بی شکل هستند . بین این دو حد، پوشش مخلوطی از مواد آمورف و میکرو کریستالی است. [16]

خواص فیزیکی

نقطه ذوب آلیاژ نیکل-فسفر رسوب شده توسط فرآیند EN به طور قابل توجهی کمتر از نیکل خالص (1445 درجه سانتیگراد) است و با افزایش محتوای فسفر کاهش می یابد و به 890 درجه سانتیگراد در حدود 14٪ P کاهش می یابد. [16]

خواص مغناطیسی پوشش ها با افزایش محتوای فسفر کاهش می یابد. پوشش هایی با بیش از 11.2 درصد فسفر غیر مغناطیسی هستند. [18]

لحیم کاری پوشش های کم فسفر خوب است، اما با افزایش مقدار فسفر کاهش می یابد. [16]

با افزایش محتوای فسفر، تخلخل کاهش می یابد، در حالی که سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی افزایش می یابد. [ نیازمند منبع ]

برنامه های کاربردی

پوشش نیکل الکترولس اغلب برای صاف کردن صفحات هارد دیسک استفاده می شود.

نیکل فسفر الکترولس زمانی استفاده می شود که مقاومت در برابر سایش، سختی و محافظت در برابر خوردگی مورد نیاز باشد. کاربردها شامل دریچه های میدان نفتی، روتورها، محورهای محرک، تجهیزات جابجایی کاغذ، ریل های سوخت، سطوح نوری برای تراشکاری الماس، دستگیره های درب ، ظروف آشپزخانه ، وسایل حمام ، ابزارهای الکتریکی / مکانیکی و تجهیزات اداری است. [ نیازمند منبع ]

به دلیل سختی بالای پوشش، می توان از آن برای نجات قطعات فرسوده استفاده کرد. پوشش های 25 تا 100 میکرومتری را می توان اعمال کرد و به ابعاد نهایی برگرداند. نمایه رسوب یکنواخت آن به این معنی است که می توان آن را روی اجزای پیچیده ای اعمال کرد که به راحتی برای سایر پوشش های سایش سخت مانند کروم سخت مناسب نیستند . [ نیازمند منبع ]

همچنین به طور گسترده در ساخت درایوهای دیسک سخت به عنوان راهی برای ایجاد یک پوشش اتمی صاف برای دیسک های آلومینیومی استفاده می شود. سپس لایه‌های مغناطیسی در بالای این لایه قرار می‌گیرند، معمولاً با کندوپاش کردن و تکمیل با کربن محافظ و لایه‌های روانکاری. [ نیازمند منبع ]

استفاده از آن در صنعت خودرو برای مقاومت در برابر سایش به طور قابل توجهی افزایش یافته است. با این حال، مهم است که بدانیم فقط دستورالعمل وسایل نقلیه پایان عمر یا انواع فرآیند مطابق با RoHS (عاری از تثبیت کننده های فلزات سنگین) ممکن است برای این کاربردها استفاده شود. [ نیازمند منبع ]

برد مدار چاپی

آبکاری نیکل الکترولس که توسط یک لایه نازک از طلا پوشانده شده است ، در ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) برای جلوگیری از اکسید شدن و بهبود قابلیت لحیم کاری کنتاکت‌های مسی استفاده می‌شود و از سوراخ‌ها و دریچه‌ها آبکاری می‌شود . طلا معمولاً با غوطه ور شدن سریع در محلولی حاوی نمک طلا استفاده می شود. این فرآیند در صنعت به عنوان طلای غوطه‌وری نیکل الکترولس (ENIG) شناخته می‌شود. گونه‌ای از این فرآیند لایه نازکی از پالادیوم الکترولس را روی نیکل اضافه می‌کند، فرآیندی که با نام اختصاری ENEPIG شناخته می‌شود. [19]

استانداردها

  • AMS-2404
  • AMS-C-26074
  • ASTM B-733 [18]
  • ASTM-B-656 (غیرفعال) [20]
  • Mil-C-26074E [21]
  • MIL-DTL-32119
  • IPC-4552 (برای ENIG)
  • IPC-7095 (برای ENIG)

همچنین ببینید

مراجع

  1. ^ abcdef GO Mallory و JB Hajdu، ویراستاران (1990): آبکاری الکترولس: اصول و کاربردها . 539 صفحه. شابک  9780936569079
  2. شرکت انتشارات توماس (2020): "فرآیند آبکاری الکترونیکل". مقاله آنلاین در وب سایت Thomasnet.com. دسترسی به تاریخ 11/07/2020.
  3. ^ آب سوداگر، جوتی؛ لیان، جیانشه; شا، وی (2013). "نیکل، آلیاژ، کامپوزیت و پوشش های نانو الکترولس - یک بررسی انتقادی" (PDF) . مجله آلیاژها و ترکیبات . 571 : 183-204. doi :10.1016/j.jallcom.2013.03.107.
  4. ^ =Georgi G. Gavrilov (1979)، نیکل آبکاری شیمیایی (بدون برق) . ترجمه جان ای گودمن. بازدید در 2018-09-08. شابک 9780861080236 
  5. فرانسوا آگوست رو (1914): "فرآیند تولید رسوبات فلزی". ثبت اختراع ایالات متحده 1207218. اعطا شده 1916-12-05، اختصاص یافته به L'Aluminium Français، در 1933-12-05 منقضی شده است.
  6. ^ ab Charles R. Shipley Jr. (1984): "برجسته های تاریخی آبکاری الکترولس". Plating and Surface Finishing ، جلد 71، شماره 6، صفحات 24-27. ISSN  0360-3164
  7. Abner Brenner و Grace E. Riddel (1946): "آبکاری نیکل روی فولاد با احیای شیمیایی". مجله تحقیقات دفتر ملی استاندارد ، جلد 37، صفحات 31-34 doi :10.6028/jres.037.019
  8. Abner Brenner and Grace E. Riddel (1946): Proc. سی و سومین کنوانسیون سالانه انجمن الکتروپلاترهای آمریکا صفحه 23.
  9. Abner Brenner و Grace E. Riddel (1947): Proc. سی و چهارمین کنوانسیون سالانه انجمن الکتروپلاترهای آمریکا ، صفحه 156.
  10. ^ abner Brenner و Grace E. Riddel (1950): "آبکاری نیکل با احیای شیمیایی". ثبت اختراع ایالات متحده 2532283. اعطا شده در 1950-12-05، منقضی شده در 1967-12-05.
  11. Abner Brenner (1954): Metal Finishing ، جلد 52، شماره 11، صفحه 68.
  12. Abner Brenner (1954): Metal Finishing ، جلد 52، شماره 12، صفحه 61.
  13. هارولد ادوارد بلیس (1969): "ترکیبات و پوشش های مقاوم در برابر سایش نیکل یا کبالت". ثبت اختراع ایالات متحده 3674447. اعطا شده در 1972-07-04، واگذار شده به DuPont ، منقضی شده در 04-07-1989
  14. ↑ abc Thomas Publishing Company (2020): "پیش تصفیه قطعات برای آبکاری نیکل الکترولس". مقاله آنلاین در وب سایت Thomasnet.com. دسترسی به تاریخ 11/07/2020.
  15. ^ M. Bouanani، F. Cherkaoui، R. Fratesi، G. Roventi و G. Barucca (1999): "مشخصات ریزساختاری و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای Ni-Zn-P که به صورت الکترولس از یک حمام سولفات رسوب می کنند". مجله الکتروشیمی کاربردی ، جلد 29، صفحات 637-645. doi :10.1023/A:1026441403282
  16. ^ abcdefg شرکت انتشارات توماس (2020): "چگونه آبکاری نیکل بدون الکترولیت کار می کند". مقاله آنلاین در وب سایت Thomasnet.com. دسترسی به تاریخ 11/07/2020.
  17. «آبکاری نیکل الکترولس». شرکت آبکاری ایری بازبینی شده در 8 سپتامبر 2018 .
  18. ^ ab ASTM (2009): "ASTM B733 - 04(2009) مشخصات استاندارد برای پوشش های نیکل-فسفر اتوکاتالیستی (الکترول) روی فلز".
  19. «سطح در دنیای بدون سرب به پایان می رسد». شرکت بین المللی اویمورا بازبینی شده در 6 مارس 2019 .
  20. ASTM (): «راهنمای استاندارد ASTM B733-15 برای رسوب دهی نیکل-فسفر خودکار (بدون الکترود) روی فلزات برای استفاده مهندسی (برداشته شده 2000)».
  21. «مشخصات نیکل الکترولس». پوشش های الکتریکی بازبینی شده در 14 جولای 2020 .
برگرفته از "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electroless_nickel-phosphorus_plating&oldid=1241961355"