ชุบนิเกิ้ล แบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN)

การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless Nickel plating) หรือ ที่เรียกกันทั่วไปว่า การชุบ EN คือ การชุบนิเกิลที่ใช้การควบคุมการเกิดปฏิกริยาเคมี โดยไม่จำเป็นต้องผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงในถังชุบ ใช้เพียงปฏิกิริยาที่เคมีที่เกิดจากการให้อิเล็กตรอนของสารตัวรีดิวซ์ (Reducing agent) และการรับอิเล็กตรอนของสารอ๊อกซิเดชั่น (Oxidation) ทำให้เกิดการเคลือบผิวบนฝั่งแคโทดเกิดขึ้น กระบวนการการทางเคมีที่เกิดขึ้นโดยปราศจากการใช้กระแสไฟฟ้านี้ เรียกว่า Autocatalytic reaction ซึ่งจะเกิดการเคลือบชั้นผิวบนชิ้นงานได้ทุกรูปร่างและซอกมุมในชิ้นงานด้วยความหนาที่เท่าๆกันทุกพื้นผิว และยังสามารถเคลือบชั้นผิวชิ้นงานที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พลาสติก ได้อีกด้วย

น้ำยาชุบหลายชนิดมีสารอันตราย ผู้ทำงานต้องใช้อุปกรณ์ป้องกัน บ่อต้องมีระบบดูดไอ น้ำเสียต้องบำบัดตามกฎหมาย และไม่ควรทดลองชุบเองที่บ้าน

การชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้า คือ อะไร ?

การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่ช่วยให้เคลือบวัตถุด้วยชั้นนิกเกิ้ลบางๆ ซึ่งแตกต่างจากการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิมซึ่งต้องการทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาและกระแสตรงเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่

การชุบนิกเกิ้ลด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีสำหรับการฝากนิเกิลเป็นชั้นบาง ๆ ของโลหะบนพื้นผิวที่เป็นของแข็ง ในทางกลับกัน การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางเคมีสำหรับการชุบนิกเกิลบนพื้นผิวโดยไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า

กระบวนการทั้งสองนี้ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าสามารถใช้ได้ในหลายลักษณะ เช่น ในอุปกรณ์แปรรูปอาหาร เครื่องมือทางการแพทย์ และเครื่องจักรสิ่งทอ

ในทางกลับกัน การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าเพื่อเริ่มปฎิกริยาเคมี แต่ใช้สารรีดิวซ์ทางเคมี เช่น (Reducing agent) เช่น ฟอสฟอรัส ที่ช่วยให้เกิดการชุบนิเกิลบนวัตถุ กระบวนการนี้มีประโยชน์มากมายมากกว่าการชุบด้วยไฟฟ้าแบบเดิม เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้นและการยึดเกาะที่ดีขึ้น

การชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้า ให้ความทนทานต่อการกัดกร่อนและการหล่อลื่นได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการชุบนิเกิล แบบอิเล็กโทรไลต์ หรือที่เรียกว่าการเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ การชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้าเหมาะกับงานที่ต้องการความแม่นยำเนื่องจากการเคลือบของชั้นผิวของนิเกิลนั้นมีความสม่ำเสมอ

อุตสาหกรรมที่ใช้การชุบนิเกิลไม่ใช้ไฟฟ้า

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นเรื่องปกติในอุตสาหกรรมเหล่านี้

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

พื้นฐานการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า หรือ การชุบ EN

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

ปฏิกิริยาเคมีและส่วนประกอบเคมีของการชุบ EN

ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นของการชุบ EN (แบบ hypophosphite)แสดงได้ตามสมการเคมี ดังต่อไปนี้

NiSO₄ + H₂O → Ni²⁺ + SO₄^{2 –} + H₂O

NaH₂PO₂ + H₂O → Na+ + H₂PO₂^– + H₂O

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

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

โดยจะมีส่วนประกอบของสารเคมีดังนี้

สารประกอบนิเกิล (Nickel source)

ส่วนใหญ่จะเป็นเกลือของนิเกิลที่ละลายได้ (Nickel salt) ซึ่งการเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลาย ความบริสุทธิ์ และราคา สารเคมีที่นิยมใช้กันมากที่สุด คือ นิเกิลซัลเฟต (NiSO_{4 ,} Nickel sulfate) และยังมี นิเกิลซัลฟาเมต (Ni(SO3NH2)2 , Nickel sulfamate) , นิเกิลคลอไรด์ ( NiCl₂ , Nicel Chloride) , นิเกิลอะซิเตต ( Ni(OCOCH₃)₂ , Nickel acetate ) และ นิเกิลไฮโปฟอสไฟต์ (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

