1999-08-15 Anders Sundman
Den metalliska nickel är nästan lika vit som silver ,däremot är den mycket hårdare varför den inte repas så lätt. Nickel förändras inte i luft även om det är fuktig. Svavelhaltiga ämnen angriper inte nickel men det gör salpetersyra. I svavel eller saltsyra lösningar löses metallen långsamt.
Att nickel som utfällnings metall är så populär är den fysikaliska och de kemiska egenskaperna.
Det metalliska nickel är magnetisk liksom järn, dess smältpunkt ligger vid 1400 °C och dess specifika vikt är 8,3-9,2 beroende på om det är gjuten eller valsad. Som tekniska tillämpningar används den till mycket t.ex. korrosionskydd, elektroforming, reparation, slitageskydd. Jämför med andra skikt så kan nickel svarvas vilket inte ett hårdkromskikt kan. Nickelskikt ger också ett bättre korrosionskydd än krom.
Hårdhet: 130 Hv-500Hv
Densitet: 8902kg/ m3 för elektrolytiska skikt är den något lägre.
Nickel är katodisk gentemot stål och zink
Smältpunkt: 1453 °C
NICKEL SOM UTFÄLLNINGS METALL
.Glansförnickling
.Sulfamatnickel
.Hårdförnickling
.Flourboratförnickling
.Kloridelektrolyt
.Legeringsutfällning
.Dispersionförnickling
.Kemförnickling
Wattsbad är ett vanligt nickelbad det kan användas både till dekorativa och funktionella tillämpningar, det innehåller nickelsulfat, nickelklorid och borsyra. Dessutom tillsätts vätmedel, glansbildare och eventuellt andra tillsatser för att ge processen önskvärda egenskaper.
Nickelsulfat används för att på ett billigare sätt ge badet tillräckligt med nickelinnehåll.
Sulfatjoner har den egenskapen att den inte deltar vid någon av elektrod reaktionerna.
Kloridjonen i nickelkloriden förbättrar anod upplösningen, badets ledningsförmåga samt makrospridning påverkas också positivt av kloridjonen.
Borsyran fungerar som en buffert i katodfilmen. Badet innehåller normalt lite vätmedel för att inte en uppkomst av pittings skall uppstå på godsytan . Pittings är små gas blåsor som fastnar på godsytan på grund av att ytspänningen är för hög i badet. Att vätgas bildas beror på att strömutbytet inte är 100% i elektrolyten utan ligger ungefär vid 90%.
Elektrolyten är sur med ett pH runt 3.5-4.8. Temperaturen varierar från 45°c-65°c. Agitation är nödvändigt med varustång eller luftomrörning.
Förnicklingsbadet kräver filtrering med aktivtkol.
Strömtätheten är ifrån 2,5-10 A/dm runt 5A/dm är vanligast vilket ger en utfällningshastighet av
50 my /h..
För att höja badens elektrolytiska ledningsförmåga, används klorider, främst nickelklorid (med motsvarande minskning av nickelsulphaten).
Om vätgas bubblor fastnar på katodytan, förhindras skiktuppbyggnaden bakom bubblan. Det medför poriga skikt.
Vätgas bubblornas avgång underlättas av vätmedel i badet. Dessa sänker ytspänningen, katoden väts lättare av vätskan och gasbubblorna trängs undan. Vätmedel är ämnen med tensid egenskaper, i regel uppbyggda av en hydrofil, polär del och en hydrofob kolvätedel. Vätmedel avtar vid höga pH-värden. Det beror på att kolloidal eller utflockad metallhydroxid adsorberar värmedel så att den aktiva vätmedelshalten på katodytan sjunker. I bad med luftomrörning så måste speciella vätmedel användas även i bad som kör trummor i kan det vara bra att använda andra vätmedel i.
· Begränsa dragspänningar i nickelskiktet.
· Genom sin närvaro möjliggöra för de sekundära glanstillsatserna att ge högglans även vid höga strömtätheter.
Den primära glansbildaren ger skikt med ganska god glans på polerade ytor, men de är oförmögna att bibehålla eller förbättra glansen då skikten växer till. De kan inte heller skapa glans hos skikt, som läggs på råa substrat ytor. Närvaro av primär glanstillsats är av betydelse för att den sekundära glanstillsatsen skall kunna verka och ge en hög glans i ett brett strömtäthetsområde. Brist på primära glanstillsatser visar sig främst genom att glansen uteblir vid de höga strömtätheterna.
En annan viktig egenskap hos den primära glansbildaren är att den sänker dragspänningen i nickelskiktet och kan till och med introducera tryck spänningar.
Minskningen av de inre spänningarna sänker också skiktets hårdhet. Det är mot denna bakgrund att en mjukgörare används för primära glansbildaren. På grund av den gynnsamma effekten på inre spänningar används ibland nickel bad med enbart primära glansbildare för elektroformning av komplicerade produkter med svår geometrier.
Dragspänningarna i skiktet ökas av vissa badföroreningar av (t ex järn samt tillsatser av (klorid, sekundära glansbildare). En överdosering av primära glansbildaren för att motverka detta är ej att rekommendera. Detta medför en ökad glansbildarförbrukning. Halten av primär glansbildare hålls ganska hög, 1-10 g/l.
Vid badets arbete bryts primära glansbildaren ned vid katoden, vilket medför en viss glansbildare förbrukning per Ah. En sönderdelnings produkt är sulfidsvavel som byggs in i skiktet. Denna inbyggnad gynnas av närvaro av sekundära glansbildare. Skiktets svavelhalt blir över 0,03%, vilket påverkar skiktets elektrodpotential och korrosionskydds egenskaperna.
· Ge högglans genom att samverka med de primära glanstillsatserna och utnyttja dessas finkornigeffekt.
Sekundära glansmedel höjer dragspänningen i skiktet. Det är ytterligare skäl utöver samverkan ifråga om glansbildare att också ha primär glansbildare i badet. De balanserar i viss utsträckning spänningshöjningen.
