Recubrimiento químico de níquel-fósforo

Antes del recubrimiento, la superficie del material debe limpiarse minuciosamente. Los sólidos no deseados que quedan en la superficie provocan un recubrimiento deficiente. La limpieza generalmente se logra mediante una serie de baños químicos, que incluyen disolventes no polares para eliminar aceites y grasas, así como ácidos y álcalis para eliminar óxidos, compuestos orgánicos insolubles y otros contaminantes superficiales. Después de aplicar cada baño, la superficie debe enjuagarse completamente 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 al recubrimiento. ^{[ 14 ]}

Los principales ingredientes de un baño de niquelado químico son la fuente de cationes de níquel Ni ²⁺, generalmente sulfato de níquel y un agente reductor adecuado, como el hipofosfito H₂ PO ⁻ ₂ oborohidruroBH ⁻ ₄ . ^{[ 1 ]} Con hipofosfito, la reacción principal que produce el recubrimiento de níquel produceortofosfitoH₂ PO ⁻ ₃ , fósforo elemental, protonesH ⁺y el hidrógeno molecular H₂ : ^{[ 1 ]}

2 Ni ²⁺+ 8 H₂ PO ⁻ ₂ + 2H₂ O→ 2Ni₀ (s) + 6H₂ PO ⁻ ₃ + 2H ⁺+ 2 P (s) + 3 H₂ (g)

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 espontáneamente una vez que se ha formado una capa inicial de níquel en la superficie. ^{[ 1 ]}

El baño de galvanoplastia también suele incluir:

• Agentes complejantes , como ácidos carboxílicos o aminas, para aumentar la solubilidad del fosfato y prevenir el fenómeno de blanqueamiento radiactivo al ralentizar la reacción.
• Estabilizadores, como sales de plomo , compuestos de azufre o diversos compuestos orgánicos, para ralentizar la reducción mediante la codeposición con el níquel.
• Los tampones se utilizan para mantener la acidez del baño. Muchos agentes complejantes actúan como tampones.
• Se utilizan abrillantadores, como sales de cadmio o ciertos compuestos orgánicos, para mejorar el acabado superficial. Generalmente se codepositan con níquel (al igual que los estabilizadores).
• Tensioactivos, para mantener la capa depositada hidrofílica con el fin de reducir la formación de picaduras y manchas.
• Aceleradores, como ciertos compuestos de azufre, para contrarrestar la reducción de la velocidad de deposición causada por los agentes complejantes. Generalmente se codepositan y pueden causar decoloración.

Debido al carácter autocatalítico de la reacción, la superficie a recubrir debe activarse haciéndola hidrofílica y, posteriormente, asegurarse de que esté compuesta de un metal con actividad catalítica. Si el sustrato no está hecho de uno de estos metales, se debe depositar previamente una fina capa de alguno de ellos mediante 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 ]}

Fe₀ (s) +Ni ²⁺(aq) → Ni₀ (s) +Fe ²⁺(ac)

2 Al₀ (s) + 3Ni ²⁺(aq) → 3 Ni₀ (s) + 2Al ³⁺(ac)

Para metales 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 no metálicos pero sí conductores de electricidad, como el grafito , la capa inicial se puede crear haciendo pasar brevemente una corriente eléctrica a través del sustrato y del baño, como en la galvanoplastia. 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.

La activación se realiza mediante un grabado con ácido débil, un ataque de níquel o una solución patentada, si el sustrato no es metálico.

Tras el recubrimiento, se aplica una capa química antioxidante o anti- deslustre , como fosfato o cromato , seguida de un enjuague con agua y un secado para evitar manchas. Puede ser necesario un horneado para mejorar la dureza y la adhesión del recubrimiento, recocer cualquier tensión interna y expulsar el hidrógeno atrapado que podría hacerlo quebradizo. ^{[ 14 ]}

Los procesos de recubrimiento químico 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 níquel- zinc -fósforo. ^{[ 15 ]}

El recubrimiento químico de níquel-fósforo permite obtener materiales compuestos formados por diminutas partículas sólidas incrustadas en la capa de níquel-fósforo. El procedimiento general consiste en suspender las partículas en el baño de recubrimiento, de modo que la capa metálica en crecimiento las rodee y cubra. Este procedimiento fue desarrollado inicialmente por Odekerken en 1966 para recubrimientos de níquel- cromo electrodepositados . En dicho 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 modificar los baños, el procedimiento permite crear recubrimientos con múltiples capas de diferente composición.

La primera aplicación comercial de su trabajo fueron los recubrimientos de níquel- carburo de silicio sin electrólisis 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, de tamaño nanométrico a micrométrico , dentro de una matriz de aleación metálica ha dado inicio a una nueva generación de recubrimientos compuestos. ^{[ 3 ]}

En comparación con el proceso electrolítico, una ventaja importante del niquelado químico es que crea un recubrimiento 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 y bastidores sofisticados. ^{[ 16 ]}

Si se formula correctamente, 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 químico también puede producir recubrimientos que no presenten tensiones mecánicas internas, o incluso que presenten tensiones 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. Podrían ser necesarios mecanismos automáticos para reponer estos reactivos durante el proceso de galvanoplastia.

Las características específicas varían según el tipo de recubrimiento de níquel electrolítico y la aleación de níquel utilizada, que se eligen en función de la aplicación.

Las propiedades metalúrgicas de la aleación dependen del porcentaje de fósforo. ^{[ 17 ]}

• Los recubrimientos con bajo contenido de fósforo tienen hasta un 4% de contenido de P. Su dureza alcanza hasta 60 en la escala Rockwell C.

• Los recubrimientos de fósforo medio , el tipo más común, se definen como aquellos con un contenido de P de entre el 4 y el 10 %, aunque el rango depende de la aplicación: hasta un 4-7 % para aplicaciones decorativas, un 6-9 % para aplicaciones industriales y un 4-10 % para electrónica.

• Los recubrimientos con alto contenido de fósforo contienen entre un 10 % y un 14 % de P. Son los preferidos para piezas que estarán expuestas a entornos ácidos altamente corrosivos, como la perforación petrolífera y la minería del carbón. Su dureza puede alcanzar hasta 600 en la prueba Vickers . Cabe destacar que la dureza Vickers no es fácilmente comparable con la escala Rockwell.

El niquelado químico puede tener un acabado mate, semibrillante o brillante.

Los recubrimientos de níquel-fósforo sin electrólisis con menos del 7 % de fósforo son soluciones sólidas con una estructura microcristalina, donde cada grano mide entre 2 y 6 nm . 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 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 con el aumento del contenido 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.

El niquelado químico, recubierto con una fina capa de oro , se utiliza en la fabricación de placas de circuitos impresos (PCB) para evitar la oxidación y mejorar la soldabilidad de los contactos de cobre y los orificios pasantes y vías metalizados . El oro se aplica típicamente mediante inmersión rápida en una solución que contiene sales de oro. Este proceso se conoce en la industria como niquelado químico por inmersión en oro (ENIG). Una variante de este proceso añade una fina capa de paladio químico sobre el níquel, un proceso conocido por el acrónimo ENEPIG. ^{[ 19 ]}