Niklowanie chemiczne czy chromowanie?

Niklowanie chemiczne czy chromowanie? Zależy od zastosowania: chromowanie twarde nadaje się do prostych powierzchni narażonych na zużycie w ruchu ślizgowym, natomiast niklowanie chemiczne zapewnia jednorodną grubość powłoki na elementach o skomplikowanej geometrii i może stanowić alternatywę tam, gdzie stosowanie chromu sześciowartościowego podlega ograniczeniom rozporządzenia REACH. Poniżej przedstawiono porównanie techniczne chromowania twardego, chromowania dekoracyjnego i niklu chemicznego.

Wychodząc od badań Galvaniego (1791), Volta w 1800 roku wynalazł ogniwo, które umożliwiło późniejszy rozwój galwanostegii, czyli osadzania metalu na powierzchniach przewodzących. Pierwsze elektrolity do chromowania w skali przemysłowej wprowadzono w drugiej połowie XIX wieku i udoskonalono w pierwszych latach XX wieku.

Poza niewielkimi różnicami w składzie elektrolitów do chromowania, do dziś podstawowym składnikiem kąpieli chromowej jest bezwodnik chromowy CrO3, który w roztworze nazywany jest kwasem chromowym. Chrom w tym elektrolicie występuje w postaci sześciowartościowej, a jego sole nazywane są chromianami.

Ze względu na wysoką toksyczność chromu w postaci sześciowartościowej (Cr VI) obecnie obowiązują poważne ograniczenia jego stosowania. Natomiast chrom metaliczny, nawet osadzony z kąpieli chromu sześciowartościowego, nie podlega ograniczeniom użytkowania, ponieważ jest obojętny, a jego rozpuszczanie w środowiskach agresywnych nie stanowi problemu: chrom zerowartościowy (Cr°) przechodzi w chrom trójwartościowy (Cr III), znacznie mniej toksyczny niż Cr(VI).

Ze względu na zagrożenia związane z chromem sześciowartościowym rozporządzenie REACH ograniczyło jego stosowanie do przedsiębiorstw, które uzyskały stosowne zezwolenie. Z tego powodu w ostatnich latach opracowano elektrolity wykorzystujące chrom trójwartościowy zamiast sześciowartościowego do chromowania dekoracyjnego. W przypadku chromowania twardego grubowarstwowego alternatywy dla chromu sześciowartościowego istnieją w niektórych obszarach zastosowań, ale nie zawsze zapewniają równoważne właściwości ani nie mogą go zastąpić we wszystkich zastosowaniach.

Właściwości chromu metalicznego osadzanego elektrolitycznie są dobrze znane, a chromowanie nadal należy do najczęściej stosowanych metod ochrony elementów metalowych przed korozją i zużyciem.

Chromowanie można technicznie podzielić na dwa rodzaje powłok, stosowane w różnych celach:

• Chromowanie twarde grubowarstwowe
• Chromowanie dekoracyjne

CHROMOWANIE TWARDE GRUBOWARSTWOWE

W procesie chromowania bezpośrednio na stali lub innym metalu podłoża osadza się funkcjonalną warstwę chromu, której zadaniem jest nadanie wysokiej twardości powierzchniowej oraz ochrona detalu przed zużyciem i korozją.

Powłoka z chromu twardego jest bardzo rozpowszechniona, zwłaszcza na detalach o prostej geometrii poddawanych zużyciu ściernemu w ruchu ślizgowym, takich jak tłoczyska siłowników hydraulicznych, w tym olejowych, czy walce kalandrów w papierniach lub w poligrafii. Znajduje również wiele innych zastosowań, w których twardość i właściwości ślizgowe chromu są niezrównane.

Grubość powłoki chromu twardego

Chrom twardy osadza się w warstwach o grubości od kilkudziesięciu do nawet kilkuset mikrometrów, w zależności od obciążenia w danym zastosowaniu.

W zastosowaniach o dużych obciążeniach ślizgowych lub intensywnym zużyciu osadza się warstwę o dużej grubości, a następnie przeprowadza się szlifowanie, aby uzyskać prawidłową chropowatość i wymiary, wyrównując nierówności powłoki.

