Stroomloze chemische metaalafzetting

Procesbeschrijving

Stroomloze metaalafzetting onder invloed van reductoren

Het betreft een aantal processen waarbij een metaaldeklaag wordt afgezet zonder de tussenkomst van elektrische stroom. Dit heeft een aantal voordelen:

• ook toepasbaar op niet-geleidende materialen zoals kunststoffen;
• mogelijkheid om ook op onregelmatig gevormde objecten een uniforme deklaag aan te brengen wat een gemiddeld dunnere laag toelaat;
• kleine stukken kunnen veel sneller gecoat worden omdat een arbeidsintensieve stap wegvalt of vereenvoudigd wordt nl. het aanbrengen op rekken met stroomcontact;
• het dompelproces laat een hoge badbelasting toe (hoog aantal stukken per l bad).

De rol van elektrische stroom wordt vervangen door een additief dat deze rol overneemt nl. de reductor zoals hypofosfiet; demethylaminoboraan (DMAB, vooral voor toepassingen in de elektronicasector); formaldehyde. De basisreactie is:

Me-ion + reductor → Me(0) in deklaag + reductor in geoxideerde vorm

Veruit het belangrijkste reductans voor nikkel is hypofosfiet, voor koper is het formaldehyde.

Voor “klassieke” chemisch nikkelbaden worden kleine hoeveelheden Cd of Pb (enkele ppm in de oplossing) toegevoegd om spontane metaalneerslag te vermijden (stabilisator) en de glans van de deklaag te bevorderen. Door de invoering van de ELV en de RoHS richtlijn worden het Pb en Cd-gehalte in de laag sterk beperkt, wat het gebruik van andere glansmiddelen stimuleert. Deze processen bevatten meer organische producten en zijn meestal veel moeilijker om te analyseren en sturen.

Tabel: Procesbaden bij stroomloze chemische metaalafzettingen in functie van de aangebrachte deklagen

Een algemeen nadeel van de chemische baden is dat het procesbad steeds verder aanrijkt met de omgezette reductor en dus na verloop van tijd moet vervangen worden.

Een tweede groot nadeel van chemische baden is dat hulpmateriaal en in veel gevallen ook (delen van) het procesbad zelf bedekt worden met een metaallaagje. Dit moet regelmatig (bv. dagelijks) verwijderd worden (“strippen”). Dit gebeurt met een geschikt etsmiddel. Voor stroomloos nikkel wordt hierbij doorgaans een HNO₃-oplossing gebruikt.

Stroomloze metaalafzetting door uitwisseling met het substraat

Dit soort deklagen is doorgaans van een lagere kwaliteit en ook de laagdikte is in de praktijk beperkt tot grootteorde 1 µm. Ze kunnen alleen afgezet worden voor een beperkt aantal combinaties van deklaag en metaalsubstraat.

Bij deze toepassingen wordt geen gebruik gemaakt van een reductor. Het in oplossing gaan van het metaal zelf levert de nodige elektronen om de opgeloste metalen in het procesbad te reduceren zodat deze een metaaldeklaag kunnen vormen. De basisreactie wordt ook cementeren genoemd en is, in het geval van staal:

Me-ion in oplossing + Fe(0) ? Me(0) in deklaag + Fe₂+ in oplossing

Een aantal voorbeelden zijn vermeld in onderstaande tabel.

Tabel: Procesbaden bij stroomloze chemische metaalafzettingen in functie van de aangebrachte deklagen

Ook deze baden worden na verloop van tijd onbruikbaar door te hoge concentratie van het substraatmetaal in oplossing.

Milieuaspecten

Water

Afvalwater ontstaat voornamelijk bij de nageschakelde spoelstap, bij de behandeling van de procesbaden en de oplossingen gebruikt om de installatie te ontnikkelen en passiveren. De voornaamste stoffen zijn:

• overmaat Ni en Cu;
• afhankelijk van de reductor en van de organische complexvormers: BZV/CZV, P, B;
• NTA en EDTA zouden nauwelijks of niet gebruikt worden bij nikkeldeklagen, maar wel nog voorkomen bij aanbrengen van koperdeklagen (BREF Surface treatment metals);
• het gebruik van cyanide is beperkt tot edelmetalen;
• bij stroomloos vernikkelen: nitraat afkomstig van het reinigen en passiveren van de apparatuur.

Lucht

De emissies naar lucht zijn eerder beperkt:

• Aërosolen in afzuiging: Ni-houdende aërosolen zijn veelal carcinogeen bij inademing omwille van bepaalde opgeloste zouten;
• Formaldehyde-dampen indien deze stof als reductor wordt gebruikt.

Afval

Het procesbad moet regelmatig vervangen worden. Dit gebeurt na een aantal “turnovers” (badleeftijd uitgedrukt als verhouding tussen de totale hoeveelheid metaalzout en de hoeveelheid die in de startvloeistof aanwezig was).

• voor stroomloos vernikkelen op ijzer / staal is dit typisch nodig na 10 tot 15 turnovers;
• voor stroomloos vernikkelen op aluminium is dit typisch na 3 turnovers (een dergelijk bad wordt doorgaans opzij gezet en daarna opnieuw ingezet voor vernikkelen op een ander substraat);
• voor het chemisch vernikkelen in trommel van een grote lading kleine stukjes kan voor bepaalde toepassingen het procesbad uitgeput worden. Men doseert dan de hoeveelheid reagentia in functie van de behoeften van één trommellading; hierna wordt een nieuwe oplossing aangemaakt.

Afvoer als een afvalstof naar een erkende verwerker is een mogelijke oplossing.