Nichelatura chimica o cromatura?

Pubblicato il 04/02/2021 da Aldo Bordiga

Cilindro idraulico con stelo cromato, con cromatura dura

CENNI STORICI E INTRODUZIONE ALLA CROMATURA

Galvani nel 1791 inventò la pila che permise successivamente lo sviluppo della galvanostegia, cioè la deposizione di metallo sulle superfici conduttive. I primi elettroliti per la Cromatura a livello industriale furono introdotti nella seconda metà del XIX secolo e perfezionati nei primi anni del XX secolo. A parte piccole variazioni nelle formulazioni degli elettroliti di cromatura, fino ai nostri giorni il componente base del bagno di cromatura è l’anidride cromica CrO3 definita acido cromico quando è in soluzione. Il Cromo in questo elettrolita è in forma esavalente ed i suoi sali si definiscono Cromati.

A causa della elevata tossicità del Cromo nella sua forma esavalente (Cr VI) vengono poste attualmente forti limitazioni al suo uso. Il cromo metallico invece, anche se depositato da bagni di Cromo esavalente, non ha limitazioni di utilizzo essendo inerte e anche la sua dissoluzione in ambienti aggressivi non è problematica in quanto si trasforma da Cromo zerovalente (Cr°) in Cr trivalente (Cr III) non tossico.

Le proprietà del Cromo metallico depositato elettroliticamente sono ben conosciute e l’utilizzo della cromatura è tuttora tra i più diffusi metodi per la protezione degli oggetti metallici dalla corrosione e dall’usura.

La cromatura è tecnicamente distinguibile in due tipologie di rivestimento utilizzate per finalità diverse:

  • La cromatura dura a spessore
  • La cromatura decorativa

CROMATURA DURA A SPESSORE

Mediante il processo di cromatura viene depositato direttamente su acciaio o su altro metallo base, uno strato funzionale di Cromo allo scopo di conferire una elevata durezza superficiale e proteggere il particolare da usura e corrosione.

Il rivestimento di Cromo duro è molto diffuso, soprattutto su particolari di geometria semplice sottoposti ad usura abrasiva da scorrimento come steli di cilindri idraulici, oleodinamici, rulli di calandratura per cartiere o per grafica e tantissime altre applicazioni dove la durezza e la capacità di scorrimento del Cromo risultano insuperabili.

Spessore

La cromatura dura viene depositata con spessori che possono andare da poche decine fino a centinaia di micron a seconda della gravosità dell’impiego.

In applicazioni con elevati carichi di scorrimento o usura gravosa si deposita uno strato con spessore elevato e si procede a una successiva rettifica per permettere di rientrare nella rugosità e nelle dimensioni corrette, spianando le irregolarità del rivestimento.

Un limite abbastanza importante del bagno di cromatura è la sua scarsa penetrazione nelle zone di bassa densità di corrente. In altre parole, la corrente necessaria alla deposizione galvanica tende a depositare il Cromo sulle parti più esterne del pezzo da rivestire. Ne consegue che lo strato di Cromo risulta molto più spesso sugli spigoli esterni mentre è scarso se non addirittura inesistente nelle parti interne di un pezzo meccanico complesso. Per questo motivo, nonostante le sue caratteristiche eccezionali, viene utilizzato principalmente su parti cilindriche o dalle forme semplici.

Durezza e resistenza ad usura

La durezza del cromo è elevata e va da 800 a 1000HV a seconda delle modalità di deposizione.

La cromatura dura è il rivestimento principe quando si necessita di una capacità di scorrimento molto buona unita ad una resistenza a usura massima, in situazioni di usura molto gravose. Lo strato di Cromo quando è depositato a massima durezza è micro-fessurato con criccature diffuse e questa caratteristica, se da una parte riduce la resistenza a corrosione, dall’altra permette alle sostanze oleose di insediarsi nelle fessure, operando una continua leggera lubrificazione che risulta molto vantaggiosa nel caso di scorrimento su guarnizioni come nei martinetti idraulici.

Resistenza a corrosione

La resistenza a corrosione è abbastanza buona anche se non risulta eccellente quando non è supportata da un rivestimento sottostante e ciò è dovuto alla micro-fessurazione dello strato che permette la corrosione del materiale base dopo poche ore di esposizione a nebbia salina.

CROMATURA DECORATIVA

È la classica cromatura lucida dei rubinetti e dei particolari utilizzati a scopo decorativo, per l’aspetto lucido ed attraente che si ottiene sul particolare dopo trattamento.

