Czym jest niklowanie chemiczne

Niklowanie chemiczne (zwane także niklem chemicznym) to powłoka ze stopu niklu i fosforu osadzana w wyniku reakcji autokatalitycznej, bez użycia prądu elektrycznego. Zapewnia jednolitą grubość nawet na elementach o złożonej geometrii, wysoką twardość oraz dobrą odporność na korozję i zużycie, dlatego jest bardzo powszechnie stosowane w mechanice precyzyjnej.

W mechanice precyzyjnej głównymi stosowanymi stopami metali są stopy żelaza, aluminium i miedzi, co wynika z ich właściwości mechanicznych, a także z dostępności, ekonomiczności i łatwej obrabialności.

Rozwój rynku i technologii spowodował konieczność uzyskiwania coraz wyższych parametrów, również w zakresie powierzchni. Wymienione trzy grupy stopów często wykazują niewystarczające właściwości powierzchniowe, na przykład pod względem odporności na korozję lub zużycie. W związku z tym bardzo często stosuje się specjalne powłoki, które spełniają wymagania techniczne i/lub estetyczne.

Niklowanie chemiczne to powłoka najlepiej dopasowana do komponentów mechaniki precyzyjnej, ponieważ łączy liczne zalety: jednolitą grubość, wysoką twardość, odporność na zużycie i doskonałą odporność na korozję.

Proces niklowania chemicznego polega na zanurzeniu w roztworze niklu, co wywołuje reakcję autokatalityczną bez użycia prądu. Na powierzchni elementu powstaje w ten sposób stop niklu i fosforu, będący wynikiem reakcji redoks między jonem Ni⁺⁺ (pochodzącym z siarczanu niklu) a jonem H₂PO₂^- (z podfosforynu sodu, który jest reduktorem).

Proces ten zapewnia jednolitą grubość na wszystkich obszarach, w tym na powierzchniach wewnętrznych i elementach o złożonej geometrii, co pozwala zachować wąskie tolerancje bez konieczności maskowania lub dodatkowej obróbki powierzchni krytycznych. Ponadto całkowite pokrycie elementu gwarantuje ochronę przed korozją i zużyciem również na powierzchniach wewnętrznych, takich jak otwory i podcięcia.

W procesach galwanicznych (elektrolitycznych), takich jak chromowanie czy niklowanie elektrolityczne, do osadzania metalu wykorzystuje się natomiast prąd elektryczny. Nieuchronnie prowadzi to do większej grubości powłoki na krawędziach i mniejszej w obszarach wewnętrznych.

Niklowanie chemiczne a niklowanie elektrolityczne

Niklowanie chemiczne i elektrolityczne łączy w istocie wyłącznie sam metal – nikiel, natomiast procesy, wynikające z nich właściwości powierzchni oraz branże zastosowań są bardzo różne.

Niklowanie elektrolityczne jest często stosowane w zastosowaniach dekoracyjnych, aby zapewnić odporność na korozję i srebrzysty, metaliczny wygląd. Zazwyczaj łączy się je z podkładową powłoką miedzianą, która poprawia przyczepność i pozwala uzyskać błyszczący, lśniący wygląd. Ma przeciętną twardość i niższą odporność na korozję niż niklowanie chemiczne.

Niklowanie chemiczne jest preferowane w zastosowaniach technicznych, w których wymagana jest twardość do 1000 HV, odporność na zużycie, obniżenie współczynnika tarcia i doskonała odporność na korozję. Można je nakładać na stopy żelaza, aluminium, miedzi i tytanu.

Normy techniczne

Normy techniczne i standardy międzynarodowe dotyczące niklu chemicznego są następujące:

Najbardziej rozpowszechnioną i uznaną normą jest ISO 4527, która określa wymagania i metody badań dla autokatalitycznych powłok niklowo-fosforowych nakładanych na podłoża metalowe.

