معرفی فرآیند آبکاری الکتریکی نیکل

مقدمه

نیکل یکی از مهمترین فلزاتی است که در آبکاری به کار گرفته می‌شود. تاریخچه آبکاری نیکل به بیش از صدها سال پیش باز می‌گردد این کار در سال 1843 هنگامی که R.Rotlger توانست رسوبات نیکل را از حمامی شامل سولفات نیکل و آمونیوم بدست آورد آغاز گردید بعد از آن Adams اولین کسی بود که توانست آبکاری نیکل را در موارد تجاری انجام دهد نیکل رنگی سفید شبیه نقره دارد که کمی متمایل به زرد است و به راحتی صیقل‌پذیر و دارای خاصیت انبساط و انقباض٬ جوش‌پذیر بوده و مغناطیسی می‌بلاشد. آبکاری با نیکل اساسا به منظور ایجاد یک لایه براق برای یک لایه بعدی مانند کروم و به منظور فراهم آوردن جلای سطحی خوب و مقاومت در برابر خوردگی برای قطعات فولادی٬ برنجی و حتی بر روی پلاستیکهایی که با روش‌های شیمیایی متالیزه شده‌‌‌اند به کار می‌رود. مواد شیمیایی که در الکترولیتهای نیکل به کار می‌روند عبارتنداز:

· نمک فلزی ، مهمترین آنها سولفات نیکل است و همچنین از کلرید نیکل و سولفومات نیکل نیز استفاده می‌شود.

· نمک رسانا ، برای بالا بودن قابلیت رسانایی ترجیحا از کلریدها مخصوصا کلرید نیکل استفاده می‌شود.

· مواد تامپونه کننده برای ثابت نگه داشتن PH اصولا اسید بوریک به کار برده می‌شود.

· مواد ضد حفره‌ای شدن برای جلوگیری از حفره ای شدن به الکترولیتهای نیکل موادی اضافه می کنند که مواد ترکننده نامیده می شوند. سابقا از مواد اکسید کننده به عنوان مواد ضد حفره استفاده می‌شد.

انواع آبکاری نیکل

آبکاری تزئینی

محلول‌های آبکاری تزئینی نیکل حاوی افزودنی‌های آلی هستند که مواد فوق فرآیند کریستالیزاسیون الکتریکی را بگونه‌ای تغییر می‌دهند که پوششی صاف و براق (مثل آینه) مستقیماً از محلول رسوب کند. قبل از اینکه حمامهای آلی مصرفی شوند در موارد تزئینی رسوب الکتریکی نیکل از طریق پرداخت مکانیکی صاف و براق می‌شد. این روند از سال 1870 تا 1945 ادامه پیدا کرد. برای این که از زرد یا کدر شدن نیکل در اتمسفر باز (فضای آزاد) جلوگیری شود در اوایل سال 1925 روی پوشش‌های پرداخت شده نیکل، لایه نازکی از کروم به صورت الکتریکی رسوب داده شد که در اوایل دهه 1950 به توسعه پوشش‌های چند لایه نیکل منجر گشت. پوشش‌های نیکل چند لایه همراه با پوشش کرومی ریزگسسته قادرند بیشتر فلزات، آلیاژها، پلاستیک‌های پوشش‌پذیر و سایر موارد را در دراز مدت محافظت کرده و ظاهر آنها را بهبود بخشند

آبکاری مهندسی

کاربردهای مهندسی آبکاری نیکل شامل مواردی است که ظاهر براقی لازم ندارند. رسوبهای مهندسی نیکل معمولاً بدون گوگرد بوده و ظاهر کدری دارند. این پوشش‌ها برای بهبود مقاومت خوردگی و سایش، بازسازی قطعات ساییده شده یا زیر اندازه، تغییر خواص مغناطیسی، آماده ساختن سطح برای لعابکاری یا برای پوشش‌های آلی، در کاربردهای الکتریکی به عنوان سد دیفوزیونی و اهداف دیگر به کار می‌روند. این موارد در صنعت شیمی، هسته‌ای، مخابرات، الکترونیک و کامپیوتر کاربرد فراوان دارد.