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

Neutralizers/buffers

เมื่อเกิดปฏิกิริยาการชุบ 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

ช่วยควบคุมและลดอัตราการเกิดปฏิกิริยาการชุบ นิยมใช้สารประกอบของตะกั่วหรือซัลเฟอร์

Brighteners

เพิ่มความสวยงามของผิวการชุบ EN นิยมใช้สารประกอบแคดเมียมมากที่สุด

ขั้นตอนการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าบนโลหะ

ขั้นตอนการชุบนิเกิล จะมีขั้นตอนการเตรียมผิวก่อนลงบ่อชุบนิเกิลเหมือนกันการชุบโครเมี่ยม นั่นคือ มีการเตรียมผิวชิ้นงาน การล้างทำความสะอาด การกัดเปิดผิวชิ้นงาน และการชุบนิเกิลไฟฟ้าดูรายละเอียด การชุบโครเมี่ยม

ขั้นตอนการเตรียมผิวชิ้นงาน

ก่อนชุบต้องขัดและซ่อมผิวโลหะให้เรียบ ล้างคราบไขมันและสิ่งสกปรกออก แล้วกัดเปิดผิวด้วยสารละลายที่เหมาะกับโลหะนั้น ลำดับนี้ใช้เหมือนงานชุบโครเมี่ยม อ่านรายละเอียด อุณหภูมิ และเวลาของแต่ละขั้นได้ที่ ขั้นตอนการชุบโครเมี่ยมบนโลหะ

การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless nickel plating)

การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (EN) มีหลากหลายวิธี เช่น

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

ประเภทของการชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (Electroless Nickel plating)

การชุบ EN นั้นสามารถแบ่งได้หลากหลายประเภท ขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่ใช้ โดยแต่ละลักษณะงานจะมีส่วนประกอบของเคมีที่ใช้และสภาพการชุบที่แตกต่างกัน โดยสามารถแบ่งตามสารเคมี

Nickel Phosphorus

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

Nickel Boron

นิยมใช้อย่างมากสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนอากาศยาน การชุบนิเกิลแบบนี้ทำให้มีการนำไฟฟ้าของชิ้นงานดีมาก 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

ฮีตเตอร์สำหรับบ่อนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า

บ่อนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าทำงานที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปประมาณ 85–95°C ความร้อนเป็นตัวขับปฏิกิริยา ถ้าอุณหภูมิต่ำ อัตราการชุบจะลดลงมาก ถ้าสูงเกินน้ำยาอาจเสียเร็ว การคุมอุณหภูมิจึงสำคัญ ตามตารางเลือกฮีตเตอร์ตามสารเคมีของเรา น้ำยา Electroless Nickel ใช้ฮีตเตอร์ไทเทเนียม หลอดแก้วและสแตนเลสไม่แนะนำสำหรับน้ำยานี้

คำถามที่พบบ่อย

ชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าต่างจากแบบใช้ไฟฟ้ายังไง

แบบไม่ใช้ไฟฟ้าอาศัยปฏิกิริยาเคมีในน้ำยา ชั้นชุบจึงหนาเท่ากันทุกจุด แม้ในรูหรือซอก ส่วนแบบใช้ไฟฟ้าชั้นชุบจะหนาตรงขอบและบางตรงร่อง แต่ต้นทุนน้ำยาต่ำกว่าและชุบได้เร็วกว่า อ่านเพิ่มที่ชุบนิเกิล

ชุบ Electroless Nickel หนาเท่าไร

งานทั่วไปประมาณ 5–50 ไมครอน ขึ้นกับการใช้งาน งานที่ต้องกันกร่อนมากจะหนากว่างานที่ต้องการเพียงผิวรองพื้น

Electroless Nickel แข็งแค่ไหน

แบบนิเกิล-ฟอสฟอรัสหลังชุบแข็งประมาณ 500–600 HV และเมื่ออบชุบแข็งเพิ่มอาจขึ้นไปถึงราว 900–1,000 HV ใกล้เคียงฮาร์ดโครม ค่าจริงขึ้นกับสูตรน้ำยาและอุณหภูมิอบ

แหล่งอ้างอิง

• NASF (National Association for Surface Finishing): nasf.org
• Products Finishing: pfonline.com
• ตารางเลือกฮีตเตอร์ตามสารเคมี POMEW: pomew.com/heater/