무전해 니켈 도금 방법 - mujeonhae nikel dogeum bangbeob

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구성항목

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무전해 니켈 도금

금속이온을 포함한 수용액으로부터 금속을 석출 시키는 방법에는 외부로부터 전류를 흘러주는 전기 도금법과 전기를 작용시킬

필요가 없는 무전해 도금법이 있다.

이 무전해도금법은 피 도금금속을 용액에 침적만 함으로써 도금을 얻을 수 있는 치환도금법과 화학적 환원을 이용한 화학 도금법이 있다.

< 무전해도금의 종류 >

1. 치환 도금(침적도금)

2. 화학도금

-. 자기 촉매도금: 화학적 환원과 석출금속의 촉매작용에 의한 도금으로 촉매작용을 할 수 있는 석출금속에는 구분이 있다.

-. 비자기 촉매도금: 화학적 환원에 의한 것으로 은거울 반응이 대표적이다.

< 자기 촉매형 화학도금의 특징 >

전기도금과의 비교: 전기도금은 정류기로부터 공급된 전기에너지에 의해 금속이 석출한다.

그러나 자기촉매도금은 욕중의 환원제의 역할(화학에너지)에 의해 금속이 석출한다. 따라서 금속의 석출에 큰 영향을 미치는

환원제의 사용방법(환원제 종류, 농도, 사용온도, pH )이 중요하다.

다른 화학도금과의 비교: 다른 화학도금(치환도금)에서는 도금두께에 한계가 있지만 자기촉매 도금에서는 금속의 석출이 계속하여

이루어지므로 도금두께에 한계가 없다.

자기촉매도금 석출의 특색은 석출한 금속이 촉매가 되어 금속의 환원석출이 계속되는 것이다. 일반적인 환원제로는 포르말린, 차아인산염,

DMAB, DEBA, 히드라진 등이 사용되고 있다. 이들 환원제는 고유의 환원력이 있고 환원 가능한 금속이 다르다.

< 금속과 재료의 헛된 소모방지 >

도금은 필요 부분에만 금속을 석출시키는 것이 목적이지만 자기촉매도금에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

-. 헛된 도금: 제품이외의 장소에 금속이 석출된다. 도금탱크, 랙 등에 금속이 석출한다. 이것은 도금재료의 헛된 소비이고 제품

     품질에도 영향을 미친다.

     예> 아인산니켈의 미세결정이 도금 면에 부착하면 면이 거칠어진다.

-. 헛된 재료소모: 건욕후 욕 중에서 환원제의 자기분해와 정규반응 이외의 부반응 등에 의해서 금속염과 환원제가 소모된다.

-. 욕의 불순물 축적: 노후화 제공. 도금액의 사용과 함께 금속염중의 Anion 환원제의 분해 생성분이 불용성분이며 불순물로서

     증가하며 축적된다. 또한 작업장의 분진도 용중에 축적된다.

   이와 같은 상태가 되는 것을 도금욕의 노후화라 한다.

< 자기촉매 도금의 관리 >

1. 작업조건

항상 관리해야 될 인자는 욕 온도, pH, 교반, 작업량이며 특히 욕 온도와 pH는 좁은 범위 내에서 관리한다.

2. 영향인자

-. 니켈농도: 니켈농도가 높으면 석출농도가 빠르다. 작업진행에 따라 금속농도는 감소한다.

-. 온도: 온도가 올라가면 석출속도가 빨라진다. 고온이면 자연분해 되며 저온이면 석출속도가 느리다.

-. pH: pH가 높으면 석출속도가 빨라진다.

-. 환원제의 농도: 작업에 따라 농도가 감소되며 환원제의 농도가 높으면 석출속도가 빨라진다.

-. 교반: Air, Impeller 등에 의해 교반할 수 있다. 일반적으로 도금과 동시에 수소가스를 발생시킨다. 히드라진을 환원제로 사용할

     경우 질소가스가 발생한다.

-. 작업량: 작업량이 많으면 자기분해를 촉진시킨다.

무전해 도금은 생산단가가 높기 때문에 전기도금보다 높게 된다. 단순히 설비비만 비교하면 전기도금 쪽이 직류전원, 배선, 부스바,

양극 등 무전해 도금에서는 불필요한 것이 많지만 생산단가로 계산하면 입장이 바뀌게 된다. 무전해 니켈도금은 니켈염 수용액에

환원제를 사용하여 금속니켈을 석출시키는 자기촉매 니켈도금이 활용되고 있다. 환원제로는 차아인산나트륨(Ni-P 합금 석출),

디메틸아민보론(Ni-B 합금 석출)이 사용되고 있다.

< 무전해 니켈도금의 종류 >

환원제

욕의 특징

석출물의 특징

비고

차아인산나트륨

산성욕(pH4~6), 온도(85~90), 도금속도가 빠름(12~25um/h)

(8~12%), 비자성 고경도(Hv1000), 내마모성, 내식성

공업부분에서 가장 널리 사용

암모니아 알칼리욕(pH8~10), 온도(25~50), 도금속도(1~8um/h)

(3~6%), 피막은 표면 산화를 일으키기 어렵다.