شکل‌دهی الکتریکی

فرآیندی است که در آن انواع محصولات نیکلی از طریق رسوب الکتریکی آن تولید می‌شوند. این روش با آبکاری الکتریکی تفاوت عمده دارد. در آبکاری الکتریکی پوشش به طور متالورژیکی به فلز پایه چسبیده و قسمتی از سطح است. در صورتی که در شکل‌دهی الکتریکی نیکل به صورت غیرچسبان روی ماندرل یا قالبی رسوب داده شده و بعد از این که از محلول خارج شد از آنها جدا می‌گردد. کاربرد این روش برای تولید قالب، توری و دیگر محصولاتی است که در صنعت الکترونیک، خودرو، مخابرات، نساجی، فضایی مصرف می‌شوند.

محلول واتز و خواص رسوب 
محلول آبکاری نیکل که در سال 1916 توسط واتز (Watts) توضیح داده شد مرحله مهمی در توسعه تکنولوژی آبکاری نیکل بود. این محلول در آن زمان جایگزین همه محلول‌های دیگر شد این محلول اساس بیشتر فرآیندهای آبکاری تزیینی نیکل بوده و برای کاربردهای مهندسی و شکل‌دهی الکتریکی نیز به کار می‌رود. این محلول در دمای بالا به کار رفته و قادر است در دانسیته جریان بالا کار کند. ترکیب حمام مدرن واتز در جدول 3 آمده است. اجزاء این حمام عملکرد مختلفی دارد. 
 جدول 3 محلول آبکاری الکتریکی نیکل
 
 •    سولفات نیکل به صورت خالص وجود دارد ولی نسبتاً گران است. منبع اصلی تأمین یونهای نیکل در محلول سولفات آن است. اگر دانسیته جریان بالاتری لازم است باید غلظت سولفات نیکل را بالا انتخاب کرد. 
•    کلرید نیکل خوردگی یا انحلال آند را بهبود بخشیده و توزیع یکنواخت ضخامت پوشش را افزایش می‌دهد. مقدار اضافی کلرید خاصیت خورندگی محلول و مقدار تنش داخلی رسوب را افزایش می‌دهد. (این تنشها در اثر فرآیند کریستالیزاسیون الکتریکی و یا رسوب همزمان ناخالصیهایی مثل هیدروژن، گوگرد و عناصر دیگر ایجاد می‌شوند. تنش ممکن است کششی (انقباضی) یا فشاری (انبساطی) باشد. اگر مقدار این تنشها زیاد باشد ممکن است در آبکاری مشکلاتی به وجود آید. 
 •    اسید بوریک به منظور ثابت نگه‌داشتن pH محلول آبکاری استفاده می‌شود غلظت آن احتمالاً روی ظاهر رسوب اثر می‌گذارد وقتی که غلظت اسیدبوریک g/L 30 باشد در دانسیته جریان بالا ممکن است رسوب برفکی یا یخ مانندی تشکیل گردد. اگر غلظت اسیدبوریک حدود g/L 23-15 باشد ممکن است رسوب بسوزد یا ترک بردارد. وقتی غلظت اسیدبوریک تا حد اشباع آن (45g/L) افزایش می‌یابد هیچ اثری روی ظاهر پوشش مشاهده نمی‌شود.
•    عوامل ترکننده به محلول‌های آبکاری الکتریکی نیکل افزوده می‌شوند تا حفره‌ای شدن پوشش کنترل گردد. نقش آنها اینست که کشش سطحی محلول آبکاری را پایین می‌آورند به طوری که حبابهای هوا و هیدروژن به سطح قطعات تحت عملیات نمی‌چسبد. در دامه یا محدوده pH، درجه حرارت و دانسیته جریانی که در جدول 3 آمده است می‌توان رسوب با کیفیتی تولید کرد. حداکثر دانسیته جریان A/dm2 11 است از طریق افزایش سرعت هم زدن محلول می‌توان سرعت آبکاری را نیز مطابق جدول فوق افزایش داد. شرایط عملیات و مقدار کلرید محلول روی خواص فیزیکی و مکانیکی رسوبهای محلول واتز اثر می‌گذارند (شکلهای 2 تا 5) شکل‌های 2 تا 4 نشان می‌دهند که چگونه pH، دانسیته جریان و درجه حرارت روی خواصی مثل سختی، تنش داخلی، درصد افزایش طول و استحکام کششی اثر می‌گذارند. شکل 5 تأثیر مقدار کلرید نیکل روی خواص فوق را نشان می‌دهد. چنان‌که مشهود است وقتی که مقدار کلرید نیکل 25% باشد رسوب ایجاد شده حداکثر خواهد بود. 
 
