آبکاری الکترولس نیکل

پوشش دهی به روش نیکل الکترولس(EN ) یک فرآیند شیمیایی احیا است که اساس آن بر احیا کاتالیستی یون های نیکل در یک محیط آبی (در حضور یک عامل شیمیایی احیا کننده ) بوده و در نتیجه در این فرایند از انرژی الکتریکی استفاده نمی شود. پوشش دهی باروش نیکل الکترولس (بدون برق) در صنعت پوشش دهی فلزات به علت ایجاد خواصی که دارد (پوشش یکسان مقاومت به خوردگی و روان بودن پوشش) به طور گسترده ای به کار می رود. خواصی را که پوشش های نیکل الکترولس ایجاد می کند بهتر از خواصی است که به روش پوشش دهی آبکاری الکتریکی نیکل ایجاد می شود، حتی در بعضی از موارد مثل قطعات پلاستیکی پوشش دهی برقی نیکل غیرممکن است.

فرآیند آبکاری نیکل الکترولس

 آبکاری نیکل الکترولس فرایندی است که در آن، یک پوشش نیکل به وسیله و تحت کنترل یک ماده شیمیایی احیا کننده روی سطح قطعه نشانده می شود. به همین علت برای این فرایند از اصطلاح الکترولس (بدون برق) استفاده می شود زیر الکترون ها به وسیله یک ماده شیمیایی احیا کننده تامین می شوند نه به وسیله جریان برق.

فرآیند احیا نیکل فقط در سطوح کاتالیک خاصی مثل سطح نیکل شروع شده و پیشرفت می کند و همین امر باعث می شود که این فرایند یک فرایند خود کاتالیتیک  (Autocatalytic )باشد. ماده شیمیایی احیا کننده موجود در محلول های نیکل الکترولس نه تنها الکترون های لازم برای انجام واکنش را تامین می کند بلکه با شرکت دادن بعضی از عناصر شیمیایی خود در لایه رسوبی نیکل الکترولس باعث ایجاد یک لایه با ترکیبی از نیکل و فسفر شده و این امر به نوبه خود باعث بهبود خواص لایه رسوبی نیکل الکترولس می شود. به عنوان مثال وقتی که از هیپوفسفیت سدیم به عنوان عامل احیا کننده استفاده می شود لایه رسوب کننده حاصل آلیاژی از نیکل فسفر خواهد بود.

در فرآیند الکترولس نیکل علاوه بر نمک های نیکل (معمولاً سولفات نیکل) و عامل شیمیایی احیا کننده، در محلول مجموعه متنوعی از عوامل کمپلکس دهنده ، بافر، تثبیت کننده و ممانعت کننده نیز جهت کنترل مقدار یون های فلزی آزاد نیکل وجود دارند.

با توجه به مقاومت به خوردگی استثنایی و سختی بالایی که در این فرآیند به دست می آید، این روش پوشش دهی ،کاربرد وسیعی در قطعاتی مانند شیرهای صنعتی، سوپاپ، قطعات پمپ ها و غیره دارد و همچنین برای بالا بردن عمر قطعاتی مانند قطعات مورد استفاده در صنایع نفت و محیط های دریایی که تحت شرایط سخت کار می کنند ازاین پوشش استفاده می شود.  با اجرای صحیح مراحل آماده سازی قطعه و کنترل دقیق فرایند در حین عمل می توان با این روش به یک چسبندگی خوب و عملکرد عالی روی قطعات فلزی و غیر فلزی دست پیدا کرد. درفرآیند نیکل الکترولس یک عامل شیمیایی احیا کننده موجود در محلول، انرژی لازم جهت احیا و رسوب یون های نیکل به روی قطعات را فراهم می کند. مقدار این انرژی پتانسیل جهت رسوب یون های نیکل اساساً در تمامی نقاط محلول یکسان است و ایجاد تحرک به وسیله همزدن محلول جهت ایجاد تراکم یکسان یون های فلزی و عامل احیا کننده شیمیایی در تمامی نقاط محلول کافی است. بنابراین لایه ایجاد شده در روش نیکل الکترولس (EN )در تمامی اشکال و اندازه های قطعه دارای ضخامت یکسانی است. این فرآیند نتایج بسیار خوبی را در آبکاری قطعات با اشکال پیچیده دارای سوراخ، گودی و سطوح داخلی و اجسام شیاردار می دهد.

