Il processo di deposizione del nichel chimico permette di creare dei rivestimenti compositi inglobando nello strato di nichel chimico le particelle introdotte nel bagno di trattamento, a condizione di rispettare alcuni parametri che aiutano la codeposizione delle stesse.

Questo articolo descrive le particelle che, inserite nel rivestimento, provocano una riduzione del coefficiente di frizione e proprietà di anti-aderenza.

Cenni storici

Già nei primi anni di sviluppo industriale della nichelatura chimica si era trovato il modo di co-depositare particelle autolubrificanti come il PTFE (Politetrafluoroetilene) disperdendole nell’elettrolita per la nichelatura chimica.

Anche altre particelle, che hanno il pregio di ridurre il coefficiente di frizione, sono state inglobate sperimentalmente nel nichel chimico. Si tratta principalmente di Disolfuro di molibdeno (MoS2), Grafite (C), Nitruro di boro esagonale (hBN). Queste molecole hanno una struttura cristallina piana esagonale che fa sì che i cristalli possano scorrere secondo piani paralleli fra loro con attrito bassissimo. Per esercitare il loro potere antiattrito devono scorrere più piani cristallini uno sull’altro. Le particelle cristalline a struttura lamellare hanno tutte coefficiente di frizione molto basso e fra loro paragonabile, ma ognuna ha la propria temperatura limite di utilizzo. In questo senso il prodotto più performante risulta il hBN che resiste anche ad alte temperature.

L’inglobazione nello strato di nichel chimico di queste micro e nano polveri è praticabile, ma a causa di problematiche impiantistiche causate dalla tendenza alla agglomerazione e coagulazione delle particelle stesse, è utilizzato in settori di nicchia e non è mai stato sviluppato in modo diffuso nell’ambito industriale. Oltre ai problemi di impianto, esiste la necessità di inglobare particelle in elevata quantità in modo che, con lo scorrimento, si disponga in superficie di una quantità adeguata di lamelle sufficiente a produrre più piani di scorrimento all’interfaccia, che siano efficaci nell’azione di abbassare la frizione.

Stato dell’arte

Il PTFE è la molecola più utilizzata nell’ambito della riduzione dell’attrito e fa parte della famiglia dei polimeri fluorurati che possiedono le caratteristiche comuni di basso coefficiente di attrito e antiaderenza.
In particolare, il polimero PTFE ha una elevata temperatura di utilizzo in continuo di 250°C e di iniziale degradazione superiore ai 300°C. Il PTFE ha il grande vantaggio di poter essere utilizzato in dispersione acquosa nei bagni di nichel chimico con dimensione delle particelle depositate di circa 300nm (0,3 µm).
In funzione della formulazione dell’elettrolita, le particelle di PTFE vengono codepositate in quantità più o meno elevata, fornendo variazioni del coefficiente di attrito proporzionali alla quantità di PTFE disponibile.
Il PTFE, avendo una struttura plastica, permette di essere “spalmato” dallo scorrimento della controparte sulla superficie, creando così un sottilissimo velo di lubrificante solido all’interfaccia dei due metalli.

Il coefficiente di attrito, per scorrimento a secco, del nichel chimico su controparte metallica, risulta essere pari a 0,4-0,5. Se lo strato di Nichel chimico contiene una buona quantità di PTFE (almeno 20-25% in volume) abbassa il suo coefficiente di attrito a circa 0,1-0,12 che si avvicina molto a quello del PTFE puro che è 0,05. Il Niplate® 500 PTFE possiede una percentuale alta di PTFE (25-35%) ed il coefficiente di attrito risulta di 0,1 contro acciaio e di 0,08 per scorrimento su sé stesso.
Il rivestimento è indicato per scorrimenti di superfici a rugosità non elevata, con forze di contatto basse e dove non ci sia usura particolarmente abrasiva.
In applicazioni dove si verifica usura abrasiva, funzionano bene i rivestimenti di nichel chimico contenenti particelle ceramiche dure come il Niplate® 600 SiC

Altra caratteristica importante del PTFE è l’elevato potere distaccante causato dalla sua inerzia chimica che non crea legami con i materiali con cui viene a contatto.
Se da una parte è molto utile come distaccante, dall’altra, l’aderenza dello strato di PTFE puro, applicato come coating, è scarsa. Un significativo esempio sono le pentole antiaderenti dove il rivestimento si stacca purtroppo anche molto facilmente dall’Alluminio nonostante una adeguata sabbiatura e preparazione.
L’inserimento del PTFE in una matrice di nichel chimico, molto uniforme e molto aderente al metallo base, evita il problema della sua scarsa aderenza e permette di utilizzarne le proprietà anche su cavità interne con elevata precisione dimensionale.

L’alto contenuto di PTFE del Niplate® 500 PTFE lo fa preferire ad altri rivestimenti dello stesso tipo ma che ne contengono un tenore inferiore. Il Niplate 500®PTFE permette un ottimo distacco e viene utilizzato ad esempio su estrusori per le materie plastiche per ridurre le pressioni necessarie ad estrudere. Abitualmente, a causa dell’attrito prodotto dalla forte pressione di estrusione, si possono generare nella camera, bruciature del polimero da estrudere che vengono invece eliminate dalla capacità di scorrimento del depositato che permette una minor pressione di estrusione e conseguente minor attrito. Vene utilizzato su piastre di saldatura film per imballaggio, su parti di macchine per incollaggio ed etichettatura. Il Niplate 500®PTFE è molto utile per evitare accumuli di calcare su ugelli di elettrovalvole per acqua ed accumuli di melme e biofilm su scambiatori di calore. Un utilizzo comune è su guide senza lubrificazione, dove può sopportare alte velocità di scorrimento a secco.

Vista in superficie di un rivestimento Nichel PTFE composito con il 7% di PTFE
Vista in superficie di un rivestimento Nichel PTFE composito con il 7% di PTFE
Vista in superficie di un rivestimento Nichel PTFE composito, Niplate 500 PTFE, con il 30% di PTFE
Vista in superficie di un rivestimento Nichel PTFE composito, Niplate 500 PTFE, con il 30% di PTFE