Come Massimizzare le Prestazioni dei Processi di Nichelatura

I Vantaggi della Nichelatura senza Acido Borico

La nichelatura ha una grande varietà di applicazioni nel settore della galvanica. Il nichel è utilizzato nell'elettroformatura, nei PCB e in quasi tutti i componenti elettronici, sia come strato intermedio, che come finitura finale.

Le soluzioni di nichel sono molto semplici da formare. Per preparare qualsiasi soluzione elettrolitica, per prima cosa abbiamo bisogno di una fonte di metallo, che, in questo caso, è il nichel. Tipicamente viene utilizzato il solfato di nichel, anche se, a seconda dell'applicazione, potrebbe essere invece preferibile scegliere il solfammato di nichel. Tuttavia, in questo articolo prenderemo il solfato di nichel come fonte di metallo prescelta.

Per aumentare la conduttività della soluzione, occorre poi aggiungere cloruro di nichel seguito da un agente bagnante, per assicurarsi che la superficie sia completamente bagnata. A seconda dei singoli casi, possono essere utilizzati diversi brillantanti per migliorare l'aspetto e la distribuzione del metallo sul deposito. L'ultimo componente in un bagno di nichel standard è un tamponante di pH: la stragrande maggioranza degli utilizzatori sceglie l'acido borico per questo scopo. Vedremo perché il tamponante di pH è necessario più avanti.

La fig. 1 mostra la concentrazione di metallo in diverse soluzioni in applicazioni a telaio, come esempio. Le quantità di metallo utilizzate nelle soluzioni elettrolitiche possono variare leggermente, ma dovrebbero essere simili a quelle proposte.

Come si può vedere nella fig. 1, la quantità di nichel in un bagno standard è molto diversa e molto più elevata rispetto a metalli come argento, rame e stagno, anche per soluzioni utilizzate in applicazioni simili. Per i bagni di nichel solfammato, la concentrazione di nichel nell'elettrolita è ancora più alta.

In genere ciò che gli utilizzatori desiderano è una soluzione che contiene basse quantità di metallo. Ci sono diverse ragioni per questo: in primo luogo, la maggior parte dei metalli è costosa, quindi minore è la concentrazione, meno dispendiosi saranno il recupero e la manutenzione dell'elettrolita. Questo è il motivo per cui i produttori preferiscono eseguire dorature in applicazioni a telaio con 5 g/l di oro piuttosto che con 20 g/l, anche se nel secondo caso la soluzione sarebbe più stabile.

In secondo luogo, se la concentrazione di metallo nella soluzione è bassa, anche il trascinamento di metallo sarà meno significativo. Ciò significa che i costi di trattamento delle acque reflue diminuiranno, così come i problemi dovuti al trascinamento nelle posizioni successive alla nichelatura. Inoltre, la distribuzione del metallo tende a diminuire quando la concentrazione del metallo nella soluzione è maggiore. Questo fenomeno è chiamato "dog bone effect".
Per tutte queste ragioni, è generalmente preferibile avere minori quantità di metallo in qualsiasi soluzione elettrolitica. Tuttavia, la riduzione della quantità di metallo può anche presentare alcuni svantaggi. Uno di questi è che, solitamente, quando la concentrazione di metallo è più bassa, il grado di densità di corrente che può essere applicato è molto inferiore, riducendo così la velocità di produzione complessiva.

Per affrontare alcune di queste problematiche, Technic ha sviluppato un processo chiamato Goldeneye Nickel. Con più di 100 installazioni in tutto il mondo, il principale vantaggio di Goldeneye Nickel è che può lavorare con un minimo di 30 g/l di nichel (fig. 1) nelle applicazioni a telaio. Questo valore è molto inferiore alla quantità standard di nichel e più simile alla concentrazione degli altri metalli esaminati (per esempio rame e argento). Goldeneye Nickel offre tutti i vantaggi offerti da una minore concentrazione di metallo, senza lo svantaggio di rallentare la produzione. Un altro vantaggio di questo processo è che può funzionare in applicazioni ad alta velocità fino a 40 A/dm², con solo 60 g/l di nichel.

Durante l’analisi della composizione di una soluzione di nichel standard, abbiamo menzionato l'uso del tamponante di pH (pH buffer). Il pH standard di una soluzione di nichel è di circa 4 – 4,5. Per capire perché abbiamo bisogno di un buffer, dobbiamo prima comprendere cosa succede sulla superficie del catodo. Durante la deposizione di nichel in aree ad alta densità di corrente, il pH sulla superficie del pezzo trattato tenderà ad aumentare. A sua volta, quando il pH aumenta, il nichel diventa idrossido di nichel. L'idrossido di nichel non viene depositato, ma si dissolverà nella soluzione in seguito.
Poiché c’è ancora tensione elettrica, la corrente cerca ioni da depositare; tuttavia, poiché lo ione nichel è bloccato in forma di idrossido, l'unico ione disponibile è l'idrogeno presente nell'acqua.
Anche il nichel è intrappolato nell'idrossido di nichel, a causa di un pH più elevato vicino al catodo. Se l'idrogeno viene depositato sulla superficie, diventerà H2 e sarà liberato dalla soluzione in stato gassoso. Pertanto, la bassa quantità di ioni nel bagno è la ragione per cui potrebbe esserci generazione di gas in aree ad alta densità di corrente.
Per evitare che si verifichino tutti questi fenomeni, abbiamo bisogno di un tamponante di pH nel bagno di nichel. Questo previene infatti la formazione di idrossido di nichel, rallentando l'aumento del pH, cosicché più ioni nichel saranno disponibili per la deposizione.