نتایج روش نیکل الکترولس عبارتند از:

• یکنواختی رسوب نیکل الکترولس حتی در قطعاتی با اشکال پیچیده
• لایه حاصله دارای حفرات و سوراخ های کمتری بوده و در نتیجه نسبت به قطعات آبکاری شده به روش برقی و حتی کروم سخت دارای مقاومت به خوردگی بیشتری است.
• در این روش جذب هیدروژنی به مقدار 1/5 آبکاری برقی نیکل و 1/1 آبکاری کروم کاهش می یابد.
• لایه نیکل الکترولس دارای استرس فشاری معادل صفر است.
• لایه نیکل الکترولس بر خلاف لایه نیکل آبکاری، دارای خاصیت روان بودن وعدم تورق (پوسته) است.
• لایه نیکل الکترولس خاصیت تر شوندگی خوبی با انواع روغن دارد.
• به طور عمومی لایه رسوبی نیکل الکترولس کم فسفر و الیاژی نیکل/ بور خاصیت لحیم پذیری خوبی دارند و لایه های آلیاژی نیکل با فسفر متوسط و بالا خاصیت لحیم پذیری خوبی ندارند.

انواع پوشش نیکل الکترولس

 تنوع پوشش دهی به روش الکترولس نیکل بسیار زیاد است به طوری که می توان آن را با آبکاری برقی مقایسه کرد . ولی انواع مهم و کاربردی آن در صنعت به قرار زیر است:

1. الکترولس نیکل کم فسفر (Low Phosphorous )

 استفاده از این ترکیب می توان به لایه آلیاژی نیکل / فسفری تا سختی 60 راک ول Rock Well)( دست یافت همانطور که ملاحظه می کنید سختی لایه به مانند سختی کروم سخت است. همچنین این ترکیب باعث رسوب یک لایه یکنواخت با ضخامت یکسان حتی در بخش های داخلی و خارجی قطعات با اشکال هندسی پیچیده می شود. یکنواختی لایه رسوب نیکل / فسفر تا حدی است که مراحل سنگ زنی بعد از آبکاری را می توان حذف کرد. همچنین محلول های کم فسفر باعث ایجاد لایه ای می شوند که مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در محیط های قلیایی دارد.

2. الکترولس نیکل متوسط فسفر (Medium Phosphorous )

این نوع محلول در طی سالیان اثبات کرده که پرکاربرد ترین نوع نیکل الکترولس است . قطعات استینلس استیل عمدتا با این نوع محلول روکش کاری می شوند. با استفاده از این محلول می توان به یک پوشش کاملاً یکنواخت در داخل و خارج قطعات دست یافت. با انجام عملیات حرارتی می توان سختی پوشش این نوع الکترولس نیکل را از 45 تا 68 راک ول سی (Rock Well C) بالا برد .

3. الکترولس نیکل فسفر بالا (High Phosphorous )

لایه الکترولس نیکل با محتوای فسفر زیاد دارای حداکثر مقدار مقاومت به خوردگی است. این نوع آبکاری استاندارد صنایعی است که مقاومت به خوردگی زیادی را در محیط های اسیدی نیاز دارند مانند صنایع حفاری نفت و استخراج ذغال سنگ. لایه الکترولس نیکل پر فسفر دارای خاصیت لحیم پذیری پایینی بوده و فقط برای مدت کوتاهی پس از انجام عملیات آبکاری خاصیت لحیم پذیری خود را حفظ می کند و این خاصیت آن را برای صنایع الکترونیکی بسیار مطلوب ساخته است.

