Niklowanie chemiczne na aluminium

Niklowanie chemiczne aluminium stosuje się na wszystkich stopach aluminium; poprawia ono odporność na korozję i zużycie, zapewniając równomierną grubość powłoki. Poniżej omówiono ograniczenia stopów aluminium oraz porównanie z anodowaniem.

Niklowanie chemiczne jest powszechnie i z powodzeniem stosowane na wszystkich stopach aluminium. Równomierna grubość powłoki, odporność na korozję i wysoka twardość zapewniają skuteczną ochronę przed czynnikami korozyjnymi oraz w warunkach, w których istotną rolę odgrywa zużycie.

Spośród metali stosowanych w mechanice precyzyjnej aluminium najlepiej wpisuje się w koncepcję poprawy funkcjonalności i efektywności energetycznej maszyn, dzięki doskonałym właściwościom