Chemische Nickel-Phosphor-Beschichtung - Electroless nickel-phosphorus plating

Dieser Artikel behandelt Nickel-Phosphor-Beschichtungen. Für Nickel-Bor-Beschichtungen siehe stromlose Nickel-Bor-Beschichtung .
Maschinenteile mit chemischer Vernickelung.

Chemisch - Nickel-Phosphor - Plattierung ist ein chemisches Verfahren , dass die Einlagen eine gleichmäßige Schicht von Nickel - Phosphor - Legierung auf der Oberfläche eines festen Substrats, wie Metall oder Kunststoff . Das Verfahren beinhaltet das Substrat in einer Wasserlösung eingetaucht , das Nickelsalz und ein phosphorhaltiges Reduktionsmittel , in der Regel eines Hypophosphit - Salz. Es ist die gebräuchlichste Version der stromlosen Vernickelung (EN-Beschichtung) und wird oft mit diesem Namen bezeichnet. Ein ähnliches Verfahren verwendet ein Borhydrid- Reduktionsmittel, wodurch stattdessen eine Nickel- Bor- Beschichtung erhalten wird.

Im Gegensatz zu galvani , stromlosem Plattieren im allgemeinen spezialisiert benötigt keine Passieren elektrischen Strom durch das Bad und das Substrat; die Reduktion der gelösten Metallkationen zu metallischen erfolgt auf rein chemischem Wege durch eine autokatalytische Reaktion. So entsteht beim stromlosen Galvanisieren unabhängig von der Geometrie der Oberfläche eine gleichmäßige Metallschicht – im Gegensatz zum Galvanisieren, das aufgrund des Einflusses der Substratform auf den elektrischen Widerstand des Bades und damit auf die Stromverteilung im Bad unter einer ungleichmäßigen Stromdichte leidet . Darüber hinaus können nicht leitfähige Oberflächen stromlos plattiert werden .

Das stromlose Plattieren hat viele industrielle Anwendungen, von rein dekorativ bis hin zur Verhinderung von Korrosion und Verschleiß. Es kann zum Auftragen von Verbundbeschichtungen verwendet werden, indem geeignete Pulver im Bad suspendiert werden .

Historischer Überblick

Die Reduktion von Nickelsalzen zu Nickelmetall durch Hypophosphit wurde 1844 zufällig von Charles Adolphe Wurtz entdeckt. 1911 patentierte François Auguste Roux von L'Aluminium Français das Verfahren (unter Verwendung von Hypophosphit und Orthophosphit ) für die allgemeine Metallbeschichtung.

Die Erfindung von Roux scheint jedoch nicht viel kommerzielle Verwendung gefunden zu haben. 1946 wurde der Prozess zufällig von Abner Brenner und Grace E. Riddell vom National Bureau of Standards wiederentdeckt . Sie versuchten, einem Galvanikbad verschiedene Reduktionsmittel zuzusetzen, um unerwünschte Oxidationsreaktionen an der Anode zu verhindern . Bei der Zugabe von Natriumhypophosphit beobachteten sie, dass die an der Kathode abgeschiedene Nickelmenge die theoretische Grenze des Faradayschen Gesetzes überstieg .

Brenner und Riddel stellten ihre Entdeckung 1946 auf der Convention der American Electroplaters' Society (AES) vor; ein Jahr später schlugen sie auf derselben Konferenz den Begriff "stromlos" für das Verfahren vor und beschrieben optimierte Badformulierungen, die zu einem Patent führten.

Ein freigegebener technischer Bericht der US-Armee aus dem Jahr 1963 schreibt die Entdeckung Wurtz und Roux mehr zu als Brenner und Riddell.

In den Jahren 1954-1959 entwickelte ein Team unter der Leitung von Gregorie Gutzeit von der General American Transportation Corporation das Verfahren stark, bestimmte die optimalen Parameter und Konzentrationen des Bades und führte viele wichtige Additive ein, um die Abscheidungsrate zu beschleunigen und unerwünschte Reaktionen wie spontane Ablage. Sie studierten auch die Chemie des Verfahrens.

1969 meldete Harold Edward Bellis von DuPont ein Patent für eine allgemeine Klasse von stromlosen Plattierungsverfahren unter Verwendung von Natriumborhydrid , Dimethylaminboran oder Natriumhypophosphit in Gegenwart von Thalliumsalzen an , wodurch ein Metall-Thallium-Bor oder Metall-Thalium- Phosphor; wobei das Metall entweder Nickel oder Kobalt sein könnte . Der Gehalt an Bor oder Phosphor soll zwischen 0,1 und 12 % variabel sein, der von Thallium zwischen 0,5 und 6 %. Die Beschichtungen wurden als "eine innige Dispersion von hartem Trinickelborid ( Ni
3B ) oder Nickelphosphid ( Ni
3P ) in einer weichen Matrix aus Nickel und Thallium".