Rodzaje niklu chemicznego

Powłoki dzielą się w zależności od zawartości fosforu w stopie:

Aby jeszcze bardziej poprawić właściwości powierzchniowe niklowania chemicznego, dostępne są powłoki z dodatkiem cząstek specjalnych:

• Nikiel chemiczny + PTFE: nanometryczne cząstki PTFE są współosadzane w warstwie niklu chemicznego w stężeniu 25–35% objętościowo. Dzięki właściwościom PTFE powłoka Niplate 500 PTFE charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem tarcia (0,08–0,12), wysoką odpornością na korozję, dobrą twardością i doskonałą przyczepnością do metalu podstawowego – cechami, których brakuje powłokom PTFE nakładanym natryskowo.
• Nikiel chemiczny + SiC: do zastosowań, w których odporność na zużycie ma podstawowe znaczenie, opracowano powłokę kompozytową Niplate 600 SiC . Mikrometryczne cząstki węglika krzemu (SiC), bardzo twardego materiału ceramicznego, nadają powłoce wyjątkową odporność na zużycie zarówno ścierne, jak i adhezyjne, przewyższając parametry chromowania.

Wygląd estetyczny

Niklowanie chemiczne ma błyszczący, metaliczny wygląd, o barwie zbliżonej do stali nierdzewnej. Cechuje się wysoką odpornością na utlenianie, dzięki czemu barwa i połysk utrzymują się przez długi czas.

Pierwotna morfologia powierzchni i chropowatość nie ulegają istotnej zmianie po nałożeniu powłoki; dlatego wygląd końcowy odpowiada wyglądowi początkowemu. Aby uzyskać wykończenie matowe, można zastosować piaskowanie, kulowanie lub śrutowanie.

Nikiel chemiczny + PTFE ma barwę szarą w odcieniu „lufy karabinowej”.

Nikiel chemiczny + SiC ma barwę jasnoszarą.

Stopy metali nadające się do powlekania

Niklowanie chemiczne można stosować na większości stopów powszechnie używanych w mechanice:

• Stal węglowa
• Stal nierdzewna
• Stale nawęglane i hartowane
• Stopy aluminium (do obróbki plastycznej lub odlewnicze)
• Stopy miedzi, mosiądz
• Stopy tytanu

Grubość powłoki i tolerancja

Grubość powłoki niklu chemicznego jest jednolita na wszystkich powierzchniach elementu. Zazwyczaj stosuje się grubości od 5 µm do 50 µm, z tolerancją ±10% (minimum ±2 µm). Grubości standardowe to:

• 5±2 µm
• 10±2 µm
• 20±2 µm

W zastosowaniach o wysokich obciążeniach, na przykład w środowisku morskim lub w warunkach intensywnego zużycia, można wybrać grubości 30±3 µm lub 50±5 µm, które zapewniają większą ochronę w zależności od grubości.

Wybór optymalnej grubości zależy od wymagań, materiału podstawowego i środowiska pracy (np. warunków zużycia lub agresywności chemicznej). Micron Srl oferuje doradztwo konstruktorom, projektantom i zakładom mechanicznym w celu doboru najodpowiedniejszej grubości.

Twardość i obróbka cieplna utwardzająca

Powłoka niklowania chemicznego charakteryzuje się wysoką twardością, wyższą niż twardość wielu innych stopów metali. Po odpowiedniej obróbce cieplnej może osiągnąć wartości 1000 HV (69 HRC), przewyższając twardość stali nawęglanych lub azotowanych. Zapewnia to powlekanym komponentom doskonałą odporność na zużycie, także dzięki niskiemu współczynnikowi tarcia niklu chemicznego.

Odwodorowanie

Podczas niklowania chemicznego następuje dyfuzja wodoru atomowego do powłoki i podłoża metalowego. W materiałach o wysokiej wytrzymałości może to prowadzić do tzw. kruchości wodorowej. Jednak w porównaniu z procesami galwanicznymi (takimi jak chromowanie czy niklowanie elektrolityczne) ilość wprowadzanego wodoru jest mniejsza, ponieważ nie stosuje się prądu elektrycznego. Zazwyczaj przeprowadza się obróbkę cieplną odwodorowującą (180 °C przez 4 godziny), aby usunąć wodór i poprawić przyczepność powłoki.

Utwardzanie

Obróbkę cieplną utwardzającą wykonuje się zwykle w temperaturze 260–280 °C, aby uzyskać twardość około 800 HV, oraz w temperaturze 340 °C, aby osiągnąć około 1000 HV. Obróbka w temperaturze 260–280 °C może powodować lekkie żółte zabarwienie powierzchni elementów w wyniku nieznacznego utlenienia powierzchni zachodzącego w tych temperaturach. Utwardzanie w temperaturze 340 °C, które zwykle przeprowadza się w piecu z atmosferą powietrza, powoduje opalizujące żółto-niebieskie zabarwienie powierzchni elementów. Ten sam proces utwardzania można alternatywnie przeprowadzić w piecu z atmosferą kontrolowaną, co pozwala zachować metaliczny wygląd niklu chemicznego.