4. الکترولس ترکیبی نیکل / تفلون(Teflon / Nickel Composite )

تفلون معمولاً برای یکنواخت و صیقلی کردن سطح لایه به ترکیب محلول نیکل الکترولس اضافه می شود و همچنین باعث می شود که اصطکاک سطح بسیار پایین بیاید. این نوع ترکیب نسبت به بقیه بسیار جدید است . لایه شامل ذرات میکروسکوپی تفلون است که تا مقدار 20 درصد همراه با نیکل الکترولس در لایه هم نشین می شوند. روکش کردن قطعات با این ترکیب می تواند راه حلی باشد برای قطعات متحرکی که در اثر اصطحکاک دچار گیر کردن، ساییدگی و کشیدگی می شوند (مانند قطعات قفل در اتومبیل) در بعضی از موارد با استفاده از پوشش نیکل / تفلون می توان استفاده روان کننده هایی مانند روغن را کنار گذاشت.

5. نیکل الکترولس برای قطعات روی دای کاست (Zinc Die Cast)

نیکل الکترولس را می توان بدون استفاده از پیش لایه مس به روی قطعات ساخته شده از روی دای کاست نشاند. این روش در جایی که قطعات نیاز به مقاومت به خوردگی و پوسته شدن یا ورقه شدن دارند، بسیار کاربرد دارد.  انتخاب یکی از انواع نیکل الکترولس برای روکش کردن قطعات بستگی به نوع کاربرد قطعه دارد. جایی که سختی بالا و ضریب اصطکاک پایین نیاز است نیکل الکترولس کم فسفر (فسفر 3 - 1 درصد) مناسب است. برای کاربردهای عمومی زمانی که لایه سفید و روشن رنگ مورد نیاز است و قطعه در محیط خیلی خورنده نیست مانند غلتک های پرینت و چاپ، قطعات کامپیوتر و قالب های تزریق پلاستیک نیکل الکترولس با فسفر متوسط ( فسفر8 - 6 درصد) مناسب بوده و وقتی که محیط برای قطعات بسیار خورنده باشد برای روکش کردن آن ها از الکترولس پرفسفر ( فسفر13 -12درصد) استفاده می شود. کریستال های فلزی در لایه نیکل پرفسفر بدون شکل بوده و لایه دارای تنش فشاری هستند، برعکس در نیکل کم و متوسط فسفر ،لایه ها دارای بلورهای فلزی شکل یافته بوده و لایه ها بدون تنش هستند. اخیرا استفاده از روکش های نیکل الکترولس پرفسفر کاربردهای زیادی در صنایعی مانند شیرآلات صنعتی و صنایع هوا و فضا، نفت و گاز و صنایع شیمیایی پیدا کرده است . اجرای درست و مناسب مراحل کار و کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی باعث می شود که لایه نیکل الکترولس پر فسفر فاقد تخلخل شده و از کیفیت بالایی برخوردار شود.

ویژگی های فیزیکی

• سختی سطح : حدود 48 تا 50 راک ول سی و پس از انجام عملیات حرارتی ( 1 ساعت در دمای 400 سانتی گراد) به 62 تا 63 راک ول سی می رسد.
• دمای ذوب: 890 درجه سانتی گراد
•   دانسیته: 7/95 – 7/85 گرم بر سانتی متر مکعب
• ضریب اصطکاک : ( لایه نیکل الکترولس بروی فولاد) 0/3
• ضریب انبساط حرارتی: 0/13 میکرون بر درجه سانتی گراد

زمینه های کاربرد

 خواص ویژه ای مانند مقاومت به خوردگی بالا که با مقاومت خستگی زیاد نیز همراه است و یکسان بودن ضخامت پوشش در نیکل الکترولس باعث شده است که این پوشش کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف پیدا کند. بعضی از زمینه های کاربرد نیکل الکترولس عبارتند از