Come accennato, l'acido borico è ampiamente utilizzato come tamponante di pH nella nichelatura. Tuttavia, l'acido borico presenta alcuni svantaggi.
In primo luogo, in Europa è stato classificato come sostanza pericolosa, tossica per la riproduzione (H360FD) e “Substance of Very High Concern” (SVHC) ed è attualmente nella lista di candidati per l'autorizzazione. Se l'acido borico verrà incluso nell'elenco delle sostanze in autorizzazione, il suo uso e la sua fornitura potrebbero essere severamente limitati o vietati del tutto in futuro.

Inoltre, l'acido borico è un sale e come tale non si scioglie bene in acqua. La quantità di acido borico nella soluzione è solitamente di circa 40 g/l, ma non è possibile sciogliere più di 60 g/l di acido borico in acqua. Questo rende l'aggiunta di acido borico nella vasca leggermente difficoltosa, in quanto dopo aver aggiunto il sale solido, sarà necessario attendere che si sia completamente disciolto. Se il bagno si raffredda, è ancora più difficile tenerlo nella soluzione e, quando l'acido borico non è ben disciolto, il deposito sulle superfici trattate sarà irregolare.

Il team di ricerca e sviluppo di Technic si è concentrato sulla risoluzione di questi problemi, sviluppando un tamponante di pH liquido, privo di boro che impedisce la formazione di idrossido di nichel (che, come abbiamo detto, porta all'aumento del pH nel processo, riducendone così le capacità di livellamento e la luminosità) e non altera il funzionamento del pH. Inoltre, poiché la rimozione del boro dalle acque reflue può essere difficile, l'utilizzo di una soluzione di nichel senza boro consente una gestione delle acque reflue più sicura e rispettosa dell'ambiente e riduce i costi complessivi.

Dato che anche il nichel è stato classificato dall'ECHA come sospetto cancerogeno, c'è un crescente interesse per gli additivi senza nichel. In risposta a queste esigenze, il nostro tamponante di pH è ora disponibile anche in una nuova versione senza nichel né acido borico, completamente atossica e priva di sostanze cancerogene.

A seconda dell'applicazione, Technic fornisce diversi tipi di nichelatura esente da acido borico, come:

• A matrice solfato: lucido, semi-lucido e opaco.
• A matrice solfammato: sia per elettronica che per alti spessori.
• Goldeneye nickel e nickel iron: entrambi disponibili nella versione senza acido borico.

 

 

Tornando ai componenti di un bagno di nichel standard, i brillantanti e gli agenti bagnanti sono meno problematici rispetto al tamponante di pH. Gli agenti bagnanti possono essere classificati in due modi:

• Agenti bagnanti schiumogeni
• Agenti bagnanti non schiumogeni

A seconda delle singole applicazioni, è fondamentale capire quale tipo di agente bagnante utilizzare. Alcuni produttori scelgono di avere l’agitazione ad aria nei loro bagni di nichel; in questo caso, un agente non schiumogeno sarebbe la scelta più idonea. Anche per processi ad alta velocità nelle linee reel-to-reel, un agente non schiumogeno sarà l'opzione migliore, mentre per applicazioni che utilizzano solo movimenti meccanici, è possibile utilizzare un agente bagnante schiumogeno.

I brillantanti e gli additivi organici sono abbastanza semplici da usare, ma si consiglia di purificare periodicamente la soluzione. A seconda dei casi, è consigliabile eseguire questa operazione 1-4 volte all'anno. Purificare la soluzione elettrolitica significa eliminare i prodotti di degradazione del brillantante. Ci sono diversi modi per farlo: il più semplice sarebbe fare un trattamento con carbone attivo. Un trattamento più efficace consiste invece nel rimuovere prima tutti gli additivi organici con perossido di idrogeno o permanganato di potassio, seguito da un trattamento con carbone attivo. Il permanganato di potassio è un potente ossidante e scompone gli additivi organici nel bagno, in modo che possano essere assorbiti più facilmente dal carbone attivo.

In conclusione, le nostre soluzioni di nichelatura senza acido borico consentono ai produttori che utilizzano processi di nichelatura di essere un passo avanti rispetto al contesto normativo globale in continua evoluzione, e di supportare l’impegno del settore verso una maggiore sostenibilità.

Oltre a quelle descritte in questo articolo, Technic fornisce una gamma più ampia di tecnologie più sicure e rispettose dell'ambiente per soddisfare le esigenze dei produttori di oggi.

 

Il nostro team di ricerca e sviluppo sarà lieto di guidarvi attraverso la selezione o lo sviluppo del processo specifico richiesto dalla vostra applicazione. In caso desideriate ulteriori domande, non esitate a contattarci.

 

Autore: Steffen Habekuss, Technical Service Engineer di Technic Deutschland

 

 

 

 

 

Fonti

T. Laficara, “Navigating Regulation Challenges for SVHC”, www.technic.com/blog/navigating-regulation-challenges-svhc

W. Machu: Metallische Überzüge, Leipzig 1948, S. 402 ff.

H.W. Dettner, J. Elze (Hrsg.): Handbuch der Galvanotechnik Bd. II, München 1966, S.87 ff.

Autorenkollektiv: VEM-Handbuch Galvanotechnik, Berlin1974, S. 160 ff.

R. Brugger, Die galvanische Vernicklung, Saulgau 1984

G.A. Dibari, Nickelplating, in 78th Surface Finishing, New York 2010, S. 231 ff.

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