Odporność na korozję

Niklowanie chemiczne zapewnia doskonałą odporność na korozję, jednak zachowanie powłoki zależy od stopu metalu znajdującego się pod spodem:

• Stopy żelaza: najlepszą odporność na korozję zapewnia cynkowanie, ponieważ cynk działa jako anoda protektorowa i koroduje jako pierwszy, chroniąc żelazo przed korozją. Nikiel chemiczny wybiera się zamiast cynkowania, gdy wymagane są wąskie tolerancje, ochrona również w obszarach wewnętrznych, wysoka odporność na zużycie lub na substancje lekko kwaśne bądź zasadowe.
• Stopy aluminium: nikiel chemiczny konkuruje z anodowaniem, wyróżniając się wyższą twardością powierzchniową, lepszą odpornością chemiczną w środowiskach nieneutralnych, niższym współczynnikiem tarcia i niższą chropowatością, przewodnością elektryczną oraz pokryciem wszystkich powierzchni, w tym wewnętrznych.
• Stopy miedzi (mosiądz): nikiel chemiczny może zapewnić doskonałą odporność na korozję, przekraczającą 1000 godzin w neutralnej mgle solnej (NSS) bez śladów korozji.

Nikiel chemiczny ma bardzo dobrą odporność chemiczną w środowiskach neutralnych lub lekko agresywnych i zachowuje niezmieniony metaliczny wygląd. Dobrze znosi działanie węglowodorów, alkoholi, neutralnych roztworów soli, rozcieńczonych kwasów redukujących i rozcieńczonych zasad. Jest mniej odpowiedni w obecności stężonych kwasów i zasad, zwłaszcza utleniających.

Magnetyzm

Nikiel chemiczny średniofosforowy (5-9% P) wykazuje właściwości ferromagnetyczne. Natomiast nikiel chemiczny wysokofosforowy (>10% P) jest amorficzny i w tym stanie nie wykazuje zauważalnego ferromagnetyzmu. Jeśli jednak zostanie poddany obróbce cieplnej w temperaturze powyżej około 250–300 °C, faza amorficzna ma tendencję do krystalizacji z utworzeniem związków (np. Ni₃P), które nadają właściwości ferromagnetyczne. W związku z tym, jeśli celem jest uniknięcie jakiegokolwiek magnetyzmu, należy wybrać powłokę wysokofosforową (taką jak Niplate 500) i nie przeprowadzać utwardzania w temperaturach, które mogłyby wywołać krystalizację.

Chropowatość

Niklowanie chemiczne nie zmienia w istotny sposób chropowatości powierzchni uzyskanej w obróbce mechanicznej; wartości pozostają praktycznie niezmienione w stosunku do początkowych.

Szlifowanie

Niektóre szczególne zastosowania wymagają szlifowania po nałożeniu powłoki niklu chemicznego, jak na przykład tłoczyska siłowników hydraulicznych, które wymagają bardzo wąskich tolerancji i precyzyjnych pasowań.

Nikiel chemiczny, mimo że jest bardzo twardy, stosunkowo łatwo poddaje się szlifowaniu. Preferowana jest wręcz obróbka utwardzająca do 800 HV lub 1000 HV, ponieważ zapewnia lepszą obrabialność i łatwiejsze usuwanie wióra.

Lutowność

Powłoka niklowania chemicznego Niplate dobrze nadaje się do lutowania. Jest bardzo często stosowana na przewodnikach miedzianych w celu zapobiegania utlenianiu powierzchni miedzi i zapewnienia doskonałej lutowności komponentów elektronicznych. Nikiel chemiczny, oprócz ochrony miedzi przed korozją, zachowuje niezmienione właściwości powierzchniowe w czasie, ponieważ nie utlenia się i nie koroduje.

REACh i RoHS

Powłoki niklowania chemicznego Niplate są zgodne z rozporządzeniem REACh i dyrektywą RoHS, ponieważ nie zawierają substancji objętych ograniczeniami stosowania powyżej maksymalnych dopuszczalnych stężeń ani substancji SVHC w ilościach przekraczających 0,1% wagowo.