ชุบนิเกิล คือ กระบวนการชุบผิวเพิ่มคุณสมบัติบางประการให้กับผิวชิ้นงาน เช่น เพิ่มความแข็ง(hardness) ความทนทานต่อการสึกหรอ(durability) ความสามารถในการนำไฟฟ้า(conductivity) หรือป้องกันการเกิดสนิม(rust resistant) ซึ่งกระบวนการชุบผิวนั้นใช้ธาตุนิเกิลเป็นส่วนประกอบหลักในการเคลือบผิว
กระบวนการชุบนิเกิล (Nickel Plating) มีกระบวนการชุบได้สองวิธี แบ่งได้ดังนี้
1. กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า (Electrolytic nickel plating)
2. กระบวนการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless nickel plating) หรือ (EN)
บทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับกระบวนการและวิธีการชุบนิเกิล ข้อดีและข้อเสีย รวมทั้งอุปกรณ์ทั้งหมดเพื่อให้คุณสามารถนำไปปรับใช้ได้ต่อไป
รายละเอียด ฮีตเตอร์สำหรับชุบโลหะ
สารบัญเนื้อหา
ความแตกต่างระหว่างกระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า (Electrolytic nickel plating) และ กระบวนการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless nickel plating)
กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า (Electrolytic nickel plating) เป็นกระบวนการดั้งเดิมสำหรับการชุบนิเกิล ใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เพื่อทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์นิเกิลเกิดปฎิกริยาเคมีไปเคลือบผิวชิ้นงาน ในขณะที่กระบวนการชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless nickel plating) ไม่ต้องการกระแสไฟฟ้า เป็นการใช้ปฎิกริยาทางเคมีของตัวรีดิวซ์ (Reducing agent) เพื่อเคลือบผิวเพียงอย่างเดียว
กระบวนการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN) มีข้อดีมากกว่าแบบการชุบแบบใช้ไฟฟ้าในด้าน การทนทานต่อการสึกกร่อนของผิวชิ้นนงานและมีความสม่ำเสมอของความหนาชั้นผิวนิเกิลดีกว่ามาก แต่การชุบ EN มีราคาสูงกว่ามากเช่นกัน
ดูบทความการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าอย่างละเอียดที่นี่
กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า มีลักษณะที่ให้ความหนาของชั้นผิวชิ้นงานไม่สม่ำเสมอ จะมีความหนามากในบริเวณขอบและมุมของชั้นงาน เนื่องจากมีการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้ามากกว่าบริเวณอื่น โดยการควบคุมความหนานั้น ทำได้โดยการควบคุมกระแสไฟฟ้า
รูปแสดงชั้นผิวของชิ้นงานเฟืองเปรียบเทียบระหว่างการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ซ้าย) และการชุบแบบใช้ไฟฟ้า (ขวา)
Ref : https://advancedplatingtech.com/electroless-nickel/electroless-nickel-plating-advantages/
จากรูปแสดงให้เห็นชั้นผิวนิเกิลที่สม่ำเสมอกว่าของการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ส่วนการชุบแบบใช้ไฟฟ้าจะให้ความหนามากกว่าบริเวณขอบชิ้นงานเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนอื่นๆ
รายละเอียด ฮีตเตอร์สำหรับชุบโลหะ
กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า (Electrolytic nickel plating)
กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า ใช้การผ่านอิเล็กตรอนจะสองขั้วอิเล็กโทรดที่จุ่มอยู่ลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ โดยมีฝั่งแอโนดที่เป็นขั้วบวกและฝั่งแคโทดที่เป็นขั้วลบ เมื่อมีความต่างศักย์เกิดขึ้นจากการใส่กระแสไฟฟ้าเข้าไประหว่างขั้วอิเล็คโทรดทำให้ไอออนลบในสารละลายวิ่งไปจับฝั่งแอโนดที่เป็นขั้วบวก และไอออนบวกในสารละลายวิ่งไปจับฝั่งแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ
รูปแสดงปฎิกิริยาเคมีของกระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า
Ref : Nickel plating handbook 2014
https://nickelinstitute.org/
ในขณะที่กระบวนการดำเนินไป ไอออนบวกของโลหะที่วิ่งไปจับที่ผิวขั้วแคโทด (ซึ่งในที่นี้คือชิ้นงาน) และเกิดการเคลือบผิวชิ้นงานโดยโลหะที่ต้องการชุบนั่นเอง
ขั้นตอนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้าบนโลหะ
ขั้นตอนการชุบนิเกิล จะมีขั้นตอนการเตรียมผิวก่อนลงบ่อชุบนิเกิลเหมือนกันการชุบโครมเมี่ยม นั่นคือ มีการเตรียมผิวชิ้นงาน การล้างทำความสะอาด การกัดเปิดผิวชิ้นงาน และการชุบนิเกิลไฟฟ้า
ดูรายละเอียด การชุบโครเมี่ยม
ขั้นตอนการเตรียมผิวชิ้นงาน
การขัดและซ่อมแซมผิวโลหะ เนื่องจากกาชุบนิเกิลไม่สามารถปกปิดร่องรอยบนผิวชิ้นงานได้ ถ้าหากมีร่องรอยจะทำให้ผิวชิ้นงานไม่สวยงาม
การล้างทำความสะอาดพื้นผิวและคราบไขมันบนพื้นผิวชิ้นงาน ( cleaning and degreasing )
เพื่อชะล้างเศษซาก ทราย และคราบไขมันที่เกาะอยู่บนชิ้นงาน โดยทั่วไปมีขั้นตอนดังนี้
2.1 จุ่มชิ้นงานลงในบ่อชะล้างโซดาไฟ ( Caustic bath cleaning )
ขั้นตอนนี้ใช้สารละลายโซดาไฟเพื่อชะล้างคราบไขมัน โดยให้ความร้อนโซดาไฟที่ อุณหภูมิประมาณ 60-70 องศาเซลเซียส ด้วย ฮีตเตอร์สแตนเลส หรือ ฮีตเตอร์ไทเทเนียม ใช้เวลาประมาณ 5-10 นาที หรือแล้วแต่ความเหมาะสมของชิ้นงานแต่ละชิ้น หลังจากน้ำทำการจุ่มล้างด้วยน้ำเปล่า
2.2 จุ่มชิ้นงานลงในบ่อล้างด้วยไฟฟ้า ( Anodic Electrocleaning )
เหมาะกับชิ้นงานที่เป็นโลหะส่วนใหญ่ แต่ไม่นิยมใช้กับ ชิ้นงานพลาสติก และโลหะที่สามารถละลายในสารละลายอัลคาไลน์ได้ เช่น อลูมิเนียม โครเมี่ยม ดีบุก ตะกั่ว ทองแดง แมกนีเซียม และอื่นๆ
ขั้นตอนนี้ใช้เพื่อทำความสะอาดสิ่งที่บ่อโซดาไฟไม่สามารถชะล้างออกได้ วิธีการทำคือการนำชิ้นงานมาต่อกับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อทำให้เป็นขั้วแอโนด และใช้แผ่นล่อหรือแผ่นโครเมี่ยมตะกั่วต่อกับขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟเพื่อทำให้เป็นขั้วแคโทด ส่วนสารละลายขึ้นอยู่กับชนิดของชิ้นงาน เช่น ไซยาไนด์ หรืออื่นๆ
การกัดเปิดผิวชิ้นงาน ( Etching surface )
ในขั้นตอนการกัดเปิดผิวชิ้นงาน ( etching process ) ก่อนการชุบโครเมี่ยม มีวิธีและสาระลายที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทวัสดุของชิ้นงานที่ใช้ชุบโครม เช่น กรดซัลฟิวริก ( sulfuric acids ), กรดไฮโดรคลอริก ( hydrochloric ) , กรดไฮโดรฟลูออริก ( hydrofluoric ) , หรือ เฟอริกคลอไรด์ ( Ferric chloride ) เป็นต้น และใช้แอโนดชนิดตะกั่ว–ดีบุกสำหรับทำขั้วแอโนด
ทั้งนี้ชนิดสารละลาย ความเข้มข้นสารละลาย ปริมาณกระแสไฟฟ้า อุณหภูมิสารละลาย และ เวลาที่ใช้ ขึ้นอยู่กับชนิดและความเชี่ยวชาญของผู้ทำงานแต่ละคน ซึ่งผู้ขายสารเคมีส่วนใหญ่สามารถแนะนำให้ท่านได้
การชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า (Electrolytic nickel plating)
ขั้นตอนการชุบนิเกิลมีหลากหลายประเภทและสารเคมีที่ใช้ ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์การใช้งาน ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น Watts Nickel , Sulphamate Nickel , Fluoborate , All-Chloride , All-Sulphate , High Sulphate , Hard Nickel , Black Nickel ซึ่งจะอธิบายอย่างละเอียดต่อไป
ประเภทของการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า
-
Watts Nickel
นิยมใช้การชุบแบบนี้อย่างแพร่หลายเนื่องจากมีต้นทุนต่ำและประยุกต์ใช้ได้อหลากหลายโดยเฉพาะสำหรับชิ้นงานที่ชุบเพื่อต้องการความสวยงามส่วนประกอบหลักได้แก่ nickel sulphate, nickel chloride และ boric Acid โดยมีเงื่อนไขการทำงานดังตารางต่อไปนี้
Nickel Sulphamate [Ni(NH2SO3)]2•4H2O)]
300-500 g/L
Nickel Chloride (NiCl2•6H2O)
0 – 30 g/L
Boric Acid (H3BO3)
30 g/L
Boric Acid (H3BO3)
30 g/L
อุณหภูมิ
40 – 60 C
pH
3.5 – 4.5
กระแสไฟฟ้า
2 – 15 A/dm2
อัตราเร็วการชุบ
25-185 μm/h
-
Fluoborate
มีคุณสมบัติทางกลเหมือนการชุบแบบ Watt Nickel แต่สามารถชุบด้วยอัตราเร็วและกระแสไฟฟ้าสูง ซึ่งมีข้อจำกัดที่การชุบด้วยวิธีนี้มีต้นทุนสูง และสารเคมีมีฤทธิ์กัดกร่อนสูงมาก
Nickel Flouborate
225-300 g/L
Nickel Chloride
0-15 g/L
Boric Acid
15-20 g/L
อุณหภูมิ
38-70 C
pH
2.5 -4
กระแสไฟฟ้า
3 – 30 A/dm2
-
All-Chloride
เป็นอีกวิธีเมื่อต้องการชุบด้วยอัตรากระแสไฟฟ้าสูง ซึ่งสารเคมีที่ใช้สารเคมีมีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ต้องใช้ความระวังและเครื่องป้องกันสำหรับผู้ปฎิบัติงาน
Nickel Chloride
225-300 g/L
Boric Acid
30-35 g/L
อุณหภูมิ
50 – 70 C
pH
1 – 4
กระแสไฟฟ้า
2.5 – 10 A/dm2
-
All-Sulphate
การชุบแบบนี้นิยมใช้สำหรับการชุบนิเกิลสำหรับงานส่วนประกอบประปาและข้อต่อ ต้องใช้แอโนดที่ไม่ละลายในสารละลาย เช่น แอโนดตะกั่ว และควบคุมค่า pH ด้วยการใช้สาร Nickel Carbonate
Nickel Sulphate
225 – 410 g/L
Boric Acid
30-35 g/L
อุณหภูมิ
38 – 70 C
pH
1.5 – 4
กระแสไฟฟ้า
1 – 10 A/dm2
-
High Sulphate
นิยมใช้สำหรับการชุบนิเกิลในบ่อ Strike bath ก่อนการชุบซิงค์สำหรับงานชุบชิ้นส่วนอลูมิเนียม
Nickel Sulphate
75 – 100 g/L
Sodium Sulphate
75 – 100 g/L
Ammonium Chloride
15 – 35 g/L
Boric Acid
15 g/L
อุณหภูมิ
20 – 32 C
pH
5.3 – 5.8
กระแสไฟฟ้า
0.5 – 2.5 A/dm2
-
Hard Nickel
กระบวนการนี้ช่วยให้ผิวที่ผ่านการชุบมีความแข็งและทนทานต่อการสึกกร่อนมากขึ้น โดยการควบคุม pH , อุณหภูมิสูง , และกระแสไฟฟ้าสูง
Nickel Sulphate
180 g/L
Ammonium Chloride
25 g/L
Boric Acid
30 g/L
อุณหภูมิ
43 – 60 C
pH
5.6 – 5.9
กระแสไฟฟ้า
2 – 10 A/dm2
-
Black Nickel
เป็นกระบวนการชุบนิเกิลเพื่อความสวยงาม ชั้นผิวการชุบไม่หนามาก ส่วนใหญ่ใช้ในการชุบบนชั้นผิวนิเกิลเงาอีกทีหนึ่ง
Nickel Sulphate
100 g/L
Ammonium Chloride
15 g/L
Zinc Sulphate
22 g/L
Sodium Thiocyanate
15 g/L
อุณหภูมิ
26 – 32 C
pH
5.5 – 6
กระแสไฟฟ้า
0.2 A/dm2
รายละเอียด ฮีตเตอร์สำหรับชุบโลหะ
สรุป
กระบวนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้า สามารถทำได้หลากหลายวิธีขึ้นอยู่กับงบประมาณและลักษณะงานที่ใช้ นอกจากนี้ยังมีการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN) ที่นิยมกันมากในอุตสาหกรรมอิเล็คทรอนิกส์ ซึ่งจะอธิบายอย่างละเอียดในบทความ การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN)
Ref : https://advancedplatingtech.com/electroless-nickel/electroless-nickel-plating-advantages/
Ref : Nickel plating handbook 2014 , https://nickelinstitute.org/