Dość istotnym ograniczeniem kąpieli chromowej jest jej słaba zdolność penetracji w obszary o niskiej gęstości prądu. Innymi słowy, prąd niezbędny do osadzania galwanicznego powoduje osadzanie chromu głównie na zewnętrznych częściach powlekanego elementu. W rezultacie warstwa chromu jest znacznie grubsza na zewnętrznych krawędziach, natomiast jest cienka, a nawet całkowicie nieobecna w wewnętrznych partiach skomplikowanego elementu mechanicznego. Z tego powodu, mimo wyjątkowych właściwości, chrom stosuje się głównie na częściach cylindrycznych lub o prostych kształtach.

Twardość i odporność na zużycie chromu twardego

Twardość chromu jest wysoka i wynosi od 800 do 1000 HV, w zależności od sposobu osadzania.

Powłoka chromu twardego jest powłoką pierwszego wyboru, gdy wymagana jest bardzo dobra charakterystyka ślizgowa w połączeniu z maksymalną odpornością na zużycie, w bardzo trudnych warunkach eksploatacji. Warstwa chromu osadzona w warunkach zapewniających maksymalną twardość ma liczne mikropęknięcia. Cecha ta z jednej strony obniża odporność na korozję, z drugiej pozwala substancjom oleistym gromadzić się w szczelinach, zapewniając ciągłe, lekkie smarowanie, bardzo korzystne w przypadku ruchu ślizgowego po uszczelnieniach, jak w siłownikach hydraulicznych.

Odporność na korozję chromu twardego

Odporność na korozję jest dość dobra, choć nie doskonała, jeśli pod powłoką chromową nie ma warstwy podkładowej. Wynika to z mikropęknięć warstwy, które umożliwiają korozję materiału podłoża już po kilku godzinach ekspozycji na mgłę solną.

CHROMOWANIE DEKORACYJNE

Jest to klasyczne błyszczące chromowanie baterii i detali stosowanych w celach dekoracyjnych, ze względu na połyskujący i atrakcyjny wygląd uzyskiwany na detalu po obróbce.

Nazywane jest również niklowaniem-chromowaniem, ponieważ stanowi powłokę dwuwarstwową, złożoną z pierwszej warstwy niklu elektrolitycznego, nadającej gładkość i połysk, oraz kolejnej warstwy chromu, która nadaje biało-niebieskawą barwę stałą w czasie oraz, dzięki swojej twardości, odporność na ścieranie podczas czyszczenia, pozwalając w ten sposób zachować połysk elementu na długo.

Elektrolityczna powłoka niklowo-chromowa ma niski koszt oraz dekoracyjny i błyszczący wygląd, nieosiągalny pod względem estetyki w przypadku innych obróbek galwanicznych. Może charakteryzować się nie najlepszą przyczepnością do metalu podłoża, dlatego, również z uwagi na nierównomierność grubości, typową dla wszystkich obróbek galwanicznych, prawie nigdy nie jest stosowana do celów funkcjonalnych na elementach mechaniki precyzyjnej.

Grubość powłoki dekoracyjnej

Grubość powłoki uzyskanej przez chromowanie dekoracyjne wynosi zazwyczaj około 10–15 µm. Warstwa niklu elektrolitycznego ma grubość około 10 µm, a chrom osadza się w bardzo cienkich warstwach, średnio o grubości około jednego mikrometra.

Odporność na korozję powłoki dekoracyjnej

Warstwa chromu ze względu na mikropęknięcia nie zapewnia dobrej odporności na korozję materiału podłoża, dlatego z pomocą przychodzi warstwa niklu elektrolitycznego, która oprócz nadania elementowi atrakcyjnego wyglądu dzięki właściwościom wybłyszczającym i wyrównującym powłoki pełni funkcję ochrony metalu podłoża przed korozją.

RYS HISTORYCZNY I WPROWADZENIE DO NIKLOWANIA CHEMICZNEGO

Już około 1844 roku opisano powstawanie metalicznego niklu z roztworu zawierającego sole niklu i podfosforyn. Dopiero jednak w latach powojennych opracowano proces przemysłowy osadzania stopu niklu z fosforem z roztworów zawierających podfosforyn sodu oraz siarczan lub chlorek niklu. Pierwszy skuteczny przemysłowo proces został opatentowany w 1955 roku pod nazwą Kanigen. Od tamtej pory, mimo że skład roztworu do niklowania chemicznego pozostał zasadniczo ten sam, ciągłe modyfikacje receptur kąpieli sprawiły, że proces stawał się coraz bardziej niezawodny, osiągając obecnie najwyższy poziom jakości i stałości właściwości powierzchniowych.

WŁAŚCIWOŚCI NIKLOWANIA CHEMICZNEGO

Niklowanie chemiczne to proces, w którym na powierzchni obrabianego elementu osadza się powłokę na bazie stopu niklu z fosforem, bez użycia prądu. Od procesów elektrolitycznych odróżnia go właśnie brak zewnętrznego źródła energii, co pozwala na jednorodne powlekanie wszystkich powierzchni, również elementów o skomplikowanej geometrii. Cechami powierzchniowymi nadawanymi przez niklowanie chemiczne są jednorodność grubości, odporność na korozję, twardość i odporność na zużycie.

Niklem chemicznym można bezpośrednio powlekać wszystkie stopy metali powszechnie stosowane w mechanice (stal, stal nierdzewną, aluminium, miedź, mosiądz), z wyjątkiem stopów cynku, takich jak znal, które przed niklowaniem muszą zostać pomiedziowane.

Jednorodność grubości

Kąpiel do niklowania chemicznego zaczyna osadzać metal w momencie zanurzenia powlekanego elementu w roztworze do niklowania, co uruchamia reakcję chemiczną między anionem podfosforynowym a kationem niklu. Osadzanie zachodzi równomiernie na wszystkich powierzchniach zanurzonego elementu, ze stałą szybkością, co pozwala uzyskać jednorodną powłokę stopu niklu z fosforem, której grubość w poszczególnych punktach elementu zmienia się w granicach ±10% nominalnej wymaganej grubości. Przy założeniu grubości 20 µm odchylenia grubości w poszczególnych punktach elementów zanurzonych w kąpieli do niklowania chemicznego wyniosą ±2 µm na wszystkich powierzchniach, do których dociera roztwór i przy których może on krążyć. Jedynie wewnątrz otworów nieprzelotowych powłoka jest cienka lub nieobecna, ponieważ w takich otworach brakuje wymiany cieczy do niklowania, zwłaszcza gdy są małe i głębokie.

Jednorodność grubości jest cechą unikalną wśród powłok metalicznych i pozwala z góry ustalić grubość odpowiednią do rodzaju zastosowania detalu mechanicznego, obliczając już na etapie projektowania elementu naddatek, który należy uwzględnić, aby po powlekaniu zmieścić się w tolerancjach wymiarów końcowych.

Odporność na korozję powłoki niklu chemicznego

Ogromną zaletą niklowania chemicznego jest jednolita ochrona wszystkich powlekanych powierzchni. Stopień ochrony zapewnianej przez powłokę różni się nieznacznie w zależności od rodzaju niklu chemicznego i jest w każdym razie wyższy niż w przypadku niklowania i chromowania galwanicznego przy tej samej grubości. Stopień ochrony zależy w dużej mierze od stopu metalu podłoża i stanu wykończenia powierzchni.

Na przykładzie aluminium: odporność na korozję będzie zależeć w dużym stopniu od zastosowanego stopu, metody produkcji i wykończenia powierzchni. Elementy obrobione z materiału pełnego będą miały z pewnością lepszą odporność na korozję niż elementy odlewane ciśnieniowo z surowymi powierzchniami. Żeliwo będzie mniej odporne niż stal ze względu na swoją porowatość, a powierzchnie obrobione mechanicznie będą bardziej odporne niż powierzchnie pozostawione surowe po ciągnieniu.

