การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless Nickel plating)  หรือ ที่เรียกกันทั่วไปว่า การชุบ EN คือ การชุบนิเกิ้ลที่ใช้การควบคุมการเกิดปฏิกริยาเคมี โดยไม่จำเป็นต้องผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงในถังชุบ ใช้เพียงปฎิกิริยาที่เคมีที่เกิดจากการให้อิเล็กตรอนของสารตัวรีดิวซ์ (Reducing agent) และการรับอิเล็กตรอนของสารอ๊อกซิเดชั่น (Oxidation) ทำให้เกิดการเคลือบผิวบนฝั่งแคโทดเกิดขึ้น        

          กระบวนการการทางเคมีที่เกิดขึ้นโดยปราศจากการใช้กระแสไฟฟ้านี้ เรียกว่า Autocatalytic reaction ซึ่งจะเกิดการเคลือบชั้นผิวบนชิ้นงานได้ทุกรูปร่างและซอกมุมในชิ้นงานด้วยความหนาที่เท่าๆกันทุกพื้นผิว และยังสามารถเคลือบชั้นผิวชิ้นงานที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พลาสติก ได้อีกด้วยบทความนี้จะอธิบายการชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า หรือ การชุบ EN โดยละเอียดเพื่อให้ผู้อ่านสามารถนำไปประยุกต์ใช้ต่อไปได้ด้วยตนเอง

การชุบนิเกิ้ลไม่ใช้ไฟฟ้า คือ อะไร ?

          การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่ช่วยให้เคลือบวัตถุด้วยชั้นนิกเกิ้ลบางๆ ซึ่งแตกต่างจากการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิมซึ่งต้องการทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาและกระแสตรงเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่

          การชุบนิกเกิ้ลด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีสำหรับการฝากนิเกิ้ลเป็นชั้นบาง ๆ ของโลหะบนพื้นผิวที่เป็นของแข็ง ในทางกลับกัน การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางเคมีสำหรับการชุบนิกเกิลบนพื้นผิวโดยไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า

          กระบวนการทั้งสองนี้ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าสามารถใช้ได้ในหลายลักษณะ เช่น ในอุปกรณ์แปรรูปอาหาร เครื่องมือทางการแพทย์ และเครื่องจักรสิ่งทอ

          ในทางกลับกัน การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าเพื่อเริ่มปฎิกริยาเคมี แต่ใช้สารรีดิวซ์ทางเคมี เช่น (Reducing agent) เช่น ฟอสฟอรัส ที่ช่วยให้เกิดการชุบนิเกิ้ลบนวัตถุ กระบวนการนี้มีประโยชน์มากมายมากกว่าการชุบด้วยไฟฟ้าแบบเดิม เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้นและการยึดเกาะที่ดีขึ้น

          การชุบนิเกิ้ลไม่ใช้ไฟฟ้า ให้ความทนทานต่อการกัดกร่อนและการหล่อลื่นได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการชุบนิเกิ้ล แบบอิเล็กโทรไลต์ หรือที่เรียกว่าการเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ การชุบนิเกิ้ลไม่ใช้ไฟฟ้าเหมาะกับงานที่ต้องการความแม่นยำเนื่องจากการเคลือบของชั้นผิวของนิเกิ้ลนั้นมีความสม่ำเสมอ

การชุบนิเกิ้ลไม่ใช้ไฟฟ้า คือ อะไร ?

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นเรื่องปกติในอุตสาหกรรมเหล่านี้

  • อุตสาหกรรมยานยนต์
  • โรงานอุตสาหกรรม
  • การบินและอวกาศ
  • อุตสาหกรรมทหาร
  • ปิโตรเคมี
  • การจัดการกระดาษและลูกฟูก
  • การเคลือบผิวเครื่องจักร (ปั๊มขึ้นรูปเหล็กดัดฉีดพลาสติก)

พื้นฐานการชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า หรือ การชุบ EN

         กระบวนการชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าสามารถแบ่งได้หลากหลายประเภท หลายแบบ ขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่ใช้ เช่น เพิ่มความทนทานต่อการสึกกร่อนของผิว เพิ่มความทนทานต่อการเสียดสี เพื่อให้ความหนาของชั้นผิวการชุบเท่ากันทั้งชิ้นงาน เพื่อชุบบนชิ้นงานที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พลาสติก หรือ เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้า         โดยมีสัดส่วนทั่วไปสำหรับการใช้งาน การชุบ EN ดังนี้

สัดส่วนการชุบ EN

ปฎิกิริยาเคมีและส่วนประกอบเคมีของการชุบ EN

ปฎิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นของการชุบ EN (แบบ hypophosphite)แสดงได้ตามสมการเคมี ดังต่อไปนี้

NiSO4 + H2O → Ni2+ + SO42 – + H2O

NaH2PO2 + H2O → Na+ + H2PO2 + H2O

 (Oxidation)     H2PO2– + H2O (CATALYST)→ H2PO3 + H2

     Ni2+ + H2PO2– + H2O → Ni + H2PO3 + 2H+

โดยจะมีส่วนประกอบของสารเคมีดังนี้

สารประกอบนิเกิ้ล (Nickel source)

