I. Panorama teórico
El recubrimiento químico, también conocido como “recubrimiento autocatalítico”, es un proceso que no depende de corriente eléctrica externa.
En cambio, utiliza los agentes reductores en la solución de recubrimiento para llevar a cabo una reacción de oxidación-reducción.
Este proceso, a su vez, da como resultado la deposición continua de iones metálicos sobre la superficie del metal, facilitada por el efecto catalítico de la superficie.
Debido a que el recubrimiento químico ocurre solo en materiales con propiedades autocatalíticas, los métodos que obtienen recubrimientos metálicos a partir de reacciones de desplazamiento u otras reacciones químicas, en lugar de reacciones de reducción autocatalítica, no se definen como recubrimiento químico.
El recubrimiento químico es una técnica que, basada en el principio de reacciones de oxidación-reducción, utiliza agentes reductores fuertes en una solución que contiene iones metálicos para reducir los iones a metal y depositarlos en diversas superficies de materiales, formando una capa de recubrimiento densa.
Las soluciones comunes utilizadas en el revestimiento químico incluyen plata, níquel, cobre, cobalto, níquel fósforo y níquel boro fósforo.
El niquelado químico implica el uso de un agente reductor para reducir los iones de níquel en solución y depositarlos en una superficie catalíticamente activa.
Se pueden utilizar varios agentes reductores en el niquelado químico, pero el proceso industrial más utilizado emplea hipofosfito de sodio como agente reductor.
Los mecanismos de reacción ampliamente aceptados son la “teoría del hidrógeno atómico” y la “teoría del hidruro”.
El recubrimiento químico es una nueva tecnología de tratamiento de superficies metálicas. Su sencillez, eficiencia energética y respeto por el medio ambiente han llamado cada vez más atención. La aplicación de recubrimiento químico es extensa, proporcionando capas uniformes de oro con buenos atributos decorativos.
Aumenta la resistencia a la corrosión y la vida útil de los productos en términos de rendimiento protector y eleva la resistencia al desgaste, la conductividad eléctrica, la lubricación y otras funcionalidades especializadas de las piezas procesadas, convirtiéndose en una tendencia creciente en las tecnologías globales de tratamiento térmico de superficies.
La tecnología de recubrimiento químico facilita la deposición de metal mediante reacciones de oxidación-reducción controlables bajo el efecto catalizador del metal.
En comparación con la galvanoplastia, la galvanoplastia ofrece ventajas como un recubrimiento uniforme, agujeros mínimos, la ausencia de necesidad de suministro de energía de corriente continua, la capacidad de depositarse en materiales no conductores y ciertas propiedades especiales.
Además, debido a la reducción de la descarga de residuos, la menor contaminación ambiental y la buena rentabilidad, el recubrimiento químico está reemplazando gradualmente a la galvanoplastia en muchas áreas, convirtiéndose en una técnica de tratamiento de superficies respetuosa con el medio ambiente.
Actualmente se utiliza ampliamente en una variedad de industrias, incluidas la electrónica, la fabricación de válvulas, la maquinaria, la petroquímica, la automoción y la aeroespacial.
La aplicación de la tecnología de niquelado químico en la industria de fabricación de microelectrónica está creciendo rápidamente.
Los informes sugieren que Xerox Corporation ha adoptado una tecnología de recubrimiento químico selectivo de aleación de níquel-fósforo en el proceso de planarización del llenado de interconexiones y orificios pasantes en chips multicapa de circuitos integrados de gran escala. Sus productos han pasado pruebas de resistencia al corte, resistencia a la tracción, ciclos de alta y baja temperatura y diversas prestaciones eléctricas.
Estas prácticas indican que la aplicación de la tecnología de niquelado químico mejora los aspectos técnicos y económicos de la fabricación de microelectrónica y aumenta la confiabilidad del producto.
