El niquelado químico , también conocido como níquel E , es un proceso químico que deposita una capa uniforme de aleación de níquel y fósforo sobre la superficie de un sustrato sólido, como metal o plástico . El proceso implica sumergir el sustrato en una solución de agua que contiene sal de níquel y un agente reductor que contiene fósforo, generalmente una sal de hipofosfito . [1] Es la versión más común del niquelado químico (enchapado EN) y a menudo se lo conoce con ese nombre. Un proceso similar utiliza un agente reductor de borohidruro , lo que produce un recubrimiento de níquel- boro .
A diferencia de la galvanoplastia , los procesos en general no requieren pasar una corriente eléctrica a través del baño y el sustrato; la reducción de los cationes metálicos en solución a metálicos se logra por medios puramente químicos, a través de una reacción autocatalítica . Esto crea una capa uniforme de metal independientemente de la geometría de la superficie, en contraste con la galvanoplastia que sufre de una densidad de corriente desigual debido al efecto de la forma del sustrato en la resistencia eléctrica del baño y, por lo tanto, en la distribución de corriente dentro de él. [2] Además, se puede aplicar a superficies no conductoras .
Tiene múltiples aplicaciones industriales, desde las meramente decorativas hasta la prevención de la corrosión y el desgaste. Puede emplearse para aplicar recubrimientos compuestos , suspendiendo polvos adecuados en el baño. [3]
La reducción de sales de níquel a níquel metálico mediante hipofosfito fue descubierta accidentalmente por Charles Adolphe Wurtz en 1844. [4] En 1911, François Auguste Roux de L'Aluminium Français patentó el proceso (usando tanto hipofosfito como ortofosfito) para el enchapado de metales en general. [5]
Sin embargo, la invención de Roux no parece haber recibido mucho uso comercial. En 1946, el proceso fue redescubierto accidentalmente por Abner Brenner y Grace E. Riddell, del National Bureau of Standards . Intentaron añadir varios agentes reductores a un baño de galvanoplastia para evitar reacciones de oxidación indeseables en el ánodo . Cuando añadieron hipofosfito de sodio , observaron que la cantidad de níquel que se depositaba en el cátodo excedía el límite teórico de la ley de Faraday . [6] [7]
Brenner y Riddel presentaron su descubrimiento en la Convención de 1946 de la Sociedad Americana de Galvanoplastia (AES); [8] un año después, en la misma conferencia propusieron el término "electroless" para el proceso y describieron formulaciones de baño optimizadas, [9] que dieron lugar a una patente. [10] [11] [12]
Un informe técnico desclasificado del ejército estadounidense de 1963 atribuye el descubrimiento a Wurtz y Roux más que a Brenner y Riddell. [ cita requerida ]
Entre 1954 y 1959, un equipo dirigido por Gregorie Gutzeit en General American Transportation Corporation desarrolló en gran medida el proceso, determinando los parámetros y concentraciones óptimos del baño e introduciendo muchos aditivos importantes para acelerar la velocidad de deposición y evitar reacciones no deseadas, como la deposición espontánea. También estudiaron la química del proceso. [1] [6]
En 1969, Harold Edward Bellis de DuPont presentó una patente para una clase general de procesos que utilizan borohidruro de sodio , borano de dimetilamina o hipofosfito de sodio , en presencia de sales de talio , produciendo así un metal-talio-boro o metal-talio-fósforo; donde el metal podría ser níquel o cobalto . Se afirmó que el contenido de boro o fósforo variaba de 0,1 a 12%, y el de talio de 0,5 a 6%. Se afirmó que los recubrimientos eran "una dispersión íntima de boruro de triníquel duro ( Ni 3 B ) o fosfuro de níquel ( Ni 3 P ) en una matriz blanda de níquel y talio". [13]
Antes de aplicar el baño, la superficie del material debe limpiarse a fondo. Los sólidos no deseados que quedan en la superficie provocan un baño deficiente. La limpieza se logra generalmente mediante una serie de baños químicos, que incluyen solventes no polares para eliminar aceites y grasas, así como ácidos y álcalis para eliminar óxidos, compuestos orgánicos insolubles y otros contaminantes de la superficie. Después de aplicar cada baño, la superficie debe enjuagarse a fondo con agua para eliminar cualquier residuo de los productos químicos de limpieza. [14]
Las tensiones internas en el sustrato creadas por el mecanizado o la soldadura pueden afectar el recubrimiento. [14]
Los principales ingredientes de un baño de niquelado electrolítico son fuente de cationes níquel Ni2+
, generalmente sulfato de níquel y un agente reductor adecuado, como hipofosfito H
2correos−
2o borohidruro BH−
4. [1]
Con hipofosfito, la reacción principal que produce el niquelado produce ortofosfito H
2correos−
3, fósforo elemental, protones H+
y el hidrógeno molecular H
2: [1]
Esta reacción es catalizada por algunos metales, entre ellos el cobalto , el paladio , el rodio y el propio níquel. Debido a este último, la reacción es autocatalítica y se produce de forma espontánea una vez que se ha formado una capa inicial de níquel en la superficie. [1]
El baño de galvanoplastia también suele incluir:
Debido al carácter autocatalítico de la reacción, es necesario activar la superficie a recubrir haciéndola hidrófila y asegurándose de que esté compuesta por un metal con actividad catalítica. Si el sustrato no está compuesto por uno de esos metales, se debe depositar previamente una fina capa de uno de ellos mediante algún otro proceso.
Si el sustrato es un metal más electropositivo que el níquel, como el hierro y el aluminio , se creará espontáneamente una película inicial de níquel mediante una reacción redox con el baño, como por ejemplo: [1]
Para los metales que son menos electropositivos que el níquel, como el cobre , la capa inicial de níquel se puede crear sumergiendo un trozo de un metal más electropositivo, como el zinc , conectado eléctricamente al sustrato, creando así una celda galvánica en cortocircuito .
En sustratos que no son metálicos pero que son conductores de electricidad, como el grafito , la capa inicial se puede crear haciendo pasar brevemente una corriente eléctrica a través de él y del baño, como en la galvanoplastia. [ cita requerida ] Si el sustrato no es conductor, como el ABS y otros plásticos, se puede utilizar un baño activador que contenga una sal de metal noble , como cloruro de paladio o nitrato de plata , y un agente reductor adecuado. [ cita requerida ]
La activación se realiza con un grabado ácido débil, con un baño de níquel o con una solución patentada, si el sustrato no es metálico.
Después del enchapado, se aplica un revestimiento químico antioxidante o antideslustre , como fosfato o cromato , seguido de un enjuague con agua y secado para evitar manchas. Puede ser necesario hornear para mejorar la dureza y la adherencia del enchapado, recocer cualquier tensión interna y expulsar el hidrógeno atrapado que puede hacerlo quebradizo. [14]
Los procesos de deposición electrolítica de níquel-fósforo pueden modificarse sustituyendo el níquel por cobalto, total o parcialmente, con cambios relativamente pequeños. [10] Se pueden crear otras aleaciones de níquel-fósforo con baños adecuados, como el de níquel- zinc -fósforo. [15]
El recubrimiento de níquel-fósforo sin corriente eléctrica puede producir materiales compuestos que consisten en partículas sólidas diminutas incrustadas en la capa de níquel-fósforo. El procedimiento general es suspender las partículas en el baño de recubrimiento, de modo que la capa de metal en crecimiento las rodee y cubra. Este procedimiento fue desarrollado inicialmente por Odekerken en 1966 para recubrimientos de níquel- cromo electrodepositados . En ese estudio, en una capa intermedia, partículas finamente pulverizadas, como óxido de aluminio y resina de cloruro de polivinilo (PVC), se distribuyeron dentro de una matriz metálica. Al cambiar los baños, el procedimiento puede crear recubrimientos con múltiples capas de diferente composición.
La primera aplicación comercial de su trabajo fue el recubrimiento de carburo de silicio y níquel sin corriente eléctrica en el motor de combustión interna Wankel . Otro compuesto comercial en 1981 incorporó politetrafluoroetileno (PTFE de níquel-fósforo). Sin embargo, la co-deposición de partículas de diamante y PTFE fue más difícil que la de óxido de aluminio o carburo de silicio. La viabilidad de incorporar la segunda fase de partículas finas, del tamaño de un nanómetro a un micrómetro , dentro de una matriz de aleación de metal ha iniciado una nueva generación de recubrimientos compuestos. [3]
En comparación con el proceso electrolítico, una de las principales ventajas del niquelado químico es que crea un revestimiento uniforme del espesor y volumen deseados, incluso en piezas con formas complejas, huecos y agujeros ciegos. Debido a esta propiedad, a menudo puede ser la única opción. [16]
Otra ventaja importante del recubrimiento EN es que no requiere energía eléctrica, aparatos eléctricos ni plantillas ni bastidores sofisticados. [16]
Si se formula adecuadamente, el recubrimiento EN también puede proporcionar un recubrimiento menos poroso, más duro y más resistente a la corrosión y a la absorción de hidrógeno. [16]
El niquelado electrolítico también puede producir recubrimientos libres de tensión mecánica incorporada, o incluso que tengan tensión de compresión. [16]
Una desventaja es el mayor costo de los productos químicos, que se consumen en proporción a la masa de níquel depositada, mientras que en la galvanoplastia los iones de níquel se reponen mediante el ánodo de níquel metálico. Puede que se necesiten mecanismos automáticos para reponer esos reactivos durante la galvanoplastia.
Las características específicas varían según el tipo de revestimiento EN y la aleación de níquel utilizados, que se eligen para adaptarse a la aplicación.
Las propiedades metalúrgicas de la aleación dependen del porcentaje de fósforo. [17]
El niquelado electrolítico puede tener un acabado mate, semibrillante o brillante. [ cita requerida ]
Los recubrimientos de níquel-fósforo electrolíticos con menos del 7 % de fósforo son soluciones sólidas con una estructura microcristalina, con cada grano de 2 a 6 nm de ancho. Los recubrimientos con más del 10 % de fósforo son amorfos . Entre estos dos límites, el recubrimiento es una mezcla de materiales amorfos y microcristalinos. [16]
El punto de fusión de la aleación de níquel-fósforo depositada mediante el proceso EN es significativamente inferior al del níquel puro (1445 °C), y disminuye a medida que aumenta el contenido de fósforo, hasta 890 °C con aproximadamente 14 % de P. [16]
Las propiedades magnéticas de los recubrimientos disminuyen a medida que aumenta el contenido de fósforo. Los recubrimientos con más de 11,2 % de fósforo no son magnéticos. [18]
La soldabilidad de los recubrimientos con bajo contenido de fósforo es buena, pero disminuye a medida que aumentan los contenidos de P. [16]
La porosidad disminuye a medida que aumenta el contenido de fósforo, mientras que la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión aumentan. [ cita requerida ]
El níquel-fósforo electrolítico se utiliza cuando se requiere resistencia al desgaste, dureza y protección contra la corrosión. Las aplicaciones incluyen válvulas para yacimientos petrolíferos, rotores, ejes de transmisión, equipos de manipulación de papel, rieles de combustible, superficies ópticas para torneado de diamante, pomos de puertas , utensilios de cocina , accesorios de baño , herramientas eléctricas / mecánicas y equipos de oficina. [ cita requerida ]
Debido a la alta dureza del recubrimiento, se puede utilizar para recuperar piezas desgastadas. Se pueden aplicar recubrimientos de 25 a 100 micrómetros y mecanizarlos hasta obtener las dimensiones finales. Su perfil de deposición uniforme significa que se puede aplicar a componentes complejos que no son fácilmente aptos para otros recubrimientos resistentes al desgaste como el cromo duro . [ cita requerida ]
También se utiliza ampliamente en la fabricación de unidades de disco duro , como una forma de proporcionar un recubrimiento atómicamente liso a los discos de aluminio. Las capas magnéticas se depositan luego sobre esta película, generalmente mediante pulverización catódica y se terminan con capas protectoras de carbono y lubricación. [ cita requerida ]
Su uso en la industria automotriz para la resistencia al desgaste ha aumentado significativamente. Sin embargo, es importante reconocer que solo los tipos de procesos que cumplen con la Directiva de vehículos al final de su vida útil o RoHS (libres de estabilizadores de metales pesados) pueden usarse para estas aplicaciones. [ cita requerida ]
El niquelado electrolítico, cubierto por una fina capa de oro , se utiliza en la fabricación de placas de circuito impreso (PCB), para evitar la oxidación y mejorar la soldabilidad de los contactos de cobre y los orificios pasantes y vías chapados . El oro se aplica típicamente por inmersión rápida en una solución que contiene sales de oro. Este proceso se conoce en la industria como oro de inmersión de níquel electrolítico (ENIG). Una variante de este proceso agrega una fina capa de paladio electrolítico sobre el níquel, un proceso conocido por el acrónimo ENEPIG. [19]