Można wybierać większe lub mniejsze grubości powłoki, aby sprostać mniej lub bardziej agresywnym środowiskom. Grubość mieści się zazwyczaj w przedziale od 5 µm do 50 µm.

NIPLATE® 500 jest najbardziej odpowiedni do ochrony przed korozją detali ze stopów żelaza i stopów miedzi, natomiast dla aluminium najbardziej odpowiedni jest NIPLATE® eXtreme .

Twardość i odporność na zużycie powłoki niklu chemicznego

Stopy Ni-P, w zależności od rodzaju osadzanego niklu chemicznego, mają twardość od około 500 HV do 700 HV oraz bardzo dobrą odporność na zużycie, proporcjonalną do twardości. Można je dodatkowo utwardzać obróbką cieplną w temperaturach powyżej 250 °C, nieprzekraczających 400 °C, która zmienia strukturę powłoki metalicznej ze stopu Ni-P, tworząc krystaliczne skupiska Ni3P (fosforku niklu), zwiększające twardość warstwy do ponad 1000 HV i znacznie podnoszące również odporność na zużycie.

Twardość zbliżona do twardości powłoki chromowej, w połączeniu z jednorodnością grubości, sprawia, że w wielu zastosowaniach preferuje się nikiel chemiczny, ponieważ pozwala uniknąć późniejszego szlifowania i związanych z nim kosztów.

Do zastosowań wymagających odporności na zużycie najbardziej odpowiednim niklem chemicznym jest NIPLATE 600®, o twardości około 700 HV, który można utwardzić do 1000–1050 HV. W wielu zastosowaniach twardość około 700 HV spełnia wymagania dotyczące odporności na zużycie i pozwala uniknąć osiągania wysokich temperatur, które dla niektórych materiałów, takich jak stopy aluminium serii 7000, mogą być szkodliwe.

Istnieje ponadto powłoka niklu chemicznego NIPLATE 600® SiC z dodatkiem cząstek węglika krzemu, która osiąga twardość 1150 HV i wykazuje odporność na zużycie wyższą nawet niż chrom twardy.

PODSUMOWANIE

Zalety i wady – chromowanie twarde

Zalety:

• Wysoka twardość, w zakresie od 800 do 1000 HV w zależności od procesu osadzania.
• Duże grubości osadzanej warstwy, nawet powyżej 100 µm, w przypadku wymagających zastosowań związanych ze zużyciem ściernym.
• Odporność na zużycie wyższa niż w przypadku utwardzonego niklu chemicznego (choć niższa niż w przypadku współosadzanej powłoki niklu z węglikiem krzemu NIPLATE® 600 SiC).
• Ekonomiczność obróbki różnego rodzaju elementów, tłoczysk lub walców, także o dużych wymiarach.

Wady:

• Słaba penetracja osadu we wgłębieniach, co wymaga stosowania anod specjalnych w celu zniwelowania tego ograniczenia.
• Konieczność szlifowania wykończeniowego z powodu nierównomierności warstwy przy dużych grubościach.
• Odporność na korozję zadowalająca, lecz nie doskonała.
• Ograniczenia stosowania chromu sześciowartościowego w procesach przemysłowych.

Zalety i wady – chromowanie dekoracyjne

Zalety:

• Ekonomiczność obróbki.
• Błyszcząca i wyrównana powierzchnia do zastosowań dekoracyjnych.

Wady:

• Grubości trudne do kontrolowania i ograniczone do kilku mikrometrów.
• Nieodpowiednie do zastosowań mechanicznych.
• Słaba odporność na korozję w przypadku elementów o skomplikowanym kształcie.

NIKLOWANIE CHEMICZNE

Zalety:

• Jednorodność grubości na całym powlekanym detalu, przy precyzyjnie dobranych grubościach i wąskich tolerancjach.
• Doskonała odporność na korozję.
• Wysoka twardość i odporność na zużycie.

Wady:

• Koszt obróbki niekonkurencyjny w zastosowaniach dekoracyjnych.
• Trudność w osadzaniu powłok o grubości powyżej 100 µm.
• Konieczność obróbki cieplnej w celu osiągnięcia maksymalnej twardości.