ชุบนิเกิล

           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

ชุบนิเกิล

วีดีโอที่ 1 แสดงขั้นตอนการชุบนิเกิล

Credit : https://www.youtube.com/watch?v=xaPv_4Ql17U

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

ชั้นผิวนิเกิล

รูปแสดงชั้นผิวของชิ้นงานเฟืองเปรียบเทียบระหว่างการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ซ้าย) และการชุบแบบใช้ไฟฟ้า (ขวา)

Ref : https://advancedplatingtech.com/electroless-nickel/electroless-nickel-plating-advantages/

          จากรูปแสดงให้เห็นชั้นผิวนิเกิลที่สม่ำเสมอกว่าของการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ส่วนการชุบแบบใช้ไฟฟ้าจะให้ความหนามากกว่าบริเวณขอบชิ้นงานเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนอื่นๆ

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 และใช้แอโนดชนิดตะกั่วดีบุกสำหรับทำขั้วแอโนด

          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

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/

Ref : https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_electroplating