I de flesta kommersiella glansnickelskikt får man emellertid räkna med en viss resulterande dragspänning.
Anodkorgarna skall vara av Titan som är vridna runt sin egen axel för att på sätt få ett korrekt kontakt tryck.
Det är en fördel att använda sig av korgar än nickel plattor, man får en större anod yta och på sätt undviker att en polarisation skall kunna äga rum med risk för att badets bestånds delar oxideras bort ( bryts ned ) då ex. glansbildare, ytutjämnare samt det att anoden blir ojämn. Man erhåller också ett bättre strömfördelning med korgar än med plattor. Nickel skikten kan också bli spröda utan att man har en för hög halt av organiska ämnen i badet.
*
En för hög dosering av primär glansbildaren medför att en för hög förbrukning av glansbildaren sekundär. Detta är för att primär glansbildaren bidrar till att minska dragspänningar i skiktet.
Anoderna skall hålla metallhalten konstant i badet samt tillföra den ström som måste till för att erhålla en utfällning av metall på detaljen (katoden). Det är dessutom billigare att höja badets metallhalt med anoder än det är att höja den med metallsalt. Idealisk är om de anodiska och katodiska effekterna (anodeffekt och katodeffekt) är ungefärliga lika under processen och även under anodens hela livslängd.
Man bör undvika att en passivering av anoderna uppstår, med passiva anoder menas att en olöslig film bildas på anoden, ofta en oxid. Även andra föreningar förekommer bildas på anodytan. Detta sker genom att en för hög anodisk potential, men en orsak kan även vara att sammansättningen inte alltid är optimal i relation till anodens löslighet.
Passiva anoder innebär många problem för processen. När inte anoden kan lösa sig pläteras metallen i badet snabbt ut och måste ersättas metallsalt. På grund av att anoden inte kan lösa sig och den tillförda energin måste förbrukas, kommer anodreaktionen att bli oxidation av badets beståndsdelar. Detta orsakar obalans i badet och då badet innehåller vatten kommer detta att sönderdelas. På anoden sker då en syrgasutveckling, vilket leder till ökad syra bildning och således sänkt pH i badet. Det är alltså viktigt att hålla anodpotentialen i det aktiva området för att säkerställa en jämn anodupplösning och undvika Passivering. Man får också en ökad halt av organiska föroreningar i badet eftersom man tillsätter mera tillsatser i badet för att komplettera de som har sönderdelas
Att kunna räkna ut den anodiska effektiviteten för metallutfällning, för att på sätt se förhållandet mellan den ström, som passerar genom lösningen och som utnyttjas för anodupplösning.
Detta kan räknas från formeln:
gA = anodeffekt m = metallmängd i gram c = elektrokemisk ekvivalent i g/Ah I = strömstyrka i A T = tiden i timmar (h)
gA= m *100
c * I * t
Spridningen i ett nickel bad:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Med kortare anoder så får man en bättre spridning utan att man bränner nederdelen av katoden. Där man har en högre ström densitet. | |
|
|
|
|
Här ser man spridningen går ut mot spetsarna, vilket ger lättare upphov till bränningar på högström området
Här ser man att spridningen
är högre ut mot kanterna, än vad den
är mot mitten. Genom att korta anoderna så kan man få ut mer av spridningen i nickel badet. Eller att arbeta med bipolära anoder.
pH-värde: Dålig vidhäftning, Inre spänningar, Dålig glans, Ett lågt pH kan även ge upphov till järnföroreningar.
Hög kloridhalt: Inre spänningar.
Fel temp: Dålig glans, pittings, Temp under 50 grader celsius kan ge en utfällning av borsyra den kristalliserar sig.
Hög halt glansbildare: Inre spänningar, Dålig vidhäftning, Dåliga krom inslag.
Låg halt glansbildare: Dålig glans.
Låg halt borsyra: pH-värdet stiger, Man märker detta genom att det bildas nickel hydroxid vid höga
Strömtätheter. Samt att skikten tenderar till att bli brända.
Låg halt glansbildare: Man ser detta genom att nickel skiktet bygger dåligt i ojämnheterna, eller att små repor syns på ytan efter förnicklingen.
Låg nickelhalt: Matta oregelbundna skikt.
Indrag av finare luft genom filtret kan ge upphov till gråfläckar detta sker då filtret inte är tätt utan läcker in luft.
Behandling av nickel badet vid föroreningar:
För behandling av järn föroreningar/metallföroreningar används medel av ICA, Np-renare eller väteperoxid. Man kan även göra en selektiv rening med en veckad plåt. Personligen så tycker jag att en pH behandling av badet är att rekommendera vid järn föroreningar.
En veckad plåt som drives i badet under ett par timmar tar bort metallföroreningar mycket bra samt att lösta partiklar i form av metall utfälls på plåten. När man driver badet med en plåt så skall man tänka på att man har en kraftig agitation i badet för att på så sätt elektrolysera hela badet.
Det finns en formel för att räkna ut hur länge man behöver driva badet. Lämpligt är att driva badet i en hullcell för att på en kortare tid ta reda på hur länge man behöver för att elektrolysera det egentliga badet.
X= Ah/l I= A/dm² V= badvolym i liter S= katod yta T= tiden i badet X=I*S*T V
pH-behandling:
- Pumpa över nickelbadet i en behandlingstank och tillsätt 1 liter 30 %- ig väteperoxid
- Rör om ordentligt i 30 minuter så att väteperoxiden fördelas ut i hela badet.
- Se till att temperaturen är 50 grader celsius
- Rengör nickeltanken
- Höj pH på badet till 5,0-5,2 med natriumhydroxid uppslammat i lite nickelbad.
- Rör om ordentligt i 30-40 minuter.
- Låt badet stå och vila sig 1-2 timmar så att järnhydroxiden faller till botten.
- Pumpa tillbaka nickelbadet med hjälp av filtret sug ifrån ytan, så att inte det sätts igen.
- Justera pH till 4,0 med utspädd svavelsyra.
Tabell över metall avlägsning med Np-renare:
Zink- ” ”
Järn- ” ”
Aluminium- tar en längre tid
Magnesium- ej fullständigt
Krom - endast delvis
Organiska föroreningar:
Aktivt kol och filter hjälpmedel tar bort organiska föroreningar. Men när man använder aktivt kol så avlägsnas en del vät medel. Man brukar räkna med 20gr / liter vid kontinuerlig filtrering vid varje filter byte.
Använder man filter hjälpmedel så förstorar man ytan i filtret så man erhåller en effektivare filtrering av badet.
Föroreningars inverkan på förnicklingen:
Koppar: Ger en mörk färgning på låga strömtätheter. Max halt under 10 mg / l. I ett matt nickel bad så ligger halten på 300mg / l utan störning.
Zink: Vid halter av 20-60 mg / l verkar den som glansbildare men dessa skikt blir mycket spröda.
Vid högre halter bildas det mörka svart flammiga skikt ofta poriga då speciellt i bad med ett pH på 4,0.
Järn: Por bildning speciellt vid pH runt 4,0. Man erhåller råa ytor p.g.a. medutfälld järnhydroxid, även spröda skikt max halten är ca, 30 mg / l.
Krom sex värd: Sänker strömutbytet vid 10 mg / l med ca 5-10%. 100 mg / l stoppar utfällningen. Blåsor i skiktet och dålig vidhäftning.
Krom tre värd: Här stör den mycket mindre.
Organiska: Porer i skiktet, spröda skikt, fläckar, apelsin ytor och mörka nickelytor.
Inverkan av olika metallföroreningar:
|
|
| |
|
|
Koppar:
-------------------------- Matt mörk utfällning vid 0,1-0,3 A/dm², halv blank till matt upptill 1,5 A/dm². Dålig spridning och det katodiska sjunker. Zink: Matt grå till mörk grå utfällning vid 0,1-0,2 A / dm², halv blank till matt 1,5 A / dm². Bly: Brun-rödbrun utfällning vid 0,1-0,2 A / dm², halv blank vid 1,5 A / dm². 6-värd krom: Försämrad katodisk strömutbyte, mörkbrun- vid
0,1-0,2 A / dm². Aluminium: Bränd utfällning. Kalcium: Utfälld Ca So4
i
badet kan orsaka sträva utfällningar. Natrium, kalium, ammonium, nitrat joner: Kan orsaka en spröd utfällning. Organiska svavelföreningar: Vid hög konc, orsakar de spröd utfällning. Vätmedel sönder delat eller i förstort överskott: Nedsätter maximalt tillåten strömtäthet, kan orsaka en nedsatt tämjbarhet i nickelskiktet.
|
Tabell vid vilka strömtätheter man avlägsnar föroreningar:
Metall Potential i A/dm² Max halt |
Koppar 0,1-0,3 20 mg/lZink 0,2-0,5 40 mg/l Bly 0,2-0,5 2 mg/l Järn 0,5 50 mg/l 6-värd krom reduktion 5 mg/l Aluminium pH 5,0 60 mg/l Kalcium filter --------- |
PROBLEM I ELEKTROLYTISKA NICKELBAD:
. pittings
. Porer i skiktet
. Matta slöjiga skikt
. Vita utfällningar
. Spröda skikt man märker detta på att det finns inre spänningar i skiktet
. Anodpolarisation
. Filter sätts igen det blir blockerat. Det finns risk att filtret ger upphov till att finfördelad luft
kommer in i nickelbadet vilket visar sig som små grå fläckar i skiktet liknande pittings
. Det sker en ökning av glansbildare förbrukning
Effekten av Cu,Zn,Al, Mg,och Cr :
.Dålig glans . ( En låghalt av zink kan ge mycket blanka skikt)
.Mörka beläggningar av indrag av Cd,Zn,Cu
.Upphov till inre spänningar
.pittings / Knottror i skiktet
.Utfällningen startar ej vid låga halter av Cr och salpetersyra
Effekten av organiska föroreningar :
.Dålig vidhäftning och inre spänningar
.Upphov till pittings vilket ger en ökad förbrukning av vätmedel
.Mörka beläggningar
.Slöjiga skikt
Enl läroboken Elektrolytisk och Kemisk Ytbehandling.
|
Faktor |
Ökning medför |
|
Ni-halt |
Bättre makrospridning. Ökad strömtäthet möjlighet. |
|
Kloridhalt |
Förbättrad ledningsförmåga. Ökad strömtäthet möjlighet. Bättre makrospridning. Mindre tendens till por bildning. Bättre tolerans mot Zn- och Cu- föroreningar. Sämre skiktduktilitet. Ökad inre spänning. |
|
Borsyra |
Bättre buffert kapacitet. Allmänt bättre skiktegenskaper. |
|
pH |
Bättre katodisk strömutbyte. Bättre glansbildare effekt. Skikt med ökade inre spänningar och ökad hårdhet. Större risk för spänningar. |
|
Temperatur |
Bättre ledningsförmåga. Bättre makrospridning. |
|
Bad och godsrörelse |
Ökad strömtäthet möjlighet. Bättre mikrospridning. Lägre glansbildarförbrukning. Minskad risk för bränningar. Sämre makrospridning. |
|
Halt av primär glansbildare |
Förbättrad skiktduktilitet. Minskning av inre spänningar. Förbättring av makrospridning. |
|
Halt av sekundär glansbildare |
Förbättrad mikrospridning. Ökning av inre spänningar. Minskad duktilitet. Försämrad makrospridning. |
|
Skikt fel |
Orsak och motåtgärd |
|
Brända skikt i områden med hög strömtäthet. |
För hög strömtäthet för badets kondition. Med hullcell kontroll - Sänk pH - strömtäthet - öka temperaturen - öka borsyran - öka Ni-koncentrationen Tillsatser av glansbildaren. |
|
Spröda skikt. |
Extern organisk förorening. - Gör en oxidation och aktiv rening med kol. Sönderdelnings produkter av glansmedel. - Bad behandling med aktiv kol. Metallföroreningar. Högt pH Låg temperatur. Låg borsyrehalt. Hög halt av sekundär glansbildare. |
|
Sträv yta |
Suspenderade partiklar i badet - anodslam - anodpartiklar - slipdam - kalciumpartiklar från för hårt vatten - kolpartiklar från rening Undersök filtret, och anod påsar. |
|
Poriga skikt (pittings) |
Otillräcklig omrörning. Dålig förbehandling. Brist på vätmedel. Låg Ni-halt. Organisk förorening. Låg borsyrehalt. Små partiklar suspenderade i badet. Dålig ytfinhet eller porer i substratet. |
|
Dålig glans. |
Hög halt av organiska nedbrytnings produkter. Badrening. |
|
Flagor, blåsor och andra vidhäftnings problem. |
Bristfällig förbehandling. Vätgas i substratet. |
|
Dålig makrospridning. |
Låg Ni-halt. Låg temperatur. Överskott på vätmedel. |
|
Skiktbildning uteblir speciellt i områden med låg strömtäthet. |
Föroreningar av 6-värt krom Gör en kromreduktion till 3-värt krom. |
En ring som vi förnicklade med en strömtäthet på 1,5 A/dm² visade ett jämnare skikt än de vid 3,5 A/dm². Detaljen var utan några överhäng av nickel. Utfällningshastigheten var 250-300 µm på 25 h. Vilket är 12 µm per timme.
Vid högre strömtäthet så arbetar endast den primära strömfördelningen. Sänker man strömtätheten så att den sekundära strömfördelningen tar över, så sänks aktiveringspotentialens motstånd och med hjälp av diffusionsskiktets så fördelas skiktet jämnare över ytan. Eftersom ett större förhållande mellan polarisationmotståndet och elektrolytens motstånd ger en bättre spridning åt metallfördelningen.
Aktiveringsmotstånd = motstånd som skall övervinnas i överföringen av laddningar på elektrod yta. Motståndet sjunker med ökad strömtäthet.
Primärströmfördelning = bestäms uteslutande av elektrolytmotståndet.
Strömfördelningen = beror på både elektrolyt och aktiveringsmotståndet. Vid förhållandet med sekundär strömfördelning sjunker Wagner’s tal med en ökande strömtäthet dvs elektrolytmotståndet ökar.
Prov med sulfamat nickel med låg ström:
En detalj har körts med en låg ström runt 1,5 A/dm² i 72 timmar. Efter att metall lab har skurit ur en tårt bit av detaljen har skurits ut och metall lab har fotograferat denna så kan vi se att vid en låg strömtäthet så ger ett sulfamatnickel bad en micro spridning även om det inte har några tillsatser som polariserar topparna. Skiktet är jämt över hela området på den pläterade detaljen.
Nästa prov skall utföras med den rekommenderade strömtätheten som PWA rekommenderar vilket är 2,7 A/dm². Vad vi såg är att överhänget är mycket större än vid det förra provet. Detaljen är körd I 48 timmar. Efter uppskärning av nickelskiktet så såg vi att detta skikt också var jämt men med ett tjockare skikt på en kortare tid ca 7,7 µm per timme vilket för motsvarande var 4,1 µm per timme.
Metall beläggning utan tillförsel av någon yttre strömkälla. Andra namn är strömlös förnickling eller auto katalytisk utfällning. Med auto katalytisk förnickling menar man att själva nickel skiktet katalyserar metall utfällningen. Kem förnicklade skikt blir mera jämn tjocka än vid elektrolytiska skikt.
Det gäller även på vassa hörn och i trånga spalter under förutsättningen att bad lösningen kan cirkulera fritt. I övrigt är egenskaperna mycket skiftande beroende på vilken process som används. Vanligen används natriumhypofosfit som reduktionsmedel och skikten innehåller då fosfor.
Andra reduktionsmedel kan ge skikt som är mycket rena eller bor haltiga skikt.
Metallsalt för att tillhandahålla metalljoner tillsätts ett nickelsalt, nickelsulfat och även nickelklorid.
Reduktionsmedel tillför elektroner för reduktionerna av nickeljonerna till nickelmetall, vanligen används natriumhypofosfit, men även borhybrid, aminoboran och hydrazin kan användas. Reduktionmedlet styr till stor del nickelskiktets egenskaper.
Komplexbildare för att hålla nickeljoner i lösning krävs komplexbildare. Speciellt i gamla bad för att undvika utfällningar av nickelsalter. Komplexbildaren kontrollerar även reaktionshastigheten på den önskade reaktionen. Komplexbildaren fungerar också som buffert, dvs hjälper till att ge ett stabilt pH-värde.
Buffert tillförs då det är nödvändigt att komplettera komplexbildaren med speciella buffert substanser.
Accelerationer komplexbildare bidrar till att minska reaktionshastigheten
( utfällnings hastigheten ). För att öka den tillsätts vissa organiska föreningar sk accelerationer.
Stabilisatorer för att minska risken för spontan utfällningar i badet, dessa fungerar så här den minskar den katalytiska effekten hos ytorna. Svavel föreningar och tungmetaller har varit de vanligaste substanserna, men nu används allt mera organiska föreningar .
Vätmedel minskar risken för pittings.
Restprodukter allt eftersom badet används ökar halten av rest produkter. Det är rest produkter ifrån reduktionsmedlet, nickel saltets negativa joner samt rester efter tillsatser för pH- justeringar. Dessutom har en rad olika föreningar ackumuleras i badet.
Temperatur är en av det viktigaste faktorerna i processen , därför den påverkar badets utfällnings hastigheten. En alltför hög temperatur i badet kommer att bryta ned badets beståndsdelar då hypofosfit, komplexbildare och stabilisatorer. Detta kan medföra att ändrade skiktegenspaer kommer att uppstå och att en spontan utfällning kan ske. En hög temperatur i badet ger en högre utfällnings hastighet, med påföljden att skitets fosfor halt blir lägre.
PH-värde har följande effekter i ett kemnickel bad med natriumhypofosfit som reduktionsmedel.
- Ökad utfällnings hastighet
- hypofosfit reaktionen blir homogen ifrån att vara katalytisk, vilket kan resultera till en spontan utfällning.
- Reducerar lösligheten av nickelfosfiten.
- Reducerar fosfor innehållet i nickel skiktet.
Vid en sänkning av pH-värdet så kan följande hända i badet.
- Förhindrar utfällning av alkaliska salter och hydroxider.
- Minskar hypofosfitens reducerande förmåga.
- Mer effektiva funktioner av nickellösnings buffrande ämnen.
- Minskad utfällnings hastighet.
- Vid lågt pH-värde så kommer skikten att mörkna.
Sköljning det är nödvändigt att man alltid sköljer detaljerna mellan varje steg för att undvika indrag från rengöring / aktivering till kemnickel badet då dessa badär mycket känsliga för indrag. Använder man sig av att Ex aktivera i saltsyra vid förbehandlingen så är det ett måste att skölja detaljen mycket väl och helst neutralisera ytan innan man kemförnicklar ytan. Eftersom klorider sänker korrosion skyddet avsevärt för nickel skiktet om gör indrag i badet med klorider. (Se Kap sköljnings teknik)
Olika kemnickel bad
är de vanligaste förekommande baden för kemisk förnickling. Det gäller både i de nordiska ländernas som världen i övrigt. Baden är lätt skötta och förhållandevis billiga.
pH-värde ligger mellan 4-5.
Reduktionsmedel är natriumhypofosfit.
Temp är mellan 85-90 0C man kan höja temperaturen allt som baden åldras det brukar vara bra för att bibehålla glansen på detaljerna eftersom det blir en mattare nyans alltsom badet åldras.
Baden ger skikt med bra egenskaper och med de bästa korrosionsegenskaper, Utfällnings hastigheten ligger omkring 25µ /h.
Används i mycket begränsad omfattning, de främsta användnings områdena är ytbehandling av plast, då på grund av den låga temperaturen, samt på zink som ett första skikt innan en fortsatt utfällning i ett surt bad. Baden har en lägre utfällnings hastighet än de sura baden.
pH-värde ligger mellan 10-11.
Temperatur är runt 30-50 0C.
Utfällnings hastigheten ligger omkring 10µ.
pH-värde ligger mellan 12-14.
Temperatur är runt 90-95 0C.
Skikten innehåller normalt 3-8 % bor. Hårdheten i utfällt tillstånd är högre än för nickel-fosfor skikt. Korrosionskyddet är sämre, men de kan värmebehandlas för högre hårdhet utan att korrosionskyddet försämras. Utfällnings hastigheten är omkring 8,8-20 µ / h beroende på vilken process.
pH-värde omkring 5-11.
Temperatur ligger mellan 30-75 0C.
Reduktionsmedlet är organiska borföreningar, det är dimetylaminoboran eller dietylaminboran.
Utfällnings hastigheten är 7-12 µ /h.
Skikten innehåller små mängder bor från 0,1-5,0 % och ger betydligt högre elektrisk lednings förmåga jämförbart med nickel-fosfor skikt.
Egenskap Ni-P 1,5-3 %, Ni-P 4-9%, Ni-P10-14%, Ni-B0,2-2%, Ni-B3-6%
|
Densitet g /cm3 |
8,3 |
8,0-8,1 |
7,8-7,9 |
------- |
7,8-8,5 |
|
Smältpunkt 0 C |
------- |
850 |
850 |
-------- |
1150-1250 |
|
Värmelednings förmågan |
------- |
-------- |
0,6-0,7 |
--------- |
----------- |
|
Värmeutvidgningkofficient 10-6k |
9 |
9-13 |
14 |
---------- |
12-13 |
|
Magnetiska egenskaper |
Ferro mag |
Svagt ferro |
Omagn |
----------- |
Svagt ferro |
|
Elektrisk resivitet l W cm |
12-30 |
40-90 |
100-130 |
5-10 |
20-30 |
|
Inre spänningar N / mm |
Drag |
Drag 50-100 |
Tryck 0-50 |
Drag 350-480 |
Drag 120-150 |
|
Sträckgräns N /mm |
--------- |
420-700 |
--------- |
---------- |
120 |
|
Elasticitets modul KN /mm² |
--------- |
170-200 |
---------- |
--------- |
120 |
|
Förlängning % |
0,02-0,05 |
0,2-0,4 |
1,0-1,5 |
---------- |
0,05 |
|
Hårdhet Hv 0,1 |
550-700 |
550-580 |
480-500 |
550-600 |
600-750 |
|
Hårdhet Hv 0,1 värmebeh 4000C |
750-1000 |
900-1000 |
900-950 |
900-950 |
1200-1350 |
Extrem spridningsförmåga och täckförmåga är utmärkande för strömlösa processer. Skiten blir mycket jämna på alla de ställena som bad vätskan kan komma att cirkulera vid. Den nivå utjämnande förmågan ”mikrospridning” är obefintlig. Det finns i en del nyare processer med en tendens till nivå utjämning.
Vidhäftningen hos kemnickel är jämförbart med den hos elektrolytisk pålagda skikt.
Järnstål: 350-450 N /mm².
Koppar leg: 350- 450 N /mm².
Aluminium: 100-300 N /mm².
Rostfritt: 150-280 N /mm².
Nickel: 150-280 N /mm².
Kobolt: 150-280 N /mm².
Man kan förbättra vidhäftningen på Aluminium och Titan med hjälp av värmebehandling. För aluminium gäller då att man värmebehandlar I en temperatur 190-210 0C under 1timmar , för Titan gäller en temperatur vid 400 0C under 1 timme.
Hårdheten hos ett kemnickelskikt beror på vilken sammansättning kemnickel baden har, det kan vara efter hur många turn overs man har gjort och av temperaturer vid värmebehandlingen samt tiden. Man kan säga att ett lågt fosfor skikt ger hårdare skikt än ett hög fosforskikt vilket ger en lägre hårdhet, men gör man en värmebehandling av skikten så får man omvända egenskaper av hårdheten.
2-3 % P 700-750 Hv 100
7-9 % P 450-550 Hv100
11-13 P 450-500 Hv100
gäller utan värmebehandling.
Låga procentsatser fosfor ger en lägre ökning av hårdheten i skiktet. För maximal hårdhet krävs temperaturer över 4000 C. Däremot kan ganska måttliga hårdhets ökningar erhållas vid lägre temperatur om behandlings tiden är tillräckligt lång.
Man skall tänka på att vid värmebehandling så sker en oxidering på ytan vilken kan försvåra en efterföljande ytbehandling, vilket är svårt ändå då kemnickel passiveras mycket fort i luft.
Vid värmebehandlingen sker en ökad kristallisation i skiktet. Den övermättade lösningen av fosfor i en mycket fin kristallin nickelmatris förändras. Olika nickelfosfor Ni3P urskiljs vilket gör att skiktet blir hårdare. Detta sker under en volym minskning vilket gör att skitets dragspänningar ökar och därmed också risken för att sprickor bildas.
Värmebehandlingen av kemnickelskikt gör att den korrosionskyddande förmågan försämras. Försämringen är störst hos de skikt som i ej värmebehandlat tillstånd ger det bästa korrosionskyddet.
Kemiskförnickling ger möjligheter att påverka hårdhet och slitage egenskaperna genom att styra sammansättningen och utföra värmebehandlingen eller inte att utföra den.
Tack vare fosfor innehållet har kemnickelskikt goda friktions egenskaper. Generellt är dock friktions talet högre för kemnickel än för hårdkrom skikt.
Korrosionskyddet
Kemnickel är katodisk gentemot t,ex stål och aluminium, dvs nickelskiktet är ädlare än stål och aluminium. Nickelskiktet ger ett barriär skydd åt grundmaterialet. Men för att grundmaterialet skall få ett fullgott skydd krävs att skiktet är tätt. Sprickor eller porer får då inte förekomma, man kan passivera med en lösning av Natriumdikromat för att förstärka skyddet mot korrosion. Dessutom får inte nickelskiktet i sig själv lösas upp i den aktuella miljön. Det är alltså följande egenskaper som avgör korrosionförloppet. 1. Skiktet täthet, 2. Skiktets egen korrosion. Det är främst tre faktorer som avgör den korrosionskyddande förmågan, vilket är skiktets sammansättning- skikttjocklek samt eventuell värmebehandling. Generellt är att en ökad fosforhalt ger bättre korrosionskydd.
Natriumhypofosfit är ett kraftfullt reduktionsmedel, dvs ämnet avger lätt elektroner. Dessa kan i sin tur reducera de positiva nickeljonerna till metallform. Vid hög bad temperatur reagerar hypofosfiten med vatten.
Den stabilare ortofosfiten bildas tillsammans med atomärt väte.
H2PO2- +H2O"H(HPO3)-+2H0 De bildade väteatomerna kan reagera på tre olika sätt, dels kan vätegas bildas genom att två väteatomer slås samman, dels kan väteatomerna reducera nickel under bildande av vätejoner.
För det tredje kan hypofosfit reagera med väte och bilda fosfor.
Reaktions formeln blir. ‚ 2H0"H2 (gas)
ƒ2H0+Ni2+"Ni0+2H+
„H2PO2+H0"P0+H2O+OH-
För att inte reaktionen ‚ ska dominera, dvs enbart vätgas bildas, krävs att det finns en yta där väte kan adsorberas för att ge nickeljonerna en chans att hinna reagera.
Finns ingen katalytisk yta, bildas omgående vätgas enligt ‚. Reaktionen ƒ är alltså den som resulterar i att själva nickelskiktet fälls ut. Vätejoner bildas vilket gör att pH-värdet sjunker.
Det gör att man måste tillsätta ammoniak eller nickel hydroxid för att höja pH-värdet eller hålla densamma konstant. Reaktionen „ visar varför badet innehåller fosfor, och ett ”högt pH=låg fosfor,lågt pH=hög fosfor”. Av reaktionsformeln framgår att lågt pH i badet gynnar fosfor förhållandet medan högt pH ger ett skikt med lågt fosfor innehåll.
Av tillfört hypofosfit utnyttjas ca 1/3 till att fälla ut nickel medan resten går åt till bildandet av fosfor och vätgas.
Katalytiska ytor är vissa grupp Vlll- element i periodiska systemet, t,ex nickel, palladium och platina.
Järn är trots att det till hör grupp Vlll inget katalytisk ämne. Istället startar reaktionen med en utbytes reaktion mellanjärn och nickel enligt.
Feo+Ni2+"fe2++Ni. Så snart nickel utfälls på ytan startar den auto katalytiska reaktionen.
Risken för spontan utfällningar ökar med vilken utfällningshastighet man kör badet ned. Det är flera faktorer som styr utfällningshastigheten.
Badtemperatur- ökad utfällningshastighet vid högre temperatur.
Komplexbildare- höghalt ökar utfällningen.
Stabilisator- höga halter tung metaller minskar utfällnings hastigheten samt att den kan avstanna helt.
pH-värde- högre pH ger en ökning av utfällningen, men pH-värdet skall vara under 5,0.
Natriumhypofosfit- ökad halt ger en ökning av utfällningen till en viss punkt.
Nickelhalten- man skall hålla så hög halt som är möjligt, se specifikationerna för den process som används.
Metalliska föroreningar
Dom metalliska föroreningar kommer främst ifrån upplösning av metall i badet , förorenade fixturer och vid trumkörningar samt ifrån zinkaten när man pläterar aluminium.
Koppar
Koppar är en icke katalytisk metall. I ett surt hypofosfit bad sker en viss upplösning av koppar. Vid höga halter koppar fås ett skikt som består utav koppar legerat med nickel. Med en hög halt av koppar så kan det innebära att stålet får en spontan utfällning av koppar, vilket medför att det blir en dålig vidhäftning.
Järn
De flesta låglegerade stål initieras direkt nickelutfällning. Järn i badet kan ge flammiga skikt.
Krom
Sex-värd krom kan redan vid mycket låga halter stoppa utfällningen av nickel, tre-värd krom kan ge flammiga skikt.
Aluminium
Inga direkta problem, men vid höga halter så kan organiska tillsatser adsorberas på gods ytan, vilket kan ge problem med balansen i badet.
Bly
Höga halter hindrar utfällningen helt. Innan så höga halter nås erhåller man step-plating.
Zink
Kan ge flammiga skikt och mörka beläggningar. minskad utfällnings hastighet.
Hur problemen uppstår
Lokal överhettning runt doppvärmarna är ett vanligt fel som kan uppstå om man inte har en tillräcklig cirkulation runt dom, detta kan orsaka att en katalytisk partikel fastnar och ger en spontan utfällning. Det är därför viktigt att rund pumpa badet med hjälp av filter eller en propeller rörelse, man skall inte använda sig av luft då den bryter ned hypofosfiten till ortofosfit vilket medför att badet åldras mycket fortare och risken för step plating uppstår. Man brukar säga att filtreringen skall vara 10-14ggr/h med ett 1 my filter.
Man skall använda sig av doppvärmare med en låg yteffekt, vilket menas att värmen från doppvärmaren sprids över hela den mantlade ytan. (Undersök med leverantören av badet).
Man kan också se var i badet en utfällning börjar om man tittar på det mönster i nickel utfällningen som ligger i badets botten eller på kar väggar, och då se om det kommer från en spontan utfällning eller en lokal överhettning från doppvärmaren. Man kan också se om det beror på en tappad detalj i badet.
Ibland ser man att man erhåller en obelagd yta runt hål eller på vissa gränssnitt på detaljer man kemförnicklar, detta är vad man kallar för step-plating, vilket beror på att man inte har tillräckligt stor yta i badet detta fenomen gör att hypofosfiten bryts ned till ortofosfit, och orsakar att inte en utfällning kan ske. Nickel utfällningen bygger på skikt som kan liknas vid trappsteg Om man tillsätter lite hypofosfit så försvinner problemet, men allra bäst är att köra med en dummy " valsad plåt för ge en större badbelastning ". Denna dummy hjälper även till att förhindra grov yta när man pläterar tjocka skikt över 50 µm. Hur stor yta man skall ha är olika för olika tillverkare. Rekommenderat värde för bad så är att bad belastning ej skall understiga 1-3 dm2 /liter.
Man kan genom att tillsätta ca 90 % av B- tillsatsen eliminera detta , eller att man stänger av luft inblåsningen i ca 3-5 minuter vid starten av körningen om man har luft inblåsning . Luft inblåsning gör att badet blir alltför stabilt, detta gäller vid dom tre första MTO (Metal turn overs).
Badunderhåll
Temperatur
Att hålla en jämn temperatur är nödvändigt för att utfällningshastigheten ska hållas konstant. Badet ska vara utrustat med en termostat. Man skall kontrollera badet regelbundet för att se att badet har en jämn temperatur i hela badet.
PH-värde
Påverkar skiktsammansättning och utfällningshastigheten den måste kontrolleras regelbundet.
Nickelhalt
Tillsammans med pH är nickelhalten den parametrar som oftast kontrolleras. Man gör tillsatser efter analys vilket bör göras varje timme eller oftare beroende på vilka ytor man kör I badet.
Hypofosfithalt
Det vanliga är att baden har färdigblandade tillsatskemikalier. Det gör att halten av Reduktionmedlet inte behöver analyseras lika ofta. Man brukar få göra en tillsatts av den då man erhåller en step plating I badet, vilket uppstår om hypofosfiten är låg.
Väskenivå
Badtemperaturen är hög så sker det en hög avdunstning, under ett 8 timmars pass så är avdunstning ca10%. Vilket ställer höga krav på vatten kvalitén.
Ortofosfit
Rest produkter från hypofosfiten. Höga halter ökar risken för nickelortofosfit fälls ut vilket kan ge knottriga skikt. Samt påverka korrosionskyddet.
Felsökning sura hypofosfit bad:
Läroboken I elektrolytisk och kemisk ytbehandling Band II page 128-132
Vid all felsökning gäller det att först titta på de vanligaste felorsakerna. I samband med kemförnickling är de vanligaste felen:
- Fel badsammansättning
- Utfällning på fel ytor
- Bristfällig förbehandling
- Föroreningar I badet
Symptom Orsak Åtgärd
|
Spontanutfällningar |
För hög temperatur Lokalöverhettning |
Sänk temperaturen Byt värmare eller förbättra rund pumpningen runt värmarna |
|
|
Hög dosering med nickel vid hög temperatur vid tomt bad på gods |
Gör täta doseringar under omrörning. Undvik att dosera utan gods I badet. |
|
|
Hög halt av hypofosfit |
Analysera badet. Anpassa doseringen. |
|
|
Låg halt av stabilisatorer |
Justera genom små tillsatser. |
|
|
Högt pH,(vilket kan orsaka utfällningar som I sin tur initierar nickelutfällningar) Indrag av katalyserande ämne(vanligaste I samband med ytbehandling av plast eller keramik) |
Filtrera badet och justera pH-värdet. |
|
|
Utfällningar på karväggarna |
Rengör och passivera. Filtrera |
|
Ingen utfällning |
Låg temperatur |
Öka temperatur till rätt värde. |
|
|
Lågt pH |
Mät justera |
|
|
Låg halt av hypofosfit |
Analysera, justera |
|
|
Metallisk föroreningar |
elektrolytiska utfällning med låg strömtäthet vid låg temperatur |
|
|
Inaktiv yta |
Förbättra förbehandlingen |
|
|
Ej katalytisk yta |
Gör ytan katalytisk |
|
|
Överstabiliserat bad |
Dumpa en del av badet. |
|
Låg utfällningshastighet |
Låg halt av hypofosfit |
Analysera, justera. |
|
|
Låt nickelhalt |
Analysera, justera. |
|
|
Lågt pH |
Mät och justera. |
|
|
Låg temperatur |
Mät och justera. |
|
|
Metallföroreningar |
Elektrolytisk utfällning med en låg strömtäthet vid låg temperatur. |
|
|
Höghalt av natriumhypofosfit |
Dumpa badet. |
|
|
Överstabilitet |
Dumpa en del av badet |
|
|
Låg badbelastning |
Öka godsytan I badet. |
|
Mörkt skikt |
Låg halt av hypofosfit |
Analysera, justera |
|
|
Metallföroreningar |
Elekrolytisk utfällning vid låg strömtäthet och låg temperatur |
|
|
Dålig sköljning efter nickelbadet |
Förbättra sköljningen |
|
Matt skikt |
Låg halt av hypofosfit |
Analysera och justera |
|
|
Organiskaföroreningar |
Kolbehandla |
|
|
Låg nickel halt |
Analysera och justera |
|
|
Lågt pH |
Mät och justera |
|
|
Metallföroreningar |
Elektrolytisk utfällning med låg strömtäthet och låg temperatur. |
|
Rå eller knottrig yta |
Olösliga partiklar I badet |
Filtrera badet |
|
|
Dålig förbehandling |
Förbättra förbehandlingen |
|
|
Högt pH |
Mät och justera |
|
|
För hög halt av natriumhypofosfit |
Dumpa badet |
|
|
Otillräcklig yta I badet vid tjocka skikt |
Använd en dummy plåt. |
|
Blåsor I skiktet |
Bristfällig förbehandling |
Förbättra förbehandlingen |
|
|
Bristfällig zinkat behandling(gäller på aluminium. |
Kontrollera zinkat, stanat baden, kontrollera sköljarna. |
|
|
Organiska föroreningar |
Kolbehandling. |
|
|
Metallföroreningar |
Elekrolytisk utfällning vid låg strömtäthet och vid låg temperatur. |
|
|
Högt pH |
Mät och justera |
|
|
Felaktig värmebehandling |
Långsam temperatur stegring till det inställda värdet. |
|
Pittings |
Otillräcklig omrörning |
Förbättra omrörning |
|
|
För hög vätgas utveckling |
Minska badbelastningen. Kontrollera hypofosfitkoncentrationen |
|
|
Organiska föroreningar |
Kolbehandlingen |
|
|
Metallföroreningar |
Elektrolytisk utfällning vid låg strömtäthet och låg temperatur. |
|
|
Låg halt av komplexbildare |
Öka halten genom små tillsatser. |
|
Dålig vidhäftning |
Bristfällig förbehandling |
Förbättra förbehandlingen |
|
|
|
Bristfällig zinkat, stanat behandling. |
Kontrollera och analysera. Behandlings tiden |
|
|
|
Indrag av betinhibitor |
Förbättra sköljningen. Minska användningen av betinhibitor. |
|
|
|
Organiska föroreningar |
Kolbehandlingen |
|
|
|
Metallföroreningar |
Elektrolytisk utfällning vid låg strömtäthet och låg temperatur. |
|
|
|
Felaktig värmebehandling |
Kontrollera tid och temperatur. |
|
|
Mönster eller strimmor |
Dålig förbehandling |
Förbättra förbehandlingen. |
|
|
|
Metallföroreningar |
Elektrolytisk utfällning vid låg strömtäthet och vid låg temperatur. |
|
|
|
Gas mönster |
Förbättra hängningen av godset. |
|
|
|
Dålig omrörning |
Förbättra omrörningen. |
|
|
|
Låg bad belastning |
Öka bad belastningen till rekommenderade värden |
|
|
|
Indrag av silikat |
Förbättrad sköljning. Använd avfettning utan silikater. |
|
|
Snabb förändring av pH |
Indrag |
Förbättra sköljningen. |
|
|
|
Badet utanför pH-området där bufferteffekt fås |
Mät och justera. |
|
|
|
Hög badbelastning. |
Minska badbelastningen till rekommenderad värden |
|
|
Hög nickel förbrukning. |
Nickel fälls ut på kar väggen. |
Rengör och passivera karet. Filtrera. |
|
|
|
Hög badbelastning |
Minska badbelastningen till rekommenderade värden. |
|
|
|
Spontan utfällning |
Fastlägg orsaken och vidtag åtgärder. |
|
|
|
Stora utdragsförluster |
Öka avrinnings tiden. Se över godsets hängning. |
|
|
| |||
Aktivering av en kem förnicklad yta:
För att aktivera en kem förnicklad yta, så är följande process gång att rekommendera.
1. Dopp avfettning.
2. El avfettning katodisk 2 min. Med en ytaktiv avfettning och 30-40 g/l Na Cn.
3. Dekapering i saltsyra 10%-ig 1-2 min.
4. Katodisk aktivering i svavelsyra 60%-ig, 4 volt 10-15 sek eller tills det gasar.
5. Hård förkromning vid 1 volt långsamt upp till arbetsström eller 2-3ggr arbetsström under 10-15 sek.
Om man skall kem förnickla mycket stora detaljer så måste man förvärma dessa tills de har uppnått bad temperaturen, detta måste ske utan att riskera att detaljerna blir passiva. Förvärmer man då i en lösning av 10 g/l natriumhypofosfit med ett pH 5-6 med en temperatur som är det efterföljande badets temp, Så kan man ytbehandla utan risk för att ytan blir passiv eller att detaljen sänker badets temperatur under kem förnicklingen.