Viene anche detta Nichel-cromatura, in quanto si tratta di un duplice rivestimento, composto da un primo strato di nichelatura elettrolitica che conferisce levigatezza e brillantezza e un successivo strato di cromo, che dona un colore bianco-azzurro costante nel tempo e una resistenza ad abrasione da pulitura grazie alla sua durezza, permettendo così di mantenere la lucentezza del pezzo nel tempo.

Il Nichel-Cromo elettrolitico ha un costo ridotto ed un look decorativo e brillante, non eguagliato nell’estetica da altri trattamenti galvanici. Può soffrire di aderenza non eccellente sul metallo base e perciò, anche per la sua disuniformità di spessore, tipica di tutti i trattamenti galvanici, non viene quasi mai utilizzato per finalità funzionali su pezzi di meccanica di precisione.

Spessore

Lo spessore della cromatura decorativa è solitamente di circa 10-15µm. La nichelatura elettrolitica ha uno spessore di circa 10 µm e la cromatura viene depositata con spessori molto bassi, mediamente intorno al micron.

Resistenza a corrosione

Lo strato di cromo, essendo micro-fessurato non permette una buona resistenza a corrosione del materiale base e quindi viene in aiuto lo strato di nichel elettrolitico, che oltre a rendere il pezzo attraente grazie al potere brillantante e livellante del rivestimento, assolve al ruolo di proteggere il metallo base dalla corrosione.

CENNI STORICI E INTRODUZIONE ALLA NICHELATURA CHIMICA

Già verso il 1844 fu descritta una formazione di Nichel metallo da una soluzione contenente Sali di Nichel e Ipofosfito. Si deve però arrivare agli anni del dopoguerra per definire un processo industriale per la deposizione di lega di Nichel-Fosforo da soluzioni contenenti Sodio Ipofosfito e Solfato o Cloruro di Nichel. Il primo processo industrialmente efficiente fu brevettato nel 1955 con il nome di Kanigen. Da allora, nonostante la composizione della soluzione di nichelatura chimica sia rimasta essenzialmente la stessa, le continue modifiche alla formulazione dei bagni di nichelatura chimica hanno reso il processo sempre più affidabile raggiungendo ad oggi livelli massimi di qualità e costanza delle caratteristiche superficiali.

PROPRIETÀ DELLA NICHELATURA CHIMICA

La nichelatura chimica è un processo che deposita, sulla superficie del pezzo da trattare, un rivestimento a base di una lega di nichel fosforo, senza l’utilizzo di corrente. Si distingue dai processi elettrolitici proprio per l’assenza di una sorgente esterna di energia, permettendo di rivestire uniformemente tutte le superfici anche di pezzi con geometria complessa. Le caratteristiche superficiali conferite dalla nichelatura chimica sono l’uniformità di spessore, la resistenza a corrosione, la durezza e la resistenza a usura.

Il Nichel chimico può rivestire direttamente tutte le leghe metalliche di comune utilizzo nella meccanica (Acciaio, Acciaio Inox, Alluminio, Rame, Ottone), tranne le leghe di Zinco come la Zama che devono necessariamente essere ramate prima di procedere alla nichelatura.

Uniformità di spessore

Il bagno di Nichel chimico inizia a depositare metallo nel momento in cui il pezzo da rivestire viene immerso nella soluzione di nichelatura, innescando una reazione chimica tra l’anione ipofosfito ed il catione Nichel. La sua deposizione avviene regolarmente su tutte le superfici del pezzo immerso, con una velocità costante permettendo di ottenere un deposito uniforme di lega Nichel-Fosforo che varia il suo spessore tra un punto e l’altro del pezzo nel limite del ±10% dello spessore nominale richiesto. Ipotizzando uno spessore di 20 µm, la variazione di spessore tra un punto e l’altro dei pezzi immessi nel bagno di nichelatura chimica, sarà di ±2 µm su tutte le superfici raggiunte dalla soluzione di nichelatura e dove questa può circolare. Solo all’interno dei fori ciechi il rivestimento risulta scarso o assente perché gli stessi fori risentono della mancanza di ricambio del liquido di nichelatura, specialmente quando sono piccoli e profondi.

L’uniformità di spessore è una caratteristica unica tra i vari rivestimenti metallici e permette di stabilire a priori uno spessore adatto per il tipo di utilizzo del particolare meccanico, calcolando, in fase di progettazione del pezzo, quanto sarà il sovrametallo di cui tenere conto per rientrare nelle tolleranze delle quote finali con il particolare rivestito.

