การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าคืออะไร

การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการสร้างชั้นเคลือบนิกเกิลบนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์โดยการสะสมทางเคมีไฟฟ้า กระบวนการนี้ใช้กระแสไฟฟ้าภายนอกเพื่อลดไอออนของนิกเกิลจากอิเล็กโทรไลต์และสะสมบนพื้นผิวของชิ้นงานซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทดชั้นนิกเกิลที่เกิดจากกระบวนการนี้มีความบริสุทธิ์สูง (โดยทั่วไปมากกว่า 99.96%) และมีความแข็งแรงเชิงกล ความต้านทานการกัดกร่อน และคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยม การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าในอุตสาหกรรมใช้ระบบอิเล็กโทรไลต์ซึ่งมีนิกเกิลซัลเฟตหรือนิกเกิลซัลเฟตเป็นเกลือหลัก และความหนาแน่นกระแส อุณหภูมิ และค่า pH ได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าชั้นตกผลึกอย่างละเอียดและสม่ำเสมอ ต่างจากการชุบนิกเกิลด้วยเคมี (ที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า) การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าให้การเคลือบที่หนาแน่นกว่าและเหมาะสำหรับการใช้งานในสถานการณ์ที่มีความต้านทานการขัดถูสูงและการนำไฟฟ้าสูง การผลิตนิกเกิลอิเล็กโทรไลต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงทั่วโลกปฏิบัติตามมาตรฐานอย่างเคร่งครัด เช่น ASTM B39-79 เพื่อให้แน่ใจถึงความสม่ำเสมอขององค์ประกอบ ตัวอย่างเช่น เกรด Ni9996 ต้องมีนิกเกิลและโคบอลต์รวม ≥ 99.96% โคบอลต์ ≤ 0.02%

การใช้การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้หลักของการชุบนิกเกิลแบบอิเล็กโทรไลต์ครอบคลุมพื้นที่สำคัญของอุตสาหกรรม:

การบินและอวกาศและยานยนต์: การชุบนิกเกิลใช้กับส่วนประกอบเครื่องยนต์ ใบพัดกังหัน และชิ้นส่วนอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการคืบคลาน ซัพพลายเออร์ของโบอิ้งและแอร์บัสต้องการการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าตามมาตรฐาน AMS 2423 เพื่อความปลอดภัยในการบิน

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์: ในกรอบตะกั่วและขั้วต่อเซมิคอนดักเตอร์ ชั้นชุบนิกเกิลแบบอิเล็กโทรไลต์เป็นชั้นฐานหรือชั้นพื้นผิวเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและป้องกันการแพร่กระจายของทองแดง คาดว่าขนาดตลาดสารเคมีชุบเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกในปี 2025 จะสูงถึง 691 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งสารละลายชุบและสารเติมแต่งคิดเป็น 47% ของส่วนแบ่ง โดยส่วนใหญ่มาจาก MacDermid และ Atotech และบริษัทอื่นๆ ที่ครองตลาด

แบตเตอรี่พลังงานใหม่: บริษัท Lotte Energy Materials ของเกาหลีใต้พัฒนาแผ่นทองแดงชุบนิกเกิลสองด้านสำหรับตัวเก็บแบตเตอรี่โซลิดสเตต ผ่านเทคโนโลยีการชุบนิกเกิลแบบอิเล็กโทรไลต์ เพื่อปรับปรุงสภาพการนำไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสาน ขณะเดียวกันก็ยับยั้งการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ ทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานเพิ่มขึ้น 20%

การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าสามารถปรับกระบวนการได้สูง สามารถเคลือบบนพื้นผิวที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน และช่วยให้สามารถปรับความแข็งและความเงาของชั้นชุบได้ด้วยสารเติมแต่ง (เช่น สารเพิ่มความขาว สารปรับระดับ) ตัวอย่างเช่น การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าฟอสฟอรัสสูงใช้ในวาล์วปิโตรเลียม ซึ่งสามารถทนต่อการกัดกร่อนจากกรด H₂S ได้

ความแตกต่างระหว่างการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าและการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าวัตต์

การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าเป็นคำทั่วไปสำหรับเทคโนโลยีนิกเกิลแบบอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งครอบคลุมระบบของเหลวสำหรับชุบที่หลากหลาย และอ่างวัตต์นิกเกิลแบบอิเล็กโทรไลต์ (Watts Bath) เป็นสูตรเฉพาะและคลาสสิกที่สุด พัฒนาโดย OP Watts ในปี พ.ศ. 2459 ระบบนี้ประกอบด้วยนิกเกิลซัลเฟต (250-300 กรัม/ลิตร) นิกเกิลคลอไรด์ (60 กรัม/ลิตร) และกรดบอริก (40 กรัม/ลิตร) ที่อุณหภูมิใช้งาน 50-60°C และค่า pH 3-4 นิกเกิลคลอไรด์ทำหน้าที่กระตุ้นไอออนคลอไรด์แบบแอโนดเพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาพาสซีฟ กรดบอริกทำหน้าที่บัฟเฟอร์การเกิดปฏิกิริยาพาสซีฟ และนิกเกิลคลอไรด์ทำหน้าที่กระตุ้นไอออนคลอไรด์แบบแอโนดเพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาพาสซีฟ และกรดบอริกทำหน้าที่บัฟเฟอร์การเกิดปฏิกิริยาพาสซีฟ กรดบอริกทำหน้าที่บัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงค่า pH เพื่อให้มั่นใจว่าชั้นชุบมีแรงเค้นต่ำและมีความเหนียวสูง

อ่างชุบนิกเกิลวัตต์แบบไฟฟ้ามีสัดส่วนมากกว่า 70% ของการใช้งานในอุตสาหกรรม มีต้นทุนต่ำและกระบวนการมีความเสถียร เหมาะสำหรับการชุบตกแต่งและการป้องกันทั่วไป อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ความต้องการใช้งานเชิงฟังก์ชันจำเป็นต้องมีทางเลือกอื่น:

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าด้วยอะมิโนซัลโฟเนต: ใช้สำหรับการขึ้นรูปด้วยไฟฟ้าและPCBโดยมีความเค้นภายในต่ำถึง 10 MPa และการแตกร้าวของชั้นน้อยลง

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าด้วยเปอร์คลอไรด์ ช่วยให้มีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น (>8 A/dm²) และเหมาะสำหรับการชุบชั้นหนาอย่างรวดเร็ว

แม้ว่าการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าแบบวัตต์จะมีความหลากหลาย แต่การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่มีฟอสฟอรัสสูงยังคงไม่สามารถทดแทนได้กับวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า (เช่น พลาสติก) และในปี 2024 ตลาดการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่มีฟอสฟอรัสต่ำจะมีส่วนแบ่งทางการตลาดถึง 62% ของตลาดการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าทั่วโลกซึ่งมีมูลค่า 4.8 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ

มูลค่าการรีไซเคิลของการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้ามีความบริสุทธิ์สูง จึงทำให้การรีไซเคิลมีต้นทุนทางเศรษฐกิจสูง นิกเกิลเป็นโลหะเชิงกลยุทธ์ที่มีความผันผวนของราคาสูง (นิกเกิลอิเล็กโทรไลต์จะมีราคาประมาณ 18,000 ดอลลาร์สหรัฐ/ตันในปี 2568) และเศษโลหะจากการชุบ เศษโลหะที่ลอกออก และชิ้นส่วนโลหะที่ชุบแล้วสามารถนำไปรีไซเคิลได้ การรีไซเคิลสมัยใหม่ใช้วิธีการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้าหรือไฮโดรเมทัลลูร์จี โดยเศษ โลหะที่มี นิกเกิลเป็นส่วนประกอบจะถูกละลายและทำให้บริสุทธิ์โดยการสกัด จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลต์เพื่อผลิตแผ่นนิกเกิลบริสุทธิ์ที่มีความบริสุทธิ์ 99.9% ซึ่งสามารถนำไปใช้โดยตรงใน ถัง ชุบไฟฟ้าหรือการหลอมโลหะผสม

นิกเกิลรีไซเคิลมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่าการกลั่นแร่ดิบถึง 60-80% ยกตัวอย่างเช่นการรีไซเคิลเศษนิกเกิลในโรงงานสแตนเลสสามารถลดต้นทุนได้ 30% บริษัทรถยนต์ในยุโรป เช่น BMW ได้จัดทำระบบวงจรปิดเพื่อรีไซเคิลชั้นชุบนิกเกิลของชิ้นส่วนเก่าเพื่อผลิตชิ้นส่วนใหม่ MacDermid (สหรัฐอเมริกา) ให้บริการฟื้นฟูสารละลายชุบ โดยกำจัดไอออนของสารปนเปื้อนผ่านเรซินแลกเปลี่ยนไอออน ยืดอายุการใช้งานของอ่าง และลดการปล่อยนิกเกิล รูปแบบการรีไซเคิลนี้สอดคล้องกับกฎระเบียบแบตเตอรี่ใหม่ของสหภาพยุโรป (อัตราการรีไซเคิลนิกเกิลในแบตเตอรี่ 95% ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2570) ซึ่งส่งเสริมการชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้าให้เป็นส่วนสำคัญของการผลิตที่ยั่งยืน