Niquelagem eletrolítica em aço e cobre: guia para iniciantes

I. Visão Geral Teórica

O revestimento químico, também conhecido como “revestimento autocatalítico”, é um processo que não depende de corrente elétrica externa.

Em vez disso, utiliza os agentes redutores na solução de revestimento para realizar uma reação de oxidação-redução.

Este processo, por sua vez, resulta na deposição contínua de íons metálicos na superfície metálica, facilitada pelo efeito catalítico da superfície.

Como o revestimento químico ocorre apenas em materiais com propriedades autocatalíticas, os métodos que derivam revestimentos metálicos de reações de deslocamento ou outras reações químicas, e não reações de redução autocatalítica, não são definidos como revestimento químico.

O revestimento químico é uma técnica que, baseada no princípio das reações de oxidação-redução, utiliza agentes redutores fortes em uma solução contendo íons metálicos para reduzir os íons a metal e depositá-los em diversas superfícies de materiais, formando uma densa camada de revestimento.

As soluções comuns usadas no revestimento químico incluem prata, níquel, cobre, cobalto, níquel fósforo e níquel boro fósforo.

A niquelagem química envolve o uso de um agente redutor para reduzir os íons de níquel na solução e depositá-los em uma superfície cataliticamente ativa.

Vários agentes redutores podem ser usados ​​na niquelagem química, mas o processo industrial mais comumente usado emprega hipofosfito de sódio como agente redutor.

Os mecanismos de reação amplamente aceitos são a “teoria do hidrogênio atômico” e a “teoria do hidreto”.

O revestimento químico é uma nova tecnologia de tratamento de superfície metálica. Sua simplicidade, eficiência energética e respeito ao meio ambiente têm chamado cada vez mais a atenção. A aplicação do revestimento químico é extensa, proporcionando camadas de ouro uniformes e com bons atributos decorativos.

Aumenta a resistência à corrosão e a vida útil dos produtos em termos de desempenho de proteção e eleva a resistência ao desgaste, a condutividade elétrica, a lubrificação e outras funcionalidades especializadas das peças processadas, tornando-se uma tendência crescente nas tecnologias globais de tratamento de superfície.

A tecnologia de revestimento químico facilita a deposição de metal através de reações controláveis ​​de oxidação-redução sob o efeito catalisador do metal.

Em comparação com a galvanoplastia, a galvanoplastia oferece vantagens como revestimento uniforme, furos mínimos, sem necessidade de fonte de alimentação de corrente contínua, capacidade de depósito em não condutores e certas propriedades especiais.

Além disso, devido à redução da descarga de resíduos, à menor poluição ambiental e à boa relação custo-benefício, o revestimento químico está gradualmente substituindo a galvanoplastia em muitas áreas, tornando-se uma técnica de tratamento de superfície ecologicamente correta.

Atualmente, é amplamente empregado em diversos setores, incluindo eletrônicos, fabricação de válvulas, máquinas, petroquímica, automotiva e aeroespacial.

A aplicação da tecnologia de niquelagem química na indústria de fabricação de microeletrônica está crescendo rapidamente.

Os relatórios sugerem que a Xerox Corporation adotou a tecnologia seletiva de revestimento químico de liga de níquel-fósforo no processo de planarização de preenchimento de interconexões e orifícios de passagem em chips multicamadas de circuitos integrados de ultragrande escala. Seus produtos passaram em testes de resistência ao cisalhamento, resistência à tração, ciclos de alta e baixa temperatura e vários desempenhos elétricos.

Estas práticas indicam que a aplicação da tecnologia de niquelagem química melhora os aspectos técnicos e económicos da fabricação de microeletrônica e aumenta a confiabilidade do produto.

II. Plano de implementação do projeto

(1) Preparação da solução de galvanização

(2) Teste de estabilidade da solução de galvanização

A estabilidade da solução química de níquel é medida através de um método de ebulição. Duzentos mililitros da solução são fervidos em fogão elétrico. Após fervura por um determinado período, a solução é avaliada quanto à decomposição.

Se não ocorrer decomposição após fervura por 30 minutos, isso indica boa estabilidade da solução.

Caso contrário, a estabilidade da solução é fraca. A temperatura inicial de revestimento da solução é de 60°C. A superfície folheada possui brilho de nível três (semibrilhante). A adesão do revestimento é boa, com resistência à corrosão de 30~180s e porosidade de 16cm².

Após tratamento pelo método de precipitação química, a água filtrada fica incolor. Aumente gradualmente a temperatura da solução de revestimento a partir de um ponto mais baixo.

Quando aquecida a uma certa temperatura, uma amostra de ferro preparada é imersa na solução de revestimento. Se ocorrer uma reação (transbordamento de bolhas), isso indica que a reação de galvanização química começou naquela temperatura, que é a temperatura inicial de galvanização.

Neste projeto, a temperatura de aquecimento é dividida em cinco níveis: 50°C, 60°C, 70°C, 80°C e 90°C.