플라스틱의 하지용 도금

붕소 화합물

아민보론욕(pH6~8.5), 온도(25~65), 도금속도(6~10um/h)

붕소(0.3~3%), 고경도(Hv700~800), 전기 저항이 낮다. 납땜, 내역성이 우수하다.

붕산욕으로 가장 실요화. 가격이 비싸다.

수소화 붕소나트륨(pH12~14), 온도(40~90), 도금속도가 빠르다

붕소(5~7%), 전기 저항이 크다. 내마모성 내열성이 우수하다.

욕이 불안정. 가격이 비싸다.

< 무전해 니켈도금의 용도 >

균일한 도금성, 치수정밀도, 기계적 특성(경도, 내마모성)을 이용함.

-. 자동차, 오토바이: 피스톤샤프트, 브레이크, 베어링, 실린더, 밸브 등.

-. 화학공업: 파이프, 베어링, 펌프, , 기어, 체인, 유압실린더, 반응조, 교반기 등.

-. 정밀기계: 시계부품, 카메라부품, 분석기기부품 등.

-. 선박, 항공: 밸브, 엔진, 스크류, 피스톤, 크러치, 샤프트, 배관 등.

-. 전기전자공업: 커넥터, 샤프트, 디스크, 풀리, 저항체, 가전부품, 컴퓨터부품 등.

-. 기타: 사무기, 플라스틱, 화학섬유, 세라믹 등에 적용.

< 산성 차아인산염 무전해 니켈도금 >

1. 특징

-. 전기를 사용하지 않아 정류기가 필요 없고 전류분포를 생각할 필요가 없다.

-. 균일한 도금성이 우수하다.

-. 내식성이 우수하다.

-. 열처리에 의해 경도 및 내마모성이 증가한다.

-. 도금피막의 물성을 욕조건의 변경으로 조정가능하다.

-. 고온작업이므로 작업조건 및 설비의 등의 맞춤이 필요하다.

-. 욕 관리가 어렵다. (온도, pH 등의 관리가 필요하다)

-. 액의 수명이 짧고 고가이다.

-. 폐수처리가 어렵다.

2. 도금욕의 특성과 도금조건

-. 니켈: 4.5~7.5g/l

-. pH: 4.0~6.0

-. 액온도: 85~95

-. 액수명:3~10turn

-. 석출속도: 10~25um/h

-. (P): 6~10g/l

3. 도금 피막의 특성

-. 석출조직: (8~10%), 니켈(90~92%)

-. 비중: 7.9(9%인 경우. 400이상에서 재결정시에는 7.8)

-. 경도: 500~600Hv(400열처리 후 950~1000Hv)

-. 조직: 석출 시 비정질이나 열처리로서 결정화.

-. 자기특성: 석출 시 비자성이나 열처리로서 자화.

-. 융점: 890

-. 전기저항: 60μΩ//열처리 시 저항저하.

-. 연신율: 낮다(0.5~2%).

-. 내마모성: 열처리 후에는 경질크롬과 유사.

-. 내식성: 동일 두께의 전기 니켈보다 우수.

-. 균일 석출성: 두께편차 10% 내외.

-. 응력: 전기도금보다 훨씬 적음.

4. 성분과 작용

성분

약품

작용

비고

니켈염

황산니켈

초산니켈

염화니켈

니켈이온 공급원 농도가 증가하면 도금 속도가 증가한다.

환원제

차아인산나트륨

(NaH2PO2 H2O)

황산니켈 중량의 1~1.2

니켈 이온의 환원

(P) 공급원 농도가 증가하면 속도가 증가

이론효율 약33%

착화제

카르복실산

암모니아

니켈염 침전방지

환원속도 조절 pH완충

과도한 자유 Ni 이온의 생성 방지

pH 조절제

수산화나트륨

암모니아

욕의 pH 완충

도금속도 증가

습윤제

각종 계면활성제

pit 방지

사용하지 않을 수도 있음

안정제

중금속염 (, 티오 화합물, 카드뮴 등)

욕의 분해방지

조악한 니켈 석출 방지 및 광택부여

도금조의 석출방지, 석출속도 촉진

5. 설비

1>. 도금조

-. 재질: 스테인리스스틸이 일반적으로 사용됨(STS304, STS316, STS316L)

-. 표면상태: 표면은 평활사상된 면이 바람직하다.

-. 용량: 작업량에 따라 결정.

-. 사용방법: 스테인리스스틸의 새로운 조는 사용하기 전에 50%의 질산을 필요한 액면 까지 넣고 6시간 이상두면 표면이 부동태화 된다.

   그 후 질산을 빼내고 충분히 수세하여 도금액을 건욕한다. 스테인리스스틸 조는 니켈석출 방지 장치를 설치하더라도 사용에 따라

     바닥과 벽면 등에 니켈이 석출되므로 정기적으로 질산에 의한 박리와 부동태화 처리가 필요하다. 따라서 예비조를 준비해야 한다.

