آبکاری نیکل الکترولس
در مورد فرایندهای رسوب آبکاری الکترولس که در آن از هیچ منبع جریان خارجی استفاده نمی شود، الکترون های مورد نیاز برای خروج یون های فلزی توسط یک واکنش شیمیایی در محلول ایجاد می شود. در مورد آبکاری نیکل الکترولس ، معمولا برپایه یک یا دو محلول است.
آبکاری نیکل الکترولس
در مورد فرایندهای رسوب الکترولس که در آن از هیچ منبع جریان خارجی استفاده نمی شود، الکترون های مورد نیاز برای خروج یون های فلزی توسط یک واکنش شیمیایی در محلول ایجاد می شود. الکترون های مورد نیاز برای احیای یون های فلزی با استفاده از عوامل احیا کننده Rn+که Z الکترون را آزاد می کنند و خود دارای بار Rn+zمی شوند تامین می شود. واکنش های مربوط به صورت زیر است:
Rn+ → Rn+z + Ze-
Mz+ + Ze- → M
برخی فرایندها خصوصا فرایندهایی که شامل مس یا نیکل هستند به دلیل اینکه می توانند پوشش های فلزی خاصی را رسوب دهند که
به طریق آبکاری الکتریکی غیرممکن است، اهمیت عمده ای پیدا کرده اند. پوشش های فوق دارای خواص فیزیکی و شیمیایی عالی هستند که مناسب کاربردهای عملی می باشند. به ظور کلی علاوه بر کاربردهایی که بر اساس مقاومت به خوردگی و سایش خوب ایجاد شده اند، استفاده از پوشش ها برای تماس های الکتریکی نیز امکان بیشتری می یابد.
به طور کلی همه روش های بکار رفته برای رسوب الکترولس نیکل از محلول های آبی می توانند به بخش های زیر طبقه بندی شوند:
- عامل احیا کننده
- pH حمام
- دمای رسوب
برخلاف بیشتر حمام های رسوب الکتریکی، تمامی حمام های الکترولسی شامل مشخصه های خاصی هستند که می توانند بصورت زیر خلاصه شوند:
1- حمام شامل یون های نیکل و عوامل احیا کننده در تعادل نیمه پایدار است.
2- ظرفیت نیکل این حمام ها بسیار پایین 2 تا 8 g/L است.
3- سرعت رسوب معمولا در حدود 10 تا 25 µm/hr است که نسبتا پایین می باشد.
4- غیر از ترکیب حمام سرعت رسوب به دما، pH و تا حدی به عمر حمام بستگی دارد. مقاوم کننده ها، کمپلکس کننده ها، تسریع کننده ها و تثبیت کننده ها نیز جهت اطمینان از سرعت رسوب بهینه و پایداری حمام به فرمولاسیون تجاری آن اضافه می شوند.
5- رسوب فلز به وسیله یک کاتالیزور که در انتهای واکنش برداشته می شود، آغاز می گردد.
6- سطحی که باید پوشش داده شود، خود به عنوان یک کاتالیزور عمل خواهد کرد.
7- احیای نیکل همراه با آزاد شدن هیدروژن می باشد. نسبت مولی نیکل رسوب یافته به هیدروژن رها شده در محدوده 76/1:1 تا 93/1:1 قرار دارد.
8- پوشش های تشکیل شده از طریق رسوب الکترولسی به طور طبیعی فلز نیستند بلکه شامل فسفر یا بور هستند که از عامل احیا کننده مشتق شده اند و مقادیرشان به شرایط رسوب بستگی دارد.
9- مواد شیمیایی مصرفی در واکنش باید یا به صورت مداوم و یا در فواصل زمانی معین که غلظتشان به پایین تر از حد مجاز برسد، دوباره اضافه شوند.
حمام های هیپوفسفیت اسیدی مزایای بیشتری نسبت به حمام های آمونیاکی قلیایی دارند که شامل سرعت رسوب بالاتر، پایداری بیشتر، کنترل ساده تر حمام و ایجاد رسوبات نیکل- فسفر با خواص بهتر می باشند.
pH : 6/4- 5
دما : 85- 95 درجه سانتی گراد
سرعت رسوب : 10- 30 µm/hr
رفتار یون های نیکل در محلول قلیایی مشابه رفتار آن ها در محیط اسیدی می باشد، طوری که همراه با آزادسازی هیدروژن و اکسیداسیون هیپوفسفیت به فسفیت است. سرعت های رسوب در محلول های قلیایی تا حدی آهسته تر است و رسوبات تشکیل شده دارای تخلخل بیشتر، مقاومت به خوردگی کم ولی براق تر هستند.
نه تنها سرعت رسوب بلکه ظرفیت فسفر رسوب و به طور کلی سایر خصوصیات پوششی شدیدا به pH حمام و دمای کاری آن وابسته اند و این دو پارامتر از اهمیت بیشتری نسبت به فرایندهای آبکاری الکتریکی برخوردارند.
راه اندازی حمام نیکل الکترولس :
یک حمام الکترولسی نیکل معمولا برپایه یک یا دو محلول است. این محلول با آب یون زدایی شده مخلوط می شود تا به رقت مناسب برسد. دمای حمام به مقدار صحیحی افزایش می یابد و pH آن نیز با مقدار مناسبی از اسیدسولفوریک، سود و یا آمونیاک تنظیم می شود و سپس آماده برای استفاده می گردد.