ส่วนใหญ่จะเป็นเกลือของนิเกิ้ลที่ละลายได้ (Nickel salt) ซึ่งการเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลาย ความบริสุทธิ์ และราคา สารเคมีที่นิยมใช้กันมากที่สุด คือ นิเกิ้ลซัลเฟต (NiSO4 , Nickel sulfate) และยังมี นิเกิ้ลซัลฟาเมต (Ni(SO3NH2)2 , Nickel sulfamate) , นิเกิ้ลคลอไรด์ ( NiCl2 , Nicel Chloride) , นิเกิ้ลอะซิเตต ( Ni(OCOCH3)2 , Nickel acetate ) และ นิเกิ้ลไฮโปฟอสไฟต์ (NiO4P2 , Nickel Hypophosphite) ที่นิยมใช้ด้วยเช่นกัน

ตัวรีดิวซ์ (Reducing agent)

เป็นสารประกอบที่ทำให้หน้าให้อิเล็กตรอนเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา autocatalyticสารเคมีที่นิยมใช้ ได้แก่ โซเดียมไฮโปฟอสไฟต์ (NaPO2H2 ,Sodium hypophosphite) , โซเดียมโบโรไฮไดรด์ (NaBH4 , Sodium borohydride) และ ไดเมทไทลามีน โบเรน ( (CH3)2NH , Dimethylamine borane)

Complexing agents

เป็นสารประกอบที่ช่วยให้ควบคุมสารประกอบของนิเกิ้ลให้สเถียรไม่แตกตัวเป็นไอออนก่อนเกิดปฏิกิริยา autocatalytic สารประกอบที่นิยมขึ้นอยู่กับประเภทของงาน เช่น  กรดคาร์บอกซิลิก ((C=O) -OH, Carboxylic acids) หรือ เอมีน (Amines)

Neutralizers/buffers

เมื่อเกิดปฎิกิริยาการชุบ EN จะเกิดไอออนของไฮโดรเจนและแก๊สไฮโดรเจนขึ้น ทำให้ความเป็นกรดในสารละลายทั้งหมดสูงขึ้น (pH ลดลง) สารประกอบ Buffer จะช่วยลดการสวิงของ pH สารประกอบที่นิยมใช้ได้แก่ แอมโมเนียม ไฮดรอกไซด์ (NH4OH, Ammonium hydroxide) ,  โซดาไฟ (NaOH , sodium hydroxide) และ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH,Potassium hydroxide)

Stabilizers

ช่วยควบคุมและลดอัตราการเกิดปฎิกิริยาการชุบ นิยมใช้สารประกอบของตะกั่วหรือซัลเฟอร์

Brighteners

เพิ่มความสวยงามของผิวการชุบ EN นิยมใช้สารประกอบแคดเมียมมากที่สุด

ขั้นตอนการชุบนิเกิลแบบใช้ไฟฟ้าบนโลหะ

          ขั้นตอนการชุบนิเกิล จะมีขั้นตอนการเตรียมผิวก่อนลงบ่อชุบนิเกิลเหมือนกันการชุบโครมเมี่ยม นั่นคือ มีการเตรียมผิวชิ้นงาน การล้างทำความสะอาด การกัดเปิดผิวชิ้นงาน และการชุบนิเกิลไฟฟ้าดูรายละเอียด 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 และใช้แอโนดชนิดตะกั่วดีบุกสำหรับทำขั้วแอโนด          ทั้งนี้ชนิดสารละลาย ความเข้มข้นสารละลาย ปริมาณกระแสไฟฟ้า อุณหภูมิสารละลาย และ เวลาที่ใช้ ขึ้นอยู่กับชนิดและความเชี่ยวชาญของผู้ทำงานแต่ละคน ซึ่งผู้ขายสารเคมีส่วนใหญ่สามารถแนะนำให้ท่านได้

การชุบนิเกิ้ลแบบไม้ใช้ไฟฟ้า (Electroless nickel plating)

การชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN) มีหลากหลายวิธี เช่น

  • Nickel Phosphorus
  • Nickel Boron
  • Composite EN coatings
  • Ternary alloys

ประเภทของการชุบนิเกิ้ลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless Nickel plating)

         การชุบ EN นั้นสามารถแบ่งได้หลากหลายประเภท ขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่ใช้ โดยแต่ละลักษณะงานจะมีส่วนประกอบของเคมีที่ใช้และสภาพการชุบที่แตกต่างกัน โดยสามารถแบ่งตามสารเคมี 

Nickel Phosphorus

หรือ เรียกว่า Ni-P systems กระบวนการนี้ให้พื้นผิวที่มีความเรียบลื่น แรงเสียดทานบนพื้นผิวน้อย พื้นผิวหลังจากชุบนิเกิ้ลแล้วมีความแข็งและยังสามารถเพิ่มความแข็งหลังการชุบนิเกิ้ลได้ด้วยการทำ heat treatment อีกด้วย

Nickel Boron

นิยมใช้อย่างมากสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนอากาศยาน การชุบนิเกิ้ลแบบนี้ทำให้มีการนำไฟฟ้าของชิ้นงานดีมาก นอกจากนี้ยังเพิ่มจุดหลอมเหลวและความทนทานการเสียดสีอีกด้วย

Composite EN coatings

ทำจากสารต่างๆ เช่น พอลิเตตระฟลูออโรอีเทน (PTFE) หรืออนุภาคแข็ง เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ ชิ้นส่วนที่เคลือบด้วย PTFE มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำมาก อนุภาคแข็งที่สะสมร่วมกันช่วยให้เราทนต่อการสึกหรอได้ดีขึ้น

Ternary alloys

Poly-alloys เรียกอีกอย่างว่า allotri ประกอบด้วยธาตุมากกว่า 2 ชนิด และตัวอย่างของ allotri คือ nickel phosphorus tungsten ซึ่งให้การเคลือบที่แข็งมาก