2>. 치구

스테인리스 스틸제를 사용하거나 수지 코팅제를 사용한다.

바렐은 내열성, 내산성을 필요로 한다(PP)

제품은 가스방출이 좋도록 고안하여 사용한다.(랙을 사용할 경우 수평방향 보다는 수직방향으로 걸도록 한다)

3>. 가열(Heating)

-. 가열원: 석영히터, 스테인리스스틸 히터, 테플론 히터 등이 있는데 테플론 히터를 사용하는 것이 가장 좋다. 액량이 적을 경우에는

                자켓식 간접 가열방식도 있다.

-. 주의: 온도편차가 생기지 않도록 열원을 배치한다.

4>. 교반(Agitation)

-. 액상을 상하좌우로 혼합해야하며, 콤프레셔를 이용한 공기(Air) 교반과 모터를 이용하여 임펠러를 이용한 교반이 있다.

   이때 국부적인 가열이 되지 않도록 설치해야 한다.

5>. 여과

-. 플라스틱제 카트리지 방식으로 하며 상시순환여과 또는 도금액을 예비조로 옮겨 60이하로 하여 순환여과 한다.

   여과용 배관에도 니켈이 석출되는 경우가 있으며 특히 여과기 내부에 잔류하면 그 부분에 도금이 생성되어 액 분해의 원인이 되므로

     정기적으로 점검하는 것이 좋다.

6>. 배기

-. 도금조로부터 발생하는 다량의 미스트와 수증기배기.

7>. 니켈 석출방지

스테인리스 조에 사용한다. 소형 정류기로서 도금조를 양극으로 하고 음극은 작업조 내에 직경 5~10정도의 적당한 길이의 철강봉을

넣고 0.8~2V(50~200)의 정전압을 준다. 조에 금속이 석출하든가 액이 노화되면 전류가 상승한다.

6. 작업조건

1>. 건욕

-. 예비조(플라스틱 내장 탱크등)에 적당량의 물(통상 수돗물로 가능-최종액량의 20%~50%)을 넣고 가온하여 니켈염, 착화제,

   pH 조절제를 용해한다.

    냉각 후에는 차아인산나트륨을 용해하고 활성탄 처리를 한다. 이액을 본조로 이송하여 최종액량까지 물을 더한 후 안정제를 가하여

    충분히 교반한다.

    시판 도금액은 단순히 물로 희석하면 건욕 가능하다.

2>. pH

욕 종류에 따라서 최적치가 다르다. 일반적으로 4~6 범위의 pH로 한다. pH의 상승에 의해 도금속도가 증가하지만 범위를 넘으면

욕이 불안정하게 되어 분해의 원인이 된다. 욕은 사용함에 따라 pH가 저하하기 때문에 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 조정하지만

욕 중에 수산화니켈이 잔류하면 액이 분해되어 제품에 부착하며 얼룩발생의 원인이 되므로 첨가에는 주의를 요한다.

3>. 액 온도

일반적으로 85~92액 온도의 상승에 따라 도금 속도가 증가하지만 과열과 국부과열은 액 분해 조내에 도금석출 등의 원인이 된다.

4>. 교반

온도 분포의 균일화, 도금 표면에 수소 기포 제거가 가능하도록 한다. 좋은 조건의 교반은 도금표면의 수소이온을 신속하게 제거

시킴으로서 도금 속도를 증가시킬 수 있다.

7. 후처리

1>. 열처리

경도의 상승, 밀착성의 개선 등을 목적으로 일반적으로 4001시간의 처리로서 최대경도 950~1000Hv를 얻을 수 있다. 소재가 고온에서

연화하는 경우에는(-알루미늄 등) 250에서 2시간 정도로 소재의 연화를 최소한으로 하고 도금은 비교적 고 경도를 얻도록 한다.

밀착성 향상을 위한 열처리는 소재에 따라 차이가 있지만 대체로 130~200에서 1~2시간 처리하므로 서 경도 내마모성, 내식성에

큰 영향을 미치지 않고 밀착성 향상과 수소취성의 제거에 유효하다.

2>. 방청처리

무전해 니켈도금 피막이 전기니켈도금 피막보다 내식성이 우수한 것은 조직이 비정질인 약산성에서는 불활성화가 되기 쉬운 니켈-인을

생성 또한 핀홀이 전기도금보다 적은 것 등 때문이다. 내식성은 인 함유량이 높을수록 좋아지는 경향이 있다. 그러나 실제 작업에 있어서

도금은 여러 가지 요인에 의해 일반적으로는 얇은 도금두께(10) 이하에서는 충분한 내식성을 기대하기는 어렵다.

무전해 니켈 도금 피막은 크롬산에 대한 용해성을 나타내고 이것을 이용하여 크로메이트 피막을 생성시켜 내변색성 내식성을

향상시킬 수 있다.

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