یک حمام الکترولس نیکل خوب می تواند پوشش های رسوبی با کیفیت یکنواختی در محدوده وسیعی از pH و دما و غلظت نمک های نیکل ایجاد کند بدون این که نیازی به کنترل اتوماتیک فرایند باشد. تغذیه مجدد مواد مصرف شده در یک حمام الکترولسی نیکل معمولا با استفاده از دو یا سه محلول انجام می گیرد. یکی از آن ها شامل نمک های نیکل و دیگر عوامل احیا کننده و یون های هیدروکسیل می باشد. محلول سوم نیز شامل تثبیت کننده ها است.
تاثیر دما
دما یکی از مهمترین پارامترهایی است که موثر بر سرعت رسوب گذاری می باشد. بیشتر واکنش های اکسیداسیون و احیا در فرایند، نیاز به انرژی به شکل حرارت دارند و این در مورد تمام انواع حمام ها و تمام مقادیر pH صادق است. تقریبا همه حمام های هیپوفسفیت اسیدی بین دمای 85 تا 95 درجه سانتی گراد کار می کنند و سرعت رسوب در تمامی موارد با افزایش دما، افزایش می یابد. درصد فسفر رسوبات حاصل از حمام های اسیدی تحت شرایط ثابت، با افزایش دما کاهش می یابد. به همین دلیل کنترل صحیح دمای حمام های الکترولسی نیکل ضروری است. وقتی که تلاطم و همزنش شدیدی در حمام به کار رود، دما در تمامی نقاط آن یکنواخت خواهد بود که خصوصا در تنظیم الکترولیت با گرمکن های حمام انجام می گیرد. گرم شدن موضعی بیش از حد می تواند خطرناک باشد و به هر قیمت ممکن باید از آن اجتناب شود.
تاثیر pH
غلظت یون H+با احیا شدن یون های نیکل به فرم فلزی آن، افزایش می یابد و نتیجتا pH محلول با ادامه فرایند رسوب الکترولسی افت خواهد کرد. به این دلیل باید در همه حمام های الکترولسی طی عملیات، از محلول بافر استفاده کرد و یون های OH- با افزودن مواد قلیایی سود یا آمونیاک به طور مداوم اضافه شوند.
سرعت رسوب به ویژه در مورد حمام های هیپوفسفیت اسیدی به pH محلول، حساسیت شدیدی دارد و هرچه pH حمام پایین تر باشد درصد فسفر رسوب بیشتر خواهد بود.
تاثیر ترکیب حمام
هر جزء شیمیایی در سرعت رسوب و درصد فسفر رسوب موثر می باشد. در برخی موارد این اثرات شدید هستند در حالی که در دیگر موارد ممکن است کم باشد. در کل سرعت رسوب فقط به صورت جزئی تحت تاثیر غلظت نیکل محلول است. غلظت نیکل در بیشتر حمام ها در محدوده 4 تا 8 g/L قرار می گیرد. پارامتر مهم در این جا نسبت غلظت نیکل به غلظت عامل احیا کننده است. در عمل به ازای مصرف 3 مول هیپوفسفیت، 1 مول نیکل رسوب می کند.
نسبت مولی بهینه Ni:(H2Po2)- باید بین 25/0 تا 6/0 و یا ترجیحا بین 3/0 و 45/0 قرار داشته باشد. اگر نسبت Ni:(H2Po2)- زیر 25/0 قرار گیرد، رسوب قهوه ای رنگی بدست می آید در حالی که اگر نسبت فوق از 6/0 تجاوز کند، رسوب گذاری بسیار آهسته خواهد بود. هرچه نسبت فوق بزرگتر باشد،درصد فسفر رسوب کمتر خواهد بود و با بیشتر شدن نسبت مولی Ni2+:(H2Po2)- کارایی حمام نزول پیدا خواهد کرد.
تاثیر آلاینده ها
آلاینده های فلزی در یک حمام آبکاری الکترولسی نیکل به 2 گروه تقسیم می شوند:
1- سرب و کادمیوم که حتی در غلظت های خیلی کم، فرایند رسوب را تحت تاثیر خود قرار می دهند. این فلزات بر حسب غلظتشان در محلول به طور وسیعی به رسوبات وارد می شوند و می توانند با رسوب گذاری روی یک سطح غیرفعال به طور انتخابی حذف شوند.
2- روی، آهن و آلومینیوم که در محدوده pH 6/4 تا 8/4 به صورت رسوبی در نمی آیند و غلظت آن ها در محلول در حال افزایش خواهد بود. غلظت مجاز این فلزات در مقایسه با فلزات گروه 1 بیشتر است و دخالت آن ها کمتر از سرب، کادمیوم و کروم یا گوگرد می باشد. به طور کلی سیستم های Ni-B نسبت به سیستم های Ni-P اسیدی، حساسیت کمتری به آلاینده ها دارند.
خواص رسوبات آبکاری نیکل الکترولس
به طور کلی در مقایسه با نیکل آبکاری الکتریکی شده که معمولا زرد کمرنگ هستند بیشتر رسوبات Ni-B یا Ni-P بسیار براق بوده و معمولا نقره ای رنگ هستند. همچنین رسوبات الکترولسی به دلیل مقاومت به کدر شدن زیادشان، درخشندگی خود را به مدت طولانی تری نسبت به نیکل آبکاری الکتریکی شده حفظ می کنند. پوشش های نیکل الکترولسی همچنین از پایداری بیشتری نسبت به رسوبات آبکاری الکتریکی شده برخوردارند.