II. Plan de implementación del proyecto
(1) Preparación de la solución de galvanoplastia.
| Composición de la solución de galvanización y condiciones del proceso. | Feliz |
| Sulfato de Níquel (NiSO 4 ·7H 2 O) /g·L -1 | 26 |
| Hipofosfito de sodio (NaH 2 PO 2 ·H 2 O) /g·L -1 | 28 |
| Acetato de Sodio (CH 3 COONa) /g·L -1 | 10 |
| Ácido propiónico (CH 3 CH 2 COOH) /g·L -1 | dos |
| Ácido láctico (C 3 H 6 O 3 ) /g L -1 | 33 |
| Sulfa /mg.L -1 | 4 |
| valor de ph | 4.5 |
| Temperatura /℃ | 85 |
| Tasa de deposición /μm·h -1 |
(2) Prueba de estabilidad de la solución de galvanoplastia
La estabilidad de la solución química de níquel se mide mediante el método de ebullición. Se hierven doscientos mililitros de la solución en una estufa eléctrica. Después de hervir durante un cierto período, se evalúa la descomposición de la solución.
Si no se produce descomposición después de hervir durante 30 minutos, esto indica una buena estabilidad de la solución.
De lo contrario, la estabilidad de la solución es pobre. La temperatura inicial del recubrimiento de solución es de 60°C. La superficie enchapada tiene un nivel de brillo tres (semibrillante). La adherencia del revestimiento es buena, con una resistencia a la corrosión de 30~180 s y una porosidad de 16 cm².
Después del tratamiento mediante el método de precipitación química, el agua filtrada se vuelve incolora. Aumente gradualmente la temperatura de la solución de recubrimiento desde un punto más bajo.
Cuando se calienta a una determinada temperatura, una muestra de hierro preparada se sumerge en la solución de revestimiento. Si se produce una reacción (desbordamiento de burbuja), esto indica que la reacción química de recubrimiento ha comenzado a esa temperatura, que es la temperatura de recubrimiento inicial.
En este proyecto, la temperatura de calefacción se divide en cinco niveles: 50°C, 60°C, 70°C, 80°C y 90°C.
(3) Pretratamiento de la superficie de la muestra
Las piezas de acero y cobre se pulen con papel de lija para eliminar los óxidos de la superficie y otras impurezas.
(4) Niquelado químico
Preparación de muestras – Pulido mecánico – Desengrase con disolventes orgánicos – Desengrase químico – Lavado con agua caliente – Lavado con agua fría – Activación – Lavado con agua fría – Lavado con agua desionizada – Niquelado químico – Lavado con agua – Secado al aire
(5) Prueba de rendimiento de galvanización
Rendimiento del revestimiento:
La inspección visual de la capa galvanizada de piezas metálicas es el método más básico y comúnmente utilizado. Las piezas galvanizadas que no pasan la inspección visual no necesitan someterse a pruebas adicionales. Las inspecciones se realizan visualmente y, según su apariencia, las piezas galvanizadas se pueden clasificar como aceptables, defectuosas o desechadas.
Los defectos de la superficie incluyen agujeros, imperfecciones, granos, ampollas, descamación, descamación, sombras, manchas, quemaduras, áreas oscuras, depósitos dendríticos y esponjosos, y áreas que deberían recubrirse pero no lo están.
Pruebas para detectar defectos en la superficie del revestimiento
Tipos y características de defectos: La superficie del recubrimiento no debe presentar defectos como agujeros, manchas, descamaciones, rebabas, burbujas, manchas, granitos, sombras, áreas turbias, quemaduras, recubrimientos dendríticos y esponjosos. Durante las pruebas, estos deben diferenciarse estrictamente. A continuación se muestra una breve introducción a sus características para la evaluación visual.
Prueba de porosidad del recubrimiento
Prueba de resistencia a la corrosión del revestimiento
(6) Tratamiento de residuos líquidos (método de precipitación química)
Recoger el líquido residual → Calentar → Agregar hidróxido de sodio al 15% hasta que el pH del líquido residual esté entre 10 y 12 → Revolver y mantener la temperatura durante 1 hora → Agregar precipitante → Filtrar → Enfriar a 50 grados Celsius y luego usar sulfúrico diluido ácido para ajustar el pH de la solución a 8,0 → Añadir Ca(ClO)2 en polvo (la proporción de Ca(ClO)2 al P total es 3,5:1,0) → Agitar durante 2 horas → Añadir la cantidad adecuada de precipitante → Precipitar y filtrar .