Prozess

Oberflächenreinigung

Vor dem Plattieren muss die Oberfläche des Materials gründlich gereinigt werden. Unerwünschte Feststoffe, die auf der Oberfläche verbleiben, verursachen eine schlechte Beschichtung. Die Reinigung wird normalerweise durch eine Reihe von chemischen Bädern erreicht, einschließlich unpolarer Lösungsmittel zur Entfernung von Ölen und Fetten sowie Säuren und Laugen zur Entfernung von Oxiden, unlöslichen organischen Stoffen und anderen Oberflächenverunreinigungen. Nach jedem Bad muss die Oberfläche gründlich mit Wasser gespült werden, um Rückstände der Reinigungschemikalien zu entfernen.

Durch maschinelle Bearbeitung oder Schweißen erzeugte innere Spannungen im Substrat können die Beschichtung beeinträchtigen.

Beschichtungsbad

Molekülmodell von Natriumhypophosphit, dem üblichen Reduktionsmittel bei der stromlosen Nickel-Phosphor-Beschichtung.

Die Hauptbestandteile eines stromlosen Vernickelungsbades sind die Quelle von Nickelkationen Ni2+
, normalerweise Nickelsulfat und ein geeignetes Reduktionsmittel, wie Hypophosphit H
2Bestellung−
2oder Borhydrid BH−
4. Mit Hypophosphit ergibt die Hauptreaktion, die die Vernickelung erzeugt, Orthophosphit H
2Bestellung−
3, elementarer Phosphor, Protonen H+
und molekularer Wasserstoff H
2:

2 Ni2+
+ 8 H
2Bestellung−
2+ 2 H
2O → 2 Ni
0(s) + 6 H
2Bestellung−
3+ 2 H+
+ 2 P (s) + 3 H
2 (G)

Diese Reaktion wird durch einige Metalle wie Kobalt , Palladium , Rhodium und Nickel selbst katalysiert . Aus diesem Grund ist die Reaktion autokatalytisch und läuft spontan ab, sobald sich eine anfängliche Nickelschicht auf der Oberfläche gebildet hat.

Das Galvanisierbad beinhaltet oft auch:

  • Komplexbildner , wie Carbonsäuren oder Amine , um die Phosphatlöslichkeit zu erhöhen und das White-Out-Phänomen durch Verlangsamung der Reaktion zu verhindern.
  • Stabilisatoren, wie Bleisalze, Schwefelverbindungen oder verschiedene organische Verbindungen, die Reduktion durch Co-Abscheidung mit dem Nickel zu verlangsamen.
  • Puffer, um die Säure des Bades zu erhalten. Viele Komplexbildner wirken als Puffer.
  • Aufheller, wie Cadmiumsalze oder bestimmte organische Verbindungen, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern. Sie werden meist zusammen mit Nickel (wie die Stabilisatoren) abgeschieden.
  • Tenside, um die abgeschiedene Schicht hydrophil zu halten, um Lochfraß und Fleckenbildung zu reduzieren.
  • Beschleuniger, wie bestimmte Schwefelverbindungen, um der durch Komplexbildner verursachten Verringerung der Plattierungsrate entgegenzuwirken. Sie werden normalerweise gemeinsam abgelagert und können zu Verfärbungen führen.

Oberflächenaktivierung

Wegen des autokatalytischen Charakters der Reaktion muss die zu plattierende Oberfläche aktiviert werden, indem sie hydrophil gemacht wird und dann sichergestellt wird, dass sie aus einem Metall mit katalytischer Aktivität besteht. Wenn das Substrat nicht aus einem dieser Metalle besteht, muss zuerst eine dünne Schicht eines dieser Metalle durch ein anderes Verfahren aufgebracht werden.

Wenn das Substrat ein Metall ist, das elektropositiver ist als Nickel, wie Eisen und Aluminium , wird spontan durch eine Redoxreaktion mit dem Bad ein anfänglicher Nickelfilm erzeugt , wie zum Beispiel:

Fe
0(s) + Ni2+
(aq) → Ni
0(s) + Fe2+
 (wässrig)
2 Al
0(s) + 3 Ni2+
(wässrig) → 3 Ni
0(s) + 2 Al3+
 (wässrig)

Bei Metallen, die weniger elektropositiv sind als Nickel, wie Kupfer , kann die anfängliche Nickelschicht durch Eintauchen eines elektrisch mit dem Substrat verbundenen Stücks eines elektropositiveren Metalls, wie Zink , erzeugt werden, wodurch eine kurzgeschlossene galvanische Zelle entsteht .

