مقالات علمی فرآیندهای آبکاری

در سال 1844 ورتز[1] پی‌برد که فلز نیکل می‌تواند از محلول آبی حاوی نمک آن به وسیله احیا شدن توسط هیپوفسفیت  رسوب ‌کند.  با این حال رسوب نیکل به‌دست‌آمده در آن موقع به‌‌صورت پودر بود. اختراع فناوری نیکل الکترولس که امروزه مستعمل است در سال 1946 در پی دو سال کارِ برنر[2] و ریدل[3] اختراع‌گردید.

کاربرد پوشش‌های نیکل الکترولس را می‌توان در موارد ذیل خلاصه کرد:

1-      هادی‌سازی مواد نارسانا با اعمال پوشش نیکل الکترولس بر رو‌ی آن‌ها

2-      افزایش سختی و مقاومت به سایش زیرلایه‌های نرم و ضعیف در برابر سایش

3-      محافظت زیرلایه‌های فعال در برابر خوردگی

4-      قابلیت جایگزینی به جای  فرایند کروم سخت با ارائه مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش، عدم ایجاد آلودگی زیست‌محیطی و قابلیت پوشش‌دهی اشکال پیچیده

5-      بهبود لحیم‌کاری برخی از زیرلایه‌ها.

آبکاری پوشش نیکل-بور الکترولس فرایندی است که در آن از ترکیبات حاوی بور به عنوان عامل احیاکننده در حمام آبکاری استفاده شده و ترکیب شیمیایی پوشش آن علاوه بر نیکل، مقداری بور دارد. ‌پوشش‌هایی که در آبکاری آن‌ها از NaBH4 استفاده‌شده‌است خواص سایشی و سختی بالاتری را ارائه می‌دهند.

نسل‌های مختلفی از پوشش‌های نیکل-بور الکترولس با استفاده از پایدارکننده و کاتالیزورهای مختلف ایجاد شده‌اند. در سال 1970 مک‌کوماس[4]  اولین فرایند تولید مقیاس‌پذیر، تکرارپذیر و قابل انتقال پوشش نیکل الکترولس که حاوی wt% 6--5  بور بود را ایجاد نمود. با این حال این فرایند به علت استفاده از پایدارکننده‌های بسیار سمی، فقدان در چگالی فضایی، وجود ترک‌هایی در بین دانه‌های ستونی پوشش و در معرض قرار گرفتن سطح ماده زیرلایه، کمبود مقاومت به سایش و خوردگی و ناکارآمدی و ناسازگاری برای تولید انبوه نیازمند بهبود بود.

فرایند اجرایی 

حمام های نیکل الکترولس باید شامل یک منبع یون نیکل و یک عامل کاهنده باشد.

غلظت یون نیکل در محدوده 4-10 گرم بر لیتر است که به طور معلول از نوع نمک کلرید نیکل و یا سولفات نیکل می باشد سولفات نیکل در کار برد های مقاومت به خوردگی به کار گرفته میشود.

عامل احیا کننده

در حمام های الکترولس نیکل عامل احیا کننده منبع تهیه الکترون برای احیای یون نیکل است می تواند برای پوشش نیکل- فسفر هیپوفسفیت سدیم  و برای پوشش نیکل - بور از بور هیدرید سدیم یا آمینو بوران مثل دی متیل آمین بوران استفانده کرد. البته هیدرازین احیا کننده دیگری است که برای هر دودسته استفاده میشود.

حمام بورو هیدرید سدیم 

این حمام بازدهی عمل احیای بیشتری نسبت به دی متیل آمین بوران و هیپوفسفیت سدیم دارد چرا که توانایی احیای چهار یون نیکل را دارد.

از نظر هزینه هم این عامل احیا کننده نسبت به دیمتیل امینو بوران بهای کمتری دارد.

پوشش این نوع حمام از نظر مقاومت به سایش، خاصیت روانکاری، سختی نسبت به حمام های سایر احیا کننده ها بالاتر است.

ولی به دلیل پی اچ کاری 12-14 برای کاهندگی بور هیدرید، مناسب زیر لایه آلومینیوم نیست.

4H2O+4Ni+B(OH)4-è8OH-  +BH4- +4Ni+2

خواص متالورژیکی نیکل –بور

سختی آلیاژهای نیکل –بور بسیار بالاست و قابلیت عملیات حرارتی تا حد بالاتری از کروم سخت را دارند. این پوشش ها همچنین مقاومت به سایش عالی دارند، هررچندکه بر خلاف آلیاژهای الکترولس نیکل فسفر بالا، رسوبات کاملا آمورف ندارند و در عوض رسوب آن شامل مخلوطی از ساختار آمورف نیکل- بور و مقدار کمی نیکل کریستالی است. این پوشش ها به طور معمول ساختارستونی دارند و میزان بور در نزدیک زیر لایه بسیار کم است و با افزایش عمق زیاد میشود. سخت شدن نیکل- بور مشابه نیکل – فسفر است و در دمای بیشتر از 200 درجه سانتی گراد ذرات متمایز نیکل- بور شروع به شکل گیری میکنند و در دمای 300 درجه سانتی گراد، پوشش، کریستاله می شود. تنش داخلی رسوبات نیکل- بور به شدت کششی است. میزان حضور بور در پوشش که بوسیله عامل احیا کننده بور هیدرید بوجود آمده، به شدت روی تنش داخلی این رسوبات تاثیر گذار است. با افزایش غلظت بور، تنش کاهش می یابد. دانسیته پوشش نیکل- بور(25/8 گرم بر سانتی متر مکعب) مشابه دانسیته نیکل- فسفر است.اگرچه بر خلاف پوشش نیکل- فسفر این پوشش دچار انقباض در حین عملیات حرارتی نمی شوند و دانسیته آن در حالت رسوب اولیه و سخت شدگی یکسان است.

مقایسه خواص پوشش الکترولس نیکل- فسفر و نیکل- بور

مکانیسم رسوب گذاری نیکل – بور

یون های بور هیدرید به راحتی در اسید و یا محلولهای خنثی هیدرولیز میشوند و اگر یون های نیکل وجود داشته باشند بورید نیکل شکل خواهد گرفت. اگر پی اچ آبکاری در بالا ی 12 نگه داشته شود امکان تشکیل آلیاژ نیکل بور وجود خواهد .

واکنش رسوب گذاری:

BH4- +4Ni2+ + 8OH- è 4Ni+BO2- +6H2

2BH4 - + 4Ni 2+ +6OH-è2Ni2B+H2 +6H2O

در این واکنش از اثر تالیم که برای تثبیت محلول بکار میرود صرف نظر شده دز ادامه ساز و کار های کامل تری برای این رسوب گذاری  مطرح می شود  واکنش های آندی  (اکسیداسیون) و کاتدی (احیا) به طور همزمان در سطح مورد آبکاری اتفاق می افتد در واکنش آندی ، عامل حیا کننده(NaBH4) اکسید میشودو الکترون آزاد میکند که در واکنش کاتدی برای احیای فلز ها (نیکل و تالیم) و رسوب گذاری استفاده میشود واکنش آندی به وسیاه بور هیدرید در یک سری از مراحل اتفاق می افتد

اولین واکنش هیدزوژن گیری بور هیدرید در سطح کاتالیک است:

BH4 - è BH30-+H0

الکترون های مورد نیاز برای احیای نیکل به وسیله اکسید شدن یون بوروهیدرید هیدروژن گیری شده تامین میشود :

BH30-+OH- è BH3OH- +e-

از انجایی که برای هیدروکسید  بوران هم میتواند  هیدروژن گیری اتفاق افتد زنجیره ای از واکنش ها سبب تولید بیشتر مولکول های هیدروژن خواهد شد تا بورات به عنوان محصول نهایی این زنجیر به وجود آید:

BH3OH- è BH2OH0- +H0

BH2OH0- +OH- èBH2(OH)2- +e-

BH2(OH)2-èBH(OH)2 0- +H0

BH(OH)2-0èBH(OH)30- +e-

BH(OH)3 0- è B(OH)30+H0

B(OH)3 0- +OH- èB(OH)4 0- +e-

B(OH)4 0- èBO2 0 +2H2O

 در واکنش های زیر یون های هیدروژن به وسیله هیدروژن گیری ایجاد میشوند

H0 +H0èH2

H0 +OH- èH2O +e-

واکنش آندی کلی به صورت واکنش زیر است

BH4- +4OH-èBO2- +2H2O+2H2+4e-

H4 -+8OH-èBO2- +6H2O+8e-

واکنش کاتدی:

Ni2+ +2e-èNi

بنابراین واکنش کلی برای رسوب گذاری نیکل به صورت زیر است:

2Ni2+ +BH4 - +4OH-è2Ni+BO2- +2H2O+2H2

واکنش رسوب گذاری بور به صورت حالت قبلی است. بور به صورت آمورف با احیای بورات رسوب میکند

BO2- +2H2O+3e-èB +4OH-

واکنش کلی عبارت است از:

2BH4- +2H2Oè2B+2OH- +5H2

سومین واکنش کاتدی در محیط قلیایی با احیای آب در سطح فلز رخ میدهد:

2H2O+2e-èH2+2OH-

به دلیل اینکه حمام بور هیدرید در پی اچ بالا کار میکند برای جلوگیری از رسوب هیدروکسید نیکل باید عوامل کمپلکس کننده قوی به محلول اضافه شود.

بعضی از کمپلکس کننده ها مورد استفاده در این محلول عبارت اند از : امونیاک، امین و ایمینو ، استات ، سیترات ،تارتارات

هرچند ثابت شده اتیلن دی امین بیشترین تاثیر در این نوع حمام را دارد.

محصولاتی که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفت