El revestimiento de níquel-fósforo no electrolítico , también conocido como níquel electrónico , es un proceso químico que deposita una capa uniforme de aleación de níquel - fósforo en la superficie de un sustrato sólido, como metal o plástico . El proceso implica sumergir el sustrato en una solución acuosa que contiene sal de níquel y un agente reductor que contiene fósforo, generalmente unasal de hipofosfito . [1] Es la versión más común de niquelado no electrolítico (enchapado EN) y a menudo se le conoce con ese nombre. Un proceso similar utiliza unagente reductor de borohidruro , lo que produce en su lugar 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 consigue por medios puramente químicos, mediante una reacción autocatalítica . Esto crea una capa uniforme de metal independientemente de la geometría de la superficie, a diferencia de la galvanoplastia, que sufre una densidad de corriente desigual debido al efecto de la forma del sustrato sobre la resistencia eléctrica del baño y, por tanto, sobre la distribución de corriente dentro del mismo. [2] Además, se puede aplicar a superficies no conductoras .
Tiene multitud de aplicaciones industriales, desde las meramente decorativas hasta la prevención de la corrosión y el desgaste. Se puede utilizar 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 (utilizando tanto hipofosfito como ortofosfito) para el revestimiento de metales en general. [5]
Sin embargo, el invento de Roux no parece haber recibido mucho uso comercial. En 1946, Abner Brenner y Grace E. Riddell, de la Oficina Nacional de Normas , redescubrieron accidentalmente el proceso . 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 superaba el límite teórico de la ley de Faraday . [6] [7]
Brenner y Riddel presentaron su descubrimiento en la Convención de 1946 de la Sociedad Estadounidense de Electroplaters (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 necesaria ]
Durante 1954-1959, un equipo dirigido por Gregorie Gutzeit de 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 las espontáneas. declaración. También estudiaron la química del proceso. [ dieciséis]
En 1969, Harold Edward Bellis de DuPont presentó una patente para una clase general de procesos que utilizan borohidruro de sodio , dimetilamina borano 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 entre el 0,1 y el 12%, y el de talio entre el 0,5 y el 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 del revestimiento, se debe limpiar a fondo la superficie del material. Los sólidos no deseados que quedan en la superficie provocan un revestimiento deficiente. La limpieza generalmente se logra 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, se debe enjuagar bien la superficie con agua para eliminar cualquier residuo de los químicos de limpieza. [14]
Las tensiones internas en el sustrato creadas por mecanizado o soldadura pueden afectar el revestimiento. [14]
Los ingredientes principales de un baño de niquelado no electrolítico son una fuente de cationes de níquel Ni .2+
, generalmente sulfato de níquel y un agente reductor adecuado, como hipofosfito H
2correos−
2o borohidruro BH−
4. [1]
Con el hipofosfito, la principal reacción que produce el niquelado produce ortofosfito H.
2correos−
3, fósforo elemental, protones H+
e hidrógeno molecular H
2: [1]
Esta reacción es catalizada por algunos metales, incluidos el cobalto , el paladio , el rodio y el propio níquel. Debido a esto último, la reacción es autocatalítica y se desarrolla de forma espontánea una vez que se ha formado una capa inicial de níquel en la superficie. [1]
El baño de revestimiento también suele incluir:
Debido al carácter autocatalítico de la reacción, la superficie a recubrir debe activarse haciéndola hidrófila y luego asegurándose de que esté compuesta de un metal con actividad catalítica. Si el sustrato no está hecho de uno de esos metales, entonces se debe depositar primero una capa delgada de uno de ellos, mediante algún otro proceso.
Si el sustrato es un metal que es 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 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 sí conductores de electricidad, como el grafito , la capa inicial se puede crear haciendo pasar brevemente una corriente eléctrica a través de ella y del baño, como en la galvanoplastia. [ cita necesaria ] Si el sustrato no es conductor, como 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 necesaria ]
La activación se realiza con un grabado ácido débil, un golpe de níquel o una solución patentada, si el sustrato no es metálico.
Después del enchapado, se aplica un recubrimiento químico antioxidante o antideslustre , como fosfato o cromato , seguido de enjuague con agua y secado para evitar manchas. Puede ser necesario hornear para mejorar la dureza y la adhesión del revestimiento, recocer cualquier tensión interna y expulsar el hidrógeno atrapado que puede hacerlo quebradizo. [14]
Los procesos de recubrimiento de níquel-fósforo no electrolítico pueden modificarse sustituyendo el níquel por cobalto , total o parcialmente, con cambios relativamente pequeños. [10] Con baños adecuados se pueden crear otras aleaciones de níquel-fósforo, como por ejemplo níquel- cinc -fósforo. [15]
El revestimiento de níquel-fósforo no electrolítico puede producir materiales compuestos que consisten en diminutas partículas sólidas incrustadas en la capa de níquel-fósforo. El procedimiento general consiste en suspender las partículas en el baño de revestimiento, de modo que la capa de metal en crecimiento las rodee y las cubra. Este procedimiento fue desarrollado inicialmente por Odekerken en 1966 para recubrimientos de níquel- cromo electrodepositados . En ese estudio, en una capa intermedia, se distribuyeron partículas finamente pulverizadas, como óxido de aluminio y resina de cloruro de polivinilo (PVC), 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 fueron los recubrimientos no electrolíticos de carburo de silicio y níquel en el motor de combustión interna Wankel . Otro compuesto comercial en 1981 incorporó politetrafluoroetileno (PTFE de níquel-fósforo). Sin embargo, la codeposición 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 metálica ha iniciado una nueva generación de recubrimientos compuestos. [3]
En comparación con el proceso electrolítico, una ventaja importante del niquelado no electrolítico es que crea una capa 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. [dieciséis]
Otra ventaja importante del revestimiento EN es que no requiere energía eléctrica, aparatos eléctricos ni soportes ni bastidores sofisticados. [dieciséis]
Si se formula adecuadamente, el revestimiento EN también puede proporcionar un recubrimiento menos poroso, más duro y más resistente a la corrosión y la absorción de hidrógeno. [dieciséis]
El niquelado electrolítico también puede producir recubrimientos libres de tensión mecánica incorporada o incluso con tensión de compresión. [dieciséis]
Una desventaja es el mayor coste 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 metálico de níquel. Es posible que se necesiten mecanismos automáticos para reponer esos reactivos durante el recubrimiento.
Las características específicas varían según el tipo de revestimiento EN y 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 necesaria ]
Los recubrimientos de níquel-fósforo no 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 de un 10% de fósforo son amorfos . Entre estos dos límites, el recubrimiento es una mezcla de materiales amorfos y microcristalinos. [dieciséis]
El punto de fusión de la aleación de níquel-fósforo depositada mediante el proceso EN es significativamente menor que el del níquel puro (1445 °C) y disminuye a medida que aumenta el contenido de fósforo, hasta 890 °C con aproximadamente un 14 % de P. [16]
Las propiedades magnéticas de los recubrimientos disminuyen al aumentar el contenido de fósforo. Los recubrimientos con más del 11,2% de P no son magnéticos. [18]
La soldabilidad de los recubrimientos con bajo contenido de fósforo es buena, pero disminuye al aumentar el contenido de P. [dieciséis]
La porosidad disminuye a medida que aumenta el contenido de fósforo, mientras que aumentan la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión. [ cita necesaria ]
El níquel-fósforo no 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 con diamante, perillas de puertas , utensilios de cocina , accesorios de baño , herramientas eléctricas / mecánicas y equipos de oficina. [ cita necesaria ]
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 alcanzar las dimensiones finales. Su perfil de deposición uniforme significa que se puede aplicar a componentes complejos que no se adaptan fácilmente a otros recubrimientos resistentes como el cromo duro . [ cita necesaria ]
También se utiliza ampliamente en la fabricación de unidades de disco duro , como una forma de proporcionar un recubrimiento atómicamente suave a los discos de aluminio. Luego, las capas magnéticas se depositan sobre esta película, generalmente mediante pulverización catódica y acabado con capas protectoras de carbón y lubricación. [ cita necesaria ]
Su uso en la industria automotriz para la resistencia al desgaste ha aumentado significativamente. Sin embargo, es importante reconocer que para estas aplicaciones solo se pueden utilizar tipos de procesos que cumplan con la Directiva sobre vehículos al final de su vida útil o con RoHS (libres de estabilizadores de metales pesados). [ cita necesaria ]
El niquelado electrolítico, recubierto 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 de los orificios y vías pasantes chapados . El oro normalmente se aplica mediante inmersión rápida en una solución que contiene sales de oro. Este proceso se conoce en la industria como oro por inmersión en níquel no electrolítico (ENIG). Una variante de este proceso añade una fina capa de paladio no electrolítico sobre el níquel, proceso conocido con el acrónimo ENEPIG. [19]