Resistenza a corrosione

La nichelatura chimica ha l’enorme vantaggio di proteggere in modo uniforme tutte le superfici che riveste. Il grado di protezione dato dal rivestimento è leggermente diverso tra i vari tipi di Nichel chimico ed è comunque superiore alla nichelatura e cromatura galvanica a parità di spessore. Il grado di protezione dipende molto dalla lega metallica di base e dallo stato di finitura della superficie.

Prendendo come esempio l’alluminio, la resistenza a corrosione dipenderà molto dalla lega utilizzata, dal metodo di produzione e della finitura superficiale. Pezzi lavorati dal pieno avranno sicuramente una resistenza a corrosione migliore di pezzi pressofusi con superfici lasciate grezze. La ghisa resisterà meno dell’acciaio a causa della sua porosità, e superfici lavorate meccanicamente resisteranno meglio di superfici lasciate grezze da trafila.

Si possono scegliere spessori di rivestimento più o meno elevati, per far fronte ad ambienti più o meno aggressivi. Lo spessore è solitamente compreso tra 5µm e 50µm.

Il NIPLATE® 500 è il più adatto a proteggere dalla corrosione i particolari in leghe di Ferro e leghe di Rame mentre per l’Alluminio il più adatto è il NIPLATE® eXtreme NIPLATE® eXtreme.

Durezza e resistenza a usura

Le leghe Ni-P, a seconda del tipo di Nichel chimico depositato, hanno durezze che vanno da circa 500 HV a 700 HV con una ottima resistenza a usura, proporzionale alla durezza. Si possono ulteriormente indurire mediante un trattamento termico a temperature superiori a 250°C e nel limite dei 400°C, che modifica la struttura del rivestimento metallico di lega Ni-P, creando aggregati cristallini di Ni3P (Fosfuro di Nichel), che aumentano la durezza dello strato fino a oltre 1000 HV, incrementando di molto anche la resistenza a usura.

La durezza simile alla cromatura, unitamente alla uniformità di spessore, fa preferire il nichel chimico in molte applicazioni, in quanto permette di evitare una lavorazione successiva di rettifica e relativi costi.

Per le necessità di resistenza ad usura il Nichel chimico più indicato è il NIPLATE 600® che ha una durezza di circa 700 HV e può essere indurito fino a 1000-1050 HV. Per molte applicazioni la durezza di circa 700HV soddisfa le esigenze di resistenza ad usura e permette di evitare il raggiungimento di temperature elevate che per alcuni materiali, come la lega di alluminio 7000, posso essere deleterie.

Esiste inoltre un trattamento di nichelatura chimica NIPLATE 600® SiC additivato di particelle di Carburo di Silicio, che raggiunge durezze di 1150HV, con una resistenza ad usura superiore anche al Cromo duro.

IN SINTESI

CROMATURA DURA

Vantaggi:

  • Durezza elevata, variabile tra 800 e 1000HV a seconda del processo di deposizione.
  • Spessori di deposito anche elevati oltre i 100 µm per utilizzi gravosi di usura abrasiva.
  • Resistenza ad usura maggiore del Nichel chimico indurito (anche se inferiore al quella del co-deposito di Nichel + Carburo di Silicio NIPLATE®600 SiC)
  • Economicità del trattamento su barrame vario, steli o rulli anche di dimensioni elevate.

Svantaggi:

  • Scarsa penetrazione del deposito nei recessi con necessità di utilizzare anodi speciali per ovviare a questo limite.
  • Necessità di rilavorazioni di rettifica a causa della disuniformità dello strato su spessori elevati.
  • Resistenza alla corrosione discreta, non eccellente.
  • Limitazioni all’uso del cromo esavalente nei processi industriali

CROMATURA DECORATIVA

Vantaggi:

  • Economicità del trattamento.
  • Aspetto brillante e livellato per usi decorativi.

Svantaggi:

  • Spessori scarsamente controllabili e limitati a pochi micron.
  • Non adatto ad utilizzo per funzioni meccaniche.
  • Scarsa resistenza a corrosione per pezzi di forma complessa.

NICHELATURA CHIMICA

Vantaggi:

  • Uniformità di spessore su tutto il particolare rivestito con spessori calibrati e tolleranze strette.
  • Ottima resistenza a corrosione.
  • Elevata durezza e resistenza a usura.

Svantaggi:

  • Costo del trattamento non concorrenziale per lo scopo decorativo.
  • Difficoltà a depositare spessori oltre i 100 µm.
  • Necessità di trattamento termico per il raggiungimento delle massime durezze.