(3) Pré-tratamento da superfície da amostra

Peças de aço e cobre são polidas com lixa para remover óxidos superficiais e outras impurezas.

(4) Niquelagem Química

Preparação de amostras – Polimento mecânico – Desengorduramento com solvente orgânico – Desengorduramento químico – Lavagem com água quente – Lavagem com água fria – Ativação – Lavagem com água fria – Lavagem com água desionizada – Niquelagem química – Lavagem com água – Secagem ao ar

(5) Teste de desempenho de galvanização

Desempenho de chapeamento:

A inspeção visual da camada galvanizada em peças metálicas é o método mais básico e comumente utilizado. As peças galvanizadas que falham na inspeção visual não precisam passar por testes adicionais. As inspeções são realizadas visualmente e, com base na aparência, as peças galvanizadas podem ser classificadas como aceitáveis, defeituosas ou resíduos.

Os defeitos superficiais incluem furos, manchas, espinhas, bolhas, descamação, descamação, sombras, manchas, queimaduras, áreas escuras, depósitos dendríticos e esponjosos e áreas que deveriam ser revestidas, mas não o são.

Teste de defeitos de superfície do revestimento

Tipos e características de defeitos: A superfície do revestimento não deve apresentar defeitos como furos, manchas, descamação, rebarbas, bolhas, manchas, espinhas, sombras, áreas nebulosas, queimaduras, revestimentos dendríticos e esponjosos. Durante os testes, estes devem ser estritamente diferenciados. Abaixo está uma breve introdução aos seus recursos para avaliação visual.

Teste de porosidade do revestimento

Teste de resistência à corrosão do revestimento

(6) Tratamento de Resíduos Líquidos (Método de Precipitação Química)

Coletar o líquido residual → Aquecer → Adicionar hidróxido de sódio a 15% até que o pH do líquido residual esteja entre 10 e 12 → Agitar e manter a temperatura por 1 hora → Adicionar precipitante → Filtrar → Resfriar a 50 graus Celsius e, em seguida, usar ácido sulfúrico diluído para ajustar o pH da solução para 8,0 → Adicionar pó de Ca(ClO)2 (a proporção de Ca(ClO)2 para P total é 3,5:1,0) → Agitar por 2 horas → Adicionar a quantidade apropriada de precipitante → Precipitar e filtrar.

A precipitação química é um método comum para o tratamento de águas residuais de metais pesados. Quando o pH do líquido de envelhecimento é ajustado para mais de 8 usando soda cáustica, cal ou carbonato de sódio, Ni(OH)₂ pode ser formado. Após a decantação, o resíduo pode ser separado, atingindo o objetivo de remover o níquel do líquido de envelhecimento.

Além disso, sulfeto de ferro, xantato de amido amarelo insolúvel (ISX) e outros também podem ser usados ​​como precipitantes para tratamento de águas residuais de níquel. A pesquisa acima é geralmente para o tratamento de águas residuais de níquel com uma concentração de níquel inferior a 500/mg L^-1.

O fósforo no líquido de envelhecimento do revestimento de níquel sem eletrólito pode ser tratado pelo método de precipitação por oxidação química, ou seja, oxidantes como permanganato de potássio e peróxido de hidrogênio são usados ​​para destruir o complexo de cromo na solução de revestimento e oxidar o hipofosfito e outros em fosfato.

Em seguida, o sal de fosfato é precipitado com um precipitante para reduzir a descarga total de fósforo nas águas residuais. O tratamento de águas residuais de níquel e fósforo por precipitação química produzirá uma grande quantidade de resíduos.

Se não for manuseado adequadamente, causará poluição secundária. Atualmente, não existe método melhor para tratar o resíduo do que enterrá-lo.

III. Vantagens do revestimento de níquel eletrolítico:

1. Brilho do revestimento

Em comparação com o níquel galvanizado amarelo claro, a maioria dos revestimentos de níquel sem eletrólito são brancos prateados, com excelente resistência à descoloração e o brilho pode ser mantido por mais tempo.

Para o revestimento eletrolítico de níquel-fósforo, o brilho do revestimento aumenta com o aumento do teor de fósforo.

Depois de adicionar uma certa quantidade de abrilhantador à solução de revestimento eletrolítico, a refletividade do revestimento pode atingir mais de 80%. Estudos recentes mostram que o brilho da liga sem níquel-cobre-fósforo é bom e tem maior resistência à descoloração.

2. Dureza do Revestimento

A dureza do cromo duro galvanizado é 960HV. Sua dureza cai drasticamente quando aquecida. A dureza de uma camada de níquel quimicamente banhada, após ser tratada termicamente a 400°C por 1 hora, pode chegar a 1100HV.

Além disso, há pouca alteração na dureza do revestimento desde a temperatura ambiente até 400°C.

Portanto, o níquel quimicamente banhado é um revestimento resistente ao calor, adequado para uso em condições onde o atrito gera calor, enquanto o cromo duro galvanizado só pode ser usado em temperatura ambiente.

3. Resistência ao desgaste

Para revestimentos de fósforo médio-alto, após tratamento térmico adequado, os revestimentos de liga de níquel-fósforo apresentam boas propriedades autolubrificantes. Revestimentos com baixo teor de fósforo têm maior dureza.

No entanto, os testes de resistência ao desgaste mostram que a resistência ao desgaste dos revestimentos com alto teor de fósforo é maior do que a dos revestimentos de liga com baixo teor de fósforo.

A fim de melhorar a resistência ao desgaste dos revestimentos de níquel-fósforo, tungstênio altamente duro (W) é adicionado ao revestimento de níquel-fósforo para formar um revestimento de liga ternária, o que melhora significativamente sua resistência ao desgaste.

4. Resistência à corrosão

O níquel quimicamente banhado é uma estrutura amorfa uniforme. Não apresenta defeitos como limites de grão, deslocamentos e falhas de empilhamento. Cada substrato é densamente ligado, dificultando a passagem de meios corrosivos através da interface de ligação para corroer o metal do substrato, resultando em melhor resistência à corrosão do que o cromagem.

Além disso, o níquel revestido quimicamente quase não é afetado pela corrosão da água do mar, água salgada e água doce. Sua resistência à corrosão em HCL e ácido sulfúrico é melhor que a do aço inoxidável e pode suportar a corrosão de vários meios, como soda cáustica de alta concentração, sulfeto de hidrogênio, ácido láctico e muito mais.

5. Soldabilidade

A principal aplicação do níquel quimicamente banhado na indústria eletrônica é em dispositivos discretos. Isso não requer apenas que o revestimento tenha boa resistência ao desgaste, resistência à corrosão e desempenho de contato elétrico, mas também boa soldabilidade.

Por exemplo, a soldabilidade dos dissipadores de calor de alumínio nos geradores é fraca. No entanto, ao revestir uma camada de níquel quimicamente banhado de 7-8 μm na superfície do substrato de alumínio, sua soldabilidade pode ser melhorada, resolvendo o problema de conexão entre o dissipador de calor de alumínio e o transistor.

Além disso, o níquel revestido quimicamente pode ser usado em dispositivos de micro-ondas de alta energia, conectores e componentes de comunicação submarina. Geralmente, a soldabilidade do níquel revestido quimicamente é medida pelo método da área expandida. Um fio de solda de φ1,5 mm é colocado na superfície do revestimento.

Após aquecimento a 400°C numa mistura gasosa de hidrogénio-nitrogénio durante 30 minutos, a área expandida é medida para determinar a relação entre a soldabilidade e o teor de fósforo no revestimento. Quanto maior for a área de difusão, melhor será a soldabilidade do revestimento.

4. Equipamentos e Materiais

Um banho-maria de temperatura constante com dois furos, quatro béqueres de 100 mL, três béqueres de 200 mL, um béquer de 500 mL, um de cada cilindro graduado de 10 mL e 50 mL, uma balança eletrônica de 0,001g (ou 0,0001g), uma balança de 0,2 gramas , um micrômetro, um medidor de pH, um forno elétrico de 1000 watts, dois termômetros, um frasco de lavagem, um conjunto de pinças, papel de filtro, anéis de ferro para suporte e suporte de retorta, funil de vidro, vareta de vidro, colher de remédio, semiautomática bureta, pipeta, bulbo auricular, escova para tubos de ensaio, luvas resistentes a ácidos, uma lâmina de serra, meia folha de lixa (Nº 100 ~ 800), quatro pilhas secas Nº 1.

Produtos químicos: purpurato de amônio, cloreto de sódio, hidróxido de sódio, EDTA, carbonato de sódio, fosfato de sódio, OP-10, ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, sulfato de níquel, fosfato monossódico, ácido propiônico, acetato de sódio, ácido láctico, dodecilbenzenossulfonato de sódio, tioureia, ferricianeto de potássio, hidróxido de cálcio, peróxido de hidrogênio, tungstato de sódio, coagulantes como cloreto de polialumínio, diversas amostras de aço e cobre.

V. conclusão

Os princípios básicos e o processo de niquelagem eletrolítica foram resumidos. A estabilidade da solução de revestimento de níquel sem eletrólito e a temperatura inicial do revestimento foram testadas.

Testes de niquelagem eletrolítica foram realizados nas superfícies de amostras de aço e cobre; foram testadas a aparência, porosidade, resistência à corrosão, espessura, adesão, fragilidade, dureza e outras propriedades da camada de revestimento de níquel sem eletrólito.

A solução residual de niquelagem sem eletrólito foi tratada usando o método de precipitação química. O processo e os resultados do experimento indicam que a solução de niquelagem eletrolítica usada neste experimento tem excelente estabilidade e não se decompõe mesmo em estado de ebulição por 30 minutos.