1. صنایع نفت و گاز : قطعات مختلف شیرهای صنعتی مثل گوی ها، تنه های شیر، ورودی ها، شفت ها و غیره و سایر قطعات مثل پمپ ها، اتصاالت لو له ها ، بشکه ها و غیره
2. فرآیند شیمیایی : مبدل های حرارتی ، واحد های فیلتراسیون ، محفظه های پمپاژ و فشارشکن تیغه های مخلوط کن و غیره
3. صنایع پلاستیک : قطعات و اتصالات قالب های ذوبی، تزریقی و بادی، قطعات دستگاه های اکسترود و غلتک ها

طول عمر وان های نیکل الکترولس

بسته به واکنش های جانبی موجود در فرآیند نیکل الکترولس ، مانند به وجود آمدن گاز هیدروژن، در قبال رسوب هر یک گرم لایه آلیاژی نیکل/ فسفر حدود 5 گرم سدیم ارتو فسفیت در محلول ایجاد می شود. بعد از حدود هر 6 تا 8 مرتبه گردش محتوای فلزی محلول (Metal Turnover)هر بار که تمامی یون فلزی موجود در محلول به صورت لایه نیکل / فسفر رسوب کند یک گردش محتوای فلز محلول محسوب می شود. مقدار ارتو فسفیت می تواند به 20 درصد حجم محلول بالغ شود و این امر موجب کدر و گل آلود شدن محلول نیکل الکترولس گردیده و می تواند باعث زبرشدن یا کاهش مقاومت به خوردگی لایه آلیاژی نیکل / فسفرو حتی بعضا باعث عدم رسوب گذاری لایه گردد. در طول انجام فرآیند پوشش دهی با نیکل الکترولس، مواد خام موجود در محلول مثل سولفات نیکل و هیپوفسفیت سدیم پیوسته کاهش پیدا کرده و می بایست جهت حفظ تعادل شیمیایی محلول آن ها را دایما به وان اضافه کرد. همچنین افزودن آمونیاک و سود جهت تنظیم PH محلول در محدوده عملیاتی مورد نظر الزم است. این امر باعث تجمع یون های سدیم و سولفات به همراه ارتو فسفیت می شود و به مرور که محلول کــارکرده و پیرتر می شود. بدون داشتن روش مناسبی جهت بیرون آوردن این ترکیبات از محلول، در نهایت محلول کارایی خود را از دست داده و می بایست با ساختن یک محلول نو آن را جایگزین کرد.  خثی سازی و تصفیه پساب های ناشی از محلول های کهنه نیکل الکترولس و حل مسایل زیست محیطی آن ها یکی از نقاط ضعف این فرایند بوده و بسیاری از تالش ها و تحقیقات اخیر بر روی بالا بردن عمر محلول های الکترولس و قابل استفاده کردن دوباره آن ها تمرکز دارد. در حال حاضر بازیافت محلول های نیکل الکترولس یکی از مهم ترین چالش هایی است که در پیش روی صنایع نیکل الکترولس قرار دارد .

تبدیل فرایند نیکل الکترولس به یک فرایند دوست دار محیط زیست

 یکی از مهم ترین اهداف یک کارگاه نیکل الکترولس در بلند مدت باید تا حد ممکن طوالنی تر کردن مدت زمان استفاده از محلول نیکل الکترولس باشد. با بالا بردن گردش محتوای فلزی محلول قبل از جایگزین کردن آن با محلول نو می توان هزینه های هر دوره استفاده از محلول نیکل الکترولس و همچنین هزینه های مراحل خنثی سازی و زیست محیطی ناشی از جایگزینی آن را به مقدار چشمگیری کاهش داد.

  افزایش طول عمر محلول های نیکل الکترولس با استفاده از روش الکترودیالیز

 روش الکترودیالیز درحال حاضر به عنوان یک روش پیشرو در جلوگیری از آلودگی زیست محیطی و دوباره سازی محلول های ناکارا و پیر در صنعت نیکل الکترولس مطرح است به کار بردن این تکنولوژی در کارگاه های پوشش دهی فلزات به روش الکترولس نیکل به طور فزاینده ای در حال گسترش است.

منبع: http://iranplating.com/Archive/63.pdf