شکل 2تغییرات تنش داخلی،استحکام کششی ، داکتیلیته و سختی رسوب بر حسب pH 

 
 شکل 3 تغییرات تنش داخلی و سختی دانسیته جریان 

  
 شکل 4تغییرات درصد افزایش طول ، استحکام کششی و سختی رسوب بر حسب درجه حرارت 

 
شکل 5 تغییرات تنش داخلی ، درصد افزایش طول ، استحکام کششی و سختی بر حسب درصد کلرید نیکل 

 فرآیندهای آبکاری تزیینی 
تکنولوژی آبکاری تزئینی نیکل در طول سالها به طور پیوسته بهبود یافته است به عنوان مثال برای رسوب براق نیکل محلو‌های آلی توسعه یافت، فرآیندهای آبکاری نیمه براق نیکل معرفی شد و پوشش‌های چند لایه نیکلی همراه با لایه کرومی ریز- گسسته توسعه پیدا کرد. حاصل این پیشرفتها بالا رفتن مقاومت خوردگی پوشش‌های تزیینی نیکل با کروم بود بدون این که لازن باشد ضخامت رسوب افزایش داده شود. 

 محلول‌های آبکاری براق نیکل
این محلول‌ها در اصل فرمول‌بندی اصلاح شده محلول‌های واتز هستند که در جدول 3 آمده است. با این تفاوت که این محلول‌ها حاوی افزودنی‌های آلی و مواد دیگری هستند که بدون نیاز به پرداخت مکانیکی، سطح کاملاً براقی برای آبکاری لحظه‌ای کروم ایجاد می‌کنند. بخشی از مولکولهای عوامل افزودنی ممکن است همراه نیکل رسوب کرده و موجب سخت و دانه ریز شدن پوشش شوند. آمیختگی گوگرد با پوشش باعث می‌شود که این رسوب از نظر الکتروشیمی نسبت به رسوبهای بدون گوگرد مات، پرداخت شده یا نیمه براق نیکل فعالتر گردد. محصولات تجزیه‌ای افزودنی‌ها که بتدریج در محلول انباشته می‌شوند توسط کربن فعال تصفیه می‌گردند. در محلول‌های مدرن این کار به طور مداوم انجام می‌گیرد. برای ایجاد درخشندگی، همترازی و همین‌طور کنترل تنشهای داخلی به محلول مواد مختلف آلی و غیرآلی اضافه می‌کنند. موادی که به عنوان افزودنی به محلول آبکاری براق اضافه می‌شوند تحت عناوین حاملها، براق‌کننده‌های کمکی یا کمک- براق کننده‌ها به شرح زیر مورد توجه قرار می‌گیرند: 
حاملها: (براق کننده‌های اصلی، براق‌کننده‌های ثانویه عوامل کنترلی و داکتیل کننده‌ها) ترکیبات آلی معطر هستند. این مواد منبع اصلی گوگردی هستند که همزمان با نیکل رسوب می‌کنند. عملکرد اصلی آنها این است که ساختار دانه‌ای را اصلاح کرده و در مقایسه با رسوبهایی که از حمام بدون افزودنی به دست می‌آید درخشندگی بالاتری را موحب می‌شوند بعضی از این افزودنی‌ها را می‌توان به محلول‌های واتز یا محلول‌های واتز حاوی کلرید زیاد (g/L 115 کلرید نیکل) اضافه کرد. این نوع براق کننده‌های کمکی وقتی همراه براق‌کننده‌های کمکی یا براق‌کننده‌هایی که در زیر بحث می‌شوند به کار می‌روند، دامنه درخشندگی را توسعه می‌دهند. موادی مثل ساکارین (ارتو سولفوبنزوئیک امید) پاراتولوئین سولفوامید، بنزن- سولفوامید، بنزن