Auf nicht metallischen, aber elektrisch leitfähigen Substraten wie Graphit kann die Ausgangsschicht wie beim Galvanisieren durch kurzzeitiges Durchfließen von elektrischem Strom und Bad erzeugt werden. Wenn das Substrat nicht leitfähig ist, wie ABS und andere Kunststoffe, kann man ein Aktivierungsbad verwenden, das ein Edelmetallsalz wie Palladiumchlorid oder Silbernitrat und ein geeignetes Reduktionsmittel enthält.

Die Aktivierung erfolgt mit einer schwachen Säureätzung, Nickelschlag oder einer proprietären Lösung, wenn das Substrat nichtmetallisch ist.

Nachbehandlung der Beschichtung

Nach dem Plattieren einer anti- Oxidation oder anti- anlauf chemischer Beschichtung, wie Phosphat oder Chromat , aufgetragen wurde, gefolgt von Spülen mit Wasser und Färbung zu verhindern getrocknet. Ein Backen kann erforderlich sein, um die Härte und Haftung der Beschichtung zu verbessern, innere Spannungen auszuglühen und eingeschlossenen Wasserstoff auszutreiben , der sie spröde machen kann.

Varianten

Die Verfahren zur stromlosen Nickel-Phosphor-Beschichtung können modifiziert werden, indem Nickel ganz oder teilweise mit relativ geringen Änderungen durch Kobalt ersetzt wird . Mit geeigneten Bädern lassen sich auch andere Nickel-Phosphor-Legierungen herstellen, wie zB Nickel- Zink- Phosphor.

Verbundwerkstoffe nach Koposition

Eine stromlose Nickel-Phosphor-Beschichtung kann Verbundmaterialien erzeugen , die aus winzigen festen Partikeln bestehen, die in die Nickel-Phosphor-Schicht eingebettet sind. Das allgemeine Verfahren besteht darin, die Partikel im Plattierungsbad zu suspendieren, so dass die wachsende Metallschicht sie umgibt und bedeckt. Dieses Verfahren wurde 1966 von Odekerken zunächst für galvanisch abgeschiedene Nickel- Chrom- Beschichtungen entwickelt. In dieser Studie wurden in einer Zwischenschicht fein pulverisierte Partikel wie Aluminiumoxid und Polyvinylchlorid (PVC)-Harz innerhalb einer metallischen Matrix verteilt. Durch das Wechseln der Bäder können mit dem Verfahren Beschichtungen mit mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt werden.

Die erste kommerzielle Anwendung ihrer Arbeit waren stromlose Nickel- Siliziumcarbid- Beschichtungen am Wankel-Verbrennungsmotor . Ein weiterer kommerzieller Verbundwerkstoff aus dem Jahr 1981 enthielt Polytetrafluorethylen (Nickel-Phosphor-PTFE). Die gemeinsame Abscheidung von Diamant- und PTFE-Partikeln war jedoch schwieriger als die von Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid. Die Möglichkeit, die zweite Phase feiner Partikel mit einer Größe von Nanometern bis Mikrometern in eine Metalllegierungsmatrix einzubringen, hat eine neue Generation von Verbundbeschichtungen eingeleitet.

Eigenschaften

Vorteile und Nachteile

Ein großer Vorteil des stromlosen Vernickelns gegenüber dem elektrolytischen Verfahren besteht darin, dass es auch bei Teilen mit komplexen Formen, Vertiefungen und Sacklöchern eine gleichmäßige Beschichtung mit gewünschter Dicke und Volumen erzeugt. Aufgrund dieser Eigenschaft kann es oft die einzige Option sein.

Ein weiterer großer Vorteil der EN-Beschichtung besteht darin, dass keine elektrische Energie, keine elektrischen Geräte oder ausgeklügelte Vorrichtungen und Gestelle erforderlich sind.

Bei richtiger Formulierung kann die EN-Beschichtung auch eine weniger poröse Beschichtung liefern, die härter und widerstandsfähiger gegen Korrosion und Wasserstoffabsorption ist.

Chemisch vernickeln kann auch Beschichtungen erzeugen, die frei von eingebauten mechanischen Spannungen sind oder sogar Druckspannungen aufweisen.

Nachteilig sind die höheren Kosten der Chemikalien, die im Verhältnis zur abgeschiedenen Nickelmasse verbraucht werden; wohingegen beim Galvanisieren die Nickelionen durch die metallische Nickelanode ergänzt werden. Möglicherweise sind automatische Mechanismen erforderlich, um diese Reagenzien während des Plattierens aufzufüllen.

Die spezifischen Eigenschaften variieren je nach Art der verwendeten EN-Beschichtung und der verwendeten Nickellegierung, die je nach Anwendung ausgewählt werden.

Typen

Die metallurgischen Eigenschaften der Legierung hängen vom Phosphoranteil ab.