La precipitación química es un método común para tratar aguas residuales de metales pesados. Cuando el pH del líquido envejecido se ajusta por encima de 8 usando soda cáustica, cal o carbonato de sodio, se puede formar Ni(OH) 2 . Luego de la decantación, se puede separar el residuo, logrando el propósito de eliminar el níquel del líquido envejecido.
Además, el sulfuro de hierro, el xantato de almidón amarillo insoluble (ISX) y otros también se pueden utilizar como precipitantes para el tratamiento de aguas residuales de níquel. La investigación anterior es generalmente para el tratamiento de aguas residuales de níquel con una concentración de níquel inferior a 500/mg L -1 .
El fósforo en el líquido de envejecimiento del niquelado sin electrolitos se puede tratar mediante el método de precipitación por oxidación química, es decir, se utilizan oxidantes como permanganato de potasio y peróxido de hidrógeno para destruir el complejo de cromo en la solución de niquelado y oxidar el hipofosfito y otros a fosfato.
Luego, la sal de fosfato se precipita con un precipitante para reducir la descarga total de fósforo en las aguas residuales. El tratamiento de aguas residuales con níquel y fósforo mediante precipitación química producirá una gran cantidad de residuos.
Si no se maneja adecuadamente, provocará contaminación secundaria. Actualmente, no existe mejor método para tratar los residuos que enterrarlos.
III. Ventajas del niquelado no electrolítico:
1. Brillo del revestimiento
En comparación con el níquel galvanizado de color amarillo claro, la mayoría de los niquelados no electrolíticos son de color blanco plateado, con una excelente resistencia a la decoloración y el brillo se puede mantener durante más tiempo.
Para el recubrimiento electrolítico de níquel-fósforo, el brillo del recubrimiento aumenta al aumentar el contenido de fósforo.
Después de agregar una cierta cantidad de abrillantador a la solución de galvanoplastia, la reflectividad del recubrimiento puede alcanzar más del 80%. Estudios recientes muestran que el brillo de la aleación libre de níquel-cobre-fósforo es bueno y tiene mayor resistencia a la decoloración.
2. Dureza del recubrimiento
La dureza del cromo duro galvanizado es 960HV. Su dureza cae drásticamente cuando se calienta. La dureza de una capa de níquel recubierta químicamente, después de ser tratada térmicamente a 400°C durante 1 hora, puede alcanzar 1100HV.
Además, hay pocos cambios en la dureza del recubrimiento desde temperatura ambiente hasta 400°C.
Por lo tanto, el níquel recubierto químicamente es un recubrimiento resistente al calor, adecuado para su uso en condiciones donde la fricción genera calor, mientras que el cromo duro galvanizado solo se puede usar a temperatura ambiente.
3. Resistencia al desgaste
Para recubrimientos de fósforo medio-alto, después de un tratamiento térmico adecuado, los recubrimientos de aleación de níquel-fósforo tienen buenas propiedades autolubricantes. Los recubrimientos con bajo contenido en fósforo tienen mayor dureza.
Sin embargo, las pruebas de resistencia al desgaste muestran que la resistencia al desgaste de los recubrimientos con alto contenido de fósforo es mayor que la de los recubrimientos de aleaciones con bajo contenido de fósforo.
Para mejorar la resistencia al desgaste de los recubrimientos de níquel-fósforo, se añade tungsteno (W) altamente duro al recubrimiento de níquel-fósforo para formar un recubrimiento de aleación ternaria, lo que mejora significativamente su resistencia al desgaste.
4. Resistencia a la corrosión
El níquel recubierto químicamente es una estructura amorfa uniforme. No presenta defectos como límites de grano, dislocaciones y fallas de apilamiento. Cada sustrato está densamente unido, lo que dificulta que los medios corrosivos pasen a través de la interfaz de unión para corroer el metal del sustrato, lo que resulta en una mejor resistencia a la corrosión que el cromado.
Además, el níquel recubierto químicamente casi no se ve afectado por la corrosión del agua de mar, agua salada y agua dulce. Su resistencia a la corrosión en HCL y ácido sulfúrico es mejor que la del acero inoxidable y puede resistir la corrosión de diversos medios como sosa cáustica de alta concentración, sulfuro de hidrógeno, ácido láctico y más.
5. Soldabilidad
La principal aplicación del níquel recubierto químicamente en la industria electrónica es en dispositivos discretos. Esto no sólo requiere que el recubrimiento tenga buena resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y rendimiento de contacto eléctrico, sino también buena soldabilidad.
Por ejemplo, la soldabilidad de los disipadores de calor de aluminio de los generadores es mala. Sin embargo, al recubrir una capa de 7-8 μm de níquel recubierto químicamente sobre la superficie del sustrato de aluminio, se puede mejorar su soldabilidad, resolviendo el problema de conexión entre el disipador de calor de aluminio y el transistor.
Además, el níquel recubierto químicamente se puede utilizar en dispositivos de microondas, conectores y componentes de comunicaciones submarinas de alta energía. Generalmente, la soldabilidad del níquel recubierto químicamente se mide mediante el método del área expandida. Se coloca un alambre de soldadura de φ1,5 mm sobre la superficie del revestimiento.
Después de calentar a 400°C en una mezcla de gas hidrógeno-nitrógeno durante 30 minutos, se mide el área expandida para determinar la relación entre la soldabilidad y el contenido de fósforo en el recubrimiento. Cuanto mayor sea el área de difusión, mejor será la soldabilidad del revestimiento.
4. Equipos y Materiales
Un baño de agua a temperatura constante con dos orificios, cuatro vasos de precipitados de 100 ml, tres vasos de precipitados de 200 ml, un vaso de precipitados de 500 ml, una probeta graduada de 10 ml y otra de 50 ml, una balanza electrónica de 0,001 g (o 0,0001 g), una balanza electrónica de 0,2 gramos balanza, un micrómetro, un medidor de pH, un horno eléctrico de 1000 vatios, dos termómetros, una botella de lavado, un juego de pinzas, papel de filtro, anillos de hierro para soporte y soporte de retorta, embudo de vidrio, varilla de vidrio, cuchara medicinal, semiautomático bureta, pipeta, pera, cepillo para tubos de ensayo, guantes resistentes a los ácidos, una hoja de sierra, media hoja de papel de lija (No. 100 ~ 800), cuatro pilas secas No. 1.
Productos químicos: purpurato de amonio, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, EDTA, carbonato de sodio, fosfato de sodio, OP-10, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, sulfato de níquel, fosfato monosódico, ácido propiónico, acetato de sodio, ácido láctico, dodecilbencenosulfonato de sodio, tiourea, ferricianuro de potasio, hidróxido de calcio, peróxido de hidrógeno, tungstato de sodio, coagulantes como cloruro de polialuminio, diversas muestras de acero y cobre.
Conclusión V
Se han resumido los principios básicos y el proceso del niquelado no electrolítico. Se probaron la estabilidad de la solución de niquelado sin electrolitos y la temperatura inicial del revestimiento.
Se realizaron pruebas de niquelado electrolítico en las superficies de muestras de acero y cobre; Se probaron la apariencia, porosidad, resistencia a la corrosión, espesor, adhesión, fragilidad, dureza y otras propiedades de la capa de niquelado sin electrolitos.
La solución de niquelado residual sin electrolito se trató mediante el método de precipitación química. Los resultados del proceso y del experimento indican que la solución de niquelado electrolítico utilizada en este experimento tiene una estabilidad excelente y no se descompone incluso en estado de ebullición durante 30 minutos.