منوسولفونات ( نمک سدیم)، ارتوسولفوبنزآلدئید (نمک سدیم) و 1و3و6 تری سولفومات و نفتالین موادی هستند که برای این منظور به کار می‌روند. غلظت این مواد در حالت تکی یا ترکیبی حدود g/L25-1 است. کاهش غلظت این مواد معمولاً به علت سرریز شدن محلول و افت آنها در عملیات کربنی است. با استفاده از آمیدو (amido) یا آمید و ازت خاصیت تنش- کاهندگی این مواد افزایش می‌یابد. برای مثال ساکارین تنش- کاهنده مؤثری است و عموماً ایجاد بخار را کاهش داده یا آن را حذف می‌کند. این ماده معمولاً به صورت سدیم ساکارین و به مقدار g/L .4-5/0 به محلول اضافه می‌شود. 
براق کننده‌های کمکی: ممکن است مواد آلی یا غیرآلی باشند. عملکرد آنها به این صورت است که قابلیت و توان براق کننده‌ها و حاملها، درجه براقی و همترازی را افزایش می‌دهند. موادی مثل سدیم آمیل سولفونات، روی، کبالت، کادیم (برای آبکاری بشکه‌ای یا آویزی)، 1 و 4- بوتین 2 دی ال برای این منظور به کار می‌روند. غلظت این مواد در محلول حدود g/L 4-1/0 است و مصرف آنها به نوع ترکیبشان بستگی دارد. این ترکیبات ممکن است معطر یا زنجیری باشند و معمولاً حلقوی ناهمگن یا غیراشباع هستند. یونهای فلزی معدنی (شامل روی، کبالت، کادمیم) به عنوان کمک براق‌کننده کاربرد زیادی ندارد. 
براق کننده‌ها: (براق کننده‌های درجه 2، براق کننده‌های اولیه، عوامل همتراز کننده) وقتی همراه با حاملها و کمک براق‌کننده‌ها به کار می‌روند رسوبی براق تا درخشان تولید می‌کنند که در دامنه وسیعی از دانسیته جریان مشخصات همترازی و داکتیلیته خوبی دارند. ترکیباتی که به عنوان براق کننده مصرف می‌شوند عبارتند از فوشین (fuchin) احیا شده، فنوسفرانین (phenosafranin) تیواره ، 1/4- بوتین دی‌ال، n- الیل کوئینولینیم (n-allyitquinolinium) برمید، 5- آلومینوبنزامیدازول اتیور 2. (5-aminobenzimidazolethiol 2) – غلظت این مواد معمولاً g/L 2/0-005/0 است. مقدار اضافی این مواد در حد وسیعی تغییر می‌کند. 
در محلول‌های آبکاری براق مدرن از ترکیبی از افزودنی‌های مشابه آنچه ذکر شده استفاده می‌شود. رسوبهای این محلول‌ها مشخصات همترازی و خراش پرکنی خیلی خوبی دارند، داکتیلیته آنها مطلوب بوده و تنش‌های داخلی نیز کم است. در این محلول‌ها می‌تواند از دانسیته جریان و همین‌طور دمای بالاتر استفاده کرد. این محلول نسبت به آلاینده‌های فلزی کمتر حساس هستند و می‌توان محلول را به طور مداوم از طریق فیلترهای کربن فعال تصفیه نمود. محصولات تجزیه‌ای تولید شده از طریق فیلتر کردن خارج می‌شوند. این محلول‌ها نسبت به اثرات آندی حساس نیستند. 

برای اطلاعات بیشتر و دریافت مقاله کامل کلیک کنید.

برای دریافت خدمات آبکاری نیکل کلیک کنید.