  • Phosphorarme Beschichtungen haben bis zu 4% P-Gehalte. Ihre Härte erreicht bis zu 60 auf der Rockwell C-Skala .
  • Mittel-phosphorige Beschichtungen, die gebräuchlichste Art, werden als solche mit 4 bis 10 % P definiert, wobei der Bereich von der Anwendung abhängt: bis zu 4–7 % für dekorative Anwendungen, 6–9 % für industrielle Anwendungen und 4– 10% für Elektronik.
  • Beschichtungen mit hohem Phosphorgehalt haben 10–14% P. Sie werden für Teile bevorzugt, die stark korrosiven sauren Umgebungen wie Ölbohrungen und Kohlebergbau ausgesetzt sind. Ihre Härtematte erreicht beim Vickers-Test bis zu 600 .

Oberflächenfinish

Die stromlose Vernickelung kann eine matte, halbglänzende oder glänzende Oberfläche haben.

Struktur

Chemische Nickel-Phosphor-Beschichtungen mit weniger als 7 % Phosphor sind feste Lösungen mit einer mikrokristallinen Struktur, wobei jedes Korn 2–6 nm groß ist. Beschichtungen mit mehr als 10 % Phosphor sind amorph . Zwischen diesen beiden Grenzen ist die Beschichtung eine Mischung aus amorphen und mikrokristallinen Materialien.

Physikalische Eigenschaften

Der Schmelzpunkt der nach dem EN-Verfahren abgeschiedenen Nickel-Phosphor-Legierung ist deutlich niedriger als der von reinem Nickel (1445 °C) und sinkt mit steigendem Phosphorgehalt auf 890 °C bei etwa 14 % P.

Die magnetischen Eigenschaften der Beschichtungen nehmen mit steigendem Phosphorgehalt ab. Beschichtungen mit mehr als 11,2 % P sind nicht magnetisch.

Die Lötbarkeit phosphorarmer Beschichtungen ist gut, nimmt jedoch mit steigendem P-Gehalt ab.

Die Porosität nimmt mit steigendem Phosphorgehalt ab, während Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zunehmen.

Anwendungen

Chemische Nickelbeschichtung wird häufig verwendet, um die Platten von Festplattenlaufwerken zu glätten.

Chemisch Nickel-Phosphor wird verwendet, wenn Verschleißfestigkeit, Härte und Korrosionsschutz erforderlich sind. Zu den Anwendungen gehören Ölfeldventile, Rotoren, Antriebswellen, Papierhandhabungsgeräte, Kraftstoffverteiler, optische Oberflächen zum Diamantdrehen, Türknöpfe , Küchenutensilien , Badezimmerarmaturen , elektrische / mechanische Werkzeuge und Bürogeräte.

Aufgrund der hohen Härte der Beschichtung kann sie zur Bergung von Verschleißteilen verwendet werden. Es können Beschichtungen von 25 bis 100 Mikrometer aufgebracht und auf das Endmaß zurückbearbeitet werden. Aufgrund seines gleichmäßigen Abscheidungsprofils kann es auf komplexe Bauteile aufgetragen werden, die für andere strapazierfähige Beschichtungen wie Hartchrom nicht ohne weiteres geeignet sind .

Es wird auch in großem Umfang bei der Herstellung von Festplattenlaufwerken verwendet , um den Aluminiumplatten eine atomar glatte Beschichtung zu verleihen. Auf diesem Film werden dann die Magnetschichten abgeschieden, üblicherweise durch Sputtern und Veredeln mit Kohlenstoff-Schutzschichten und Schmierschichten.

Sein Einsatz in der Automobilindustrie zur Verschleißfestigkeit hat deutlich zugenommen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass für diese Anwendungen nur die Altfahrzeugrichtlinie oder RoHS- konforme Prozesstypen (frei von Schwermetallstabilisatoren) verwendet werden dürfen.

Leiterplatten

Elecroless Vernickelung, durch eine dünne Schicht abgedeckt Gold , wird bei der Herstellung der verwendeten Leiterplatten (PCBs), um Oxidation zu vermeiden und um die Lötbarkeit der Kupferkontakte und die Verbesserung der plattierten Durchgangslöcher und Kontaktlöcher . Das Gold wird typischerweise durch schnelles Eintauchen in eine Lösung mit Goldsalzen aufgetragen. Dieses Verfahren ist in der Industrie als Chemisch Nickel Immersion Gold (ENIG) bekannt. Eine Variante dieses Verfahrens fügt dem Nickel eine dünne Schicht aus stromlosem Palladium hinzu , ein Verfahren, das unter der Abkürzung ENEPIG bekannt ist.

Normen

  • AMS-2404
  • AMS-C-26074
  • ASTM B-733
  • ASTM-B-656 (inaktiv)
  • Mil-C-26074E
  • MIL-DTL-32119
  • IPC-4552 (für ENIG)
  • IPC-7095 (für ENIG)

Siehe auch

Verweise

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