آبکاری نیکل فسفر الکترولس

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
قطعات ماشین با آبکاری نیکل الکترولس.

الکترولس نیکل-فسفر است فرایند شیمیایی که سپرده یک لایه ی از نیکل - فسفر آلیاژ روی سطح بستر جامد، مثل فلز یا پلاستیک . این فرآیند شامل فرو بردن زیرلایه در محلول آبی حاوی نمک نیکل و یک عامل کاهنده حاوی فسفر است که معمولاً یک نمک هیپوفسفیت است . [1] این رایج ترین نسخه آبکاری نیکل الکترولس (EN plating) است و اغلب با آن نام خوانده می شود. فرآیند مشابه با استفاده از یک بوروهیدرید عامل کاهنده، بازده نیکلدر عوض پوشش بور .

برخلاف آبکاری الکتریکی ، فرآیندهای آبکاری الکترولس به طور کلی نیازی به عبور جریان الکتریکی از حمام و زیرلایه ندارند. کاهش این فلز کاتیونهای در راه حلی برای فلز با استفاده صرفا شیمیایی از طریق به دست آورد، autocatalytic واکنش. بنابراین آبکاری الکترولس بدون توجه به هندسه سطح یک لایه فلزی یکنواخت ایجاد می کند - برخلاف آبکاری الکتریکی که به دلیل تأثیر شکل زیرلایه بر مقاومت الکتریکی حمام و در نتیجه بر توزیع جریان در داخل آن، از چگالی جریان ناهموار رنج می برد . [2]علاوه بر این، آبکاری الکترولس را می توان برای سطوح غیر رسانا اعمال کرد .

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

مروری تاریخی

کاهش نمک های نیکل به فلز نیکل توسط هیپوفسفیت به طور تصادفی توسط کشف شد چارلز-آدولف ورتز در سال 1844. [4] در سال 1911، فرانسوا اگوست Roux را از L'آلومینیوم فارسی روند (با استفاده از هر دو هیپوفسفیت و ثبت orthophosphite ) برای آبکاری فلزی به طور کلی. [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 . وقتی هیپوفسفیت سدیم را اضافه کردند ، مشاهده کردند که مقدار نیکلی که در کاتد رسوب می‌کند 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 "الکترونیک" 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 بسیار توسعه دادند، 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. گواهی. آنها همچنین شیمی این فرآیند را مطالعه کردند. [1] [6]

در سال 1969، هارولد ادوارد بلیس از DuPont حق اختراعی را برای یک کلاس کلی از فرآیندهای آبکاری الکترولس 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- تولید کرد. فسفر؛ که در آن 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 می شود که پوشش ها "یک پراکندگی دقیق از بورید تری نیکل سخت ( Ni
3
ب
) یا فسفید نیکل ( Ni
3
P
) در یک ماتریس نرم از نیکل و تالیم." [13]

فرآیند

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 به طور کامل با آب شستشو شود تا باقیمانده مواد شیمیایی پاک کننده از بین برود. [14]

تنش های داخلی در زیرلایه ایجاد شده توسط ماشین کاری یا جوشکاری می تواند 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 کاتالیزوری خودکار است و به محض تشکیل یک لایه اولیه نیکل روی سطح، خود به خود ادامه می‌یابد. [1]

حمام آبکاری نیز اغلب شامل موارد زیر است:

  • تثبیت‌کننده‌ها، مانند نمک‌های سرب ، ترکیبات گوگردی ، یا ترکیبات آلی مختلف، برای کند کردن کاهش با رسوب‌دهی 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 برخی از ترکیبات آلی، برای بهبود پوشش 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. [ نیازمند منبع ] اگر بستر رسانا، مانند نه ABS و دیگر پلاستیک، می توان حمام فعال حاوی استفاده فلز نجیب نمک، مانند کلرید پالادیوم یا نیترات نقره ، و یک عامل کاهنده مناسب است. [ 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، 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 دفع 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] دیگر آلیاژهای نیکل-فسفر را می توان با حمام مناسب، مانند نیکل ایجاد روی -phosphorus. [15]

کامپوزیت ها بر اساس 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 الکترولس کاربید نیکل- سیلیکون 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 یا حتی دارای تنش فشاری هستند. [16]

یک نقطه ضعف هزینه بالاتر مواد شیمیایی است که به نسبت جرم نیکل رسوب 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. تشک سختی آنها در تست ویکرز به 600 می رسد . [ نیازمند منبع ]

پرداخت سطح

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

ساختار

پوشش‌های نیکل-فسفر الکترولس با کمتر از ۷ درصد فسفر محلول‌های جامد با ساختار میکروکریستالی هستند که 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 درصد 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 که مقاومت در برابر سایش، سختی و حفاظت در برابر خوردگی مورد نیاز است استفاده می شود. 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. لایه‌های مغناطیسی معمولاً با کندوپاش کردن و تکمیل با کربن محافظ و لایه‌های روانکاری در بالای این فیلم قرار می‌گیرند. [ 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 ]

بردهای مدار چاپی

آبکاری نیکل Elecroless، پوشش داده شده با یک لایه نازک از طلا است، در تولید مورد استفاده قرار تخته مدار چاپی (PCB ها)، برای جلوگیری از اکسیداسیون و بهبود لحیم کاری از تماس مس و روکش از طریق سوراخ و via ها . 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

منابع

  1. ^ a b c d e f G. O. Mallory and 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. مشاهده شده در 2020-07-11.
  3. ^ a b Sudagar, Jothi; 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 الکتریسیته) . 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 05-12-1933 منقضی شده است.
  6. ^ a b چارلز آر. شیپلی جونیور (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 و 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. ^ a b 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، اختصاص داده شده به DuPont ، منقضی شده در 04-07-1989
  14. ^ a b c شرکت انتشارات توماس (2020): " پیش تصفیه قطعات برای آبکاری نیکل الکترولس ". مقاله آنلاین در وب سایت Thomasnet.com. مشاهده شده در 2020-07-11.
  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. ^ a b c d e f g Thomas Publishing Company (2020): " چگونه آبکاری نیکل بدون برق کار می کند ". مقاله آنلاین در وب سایت Thomasnet.com. مشاهده شده در 2020-07-11.
  17. «آبکاری نیکل الکترولس» . ایری آبکاری شرکت . بازبینی شده در 8 سپتامبر 2018 .
  18. ^ a b ASTM (2009): " ASTM B733 - 04(2009) مشخصات استاندارد برای پوشش های نیکل-فسفر اتوکاتالیستی (الکترولیک) روی فلز ".
  19. «Surface Finishes in a Lead Free World» . Uyemura شرکت بین المللی . 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 در سال 2000) ».
  21. «مشخصات نیکل الکترولس» . الکترو پوشش . بازبینی شده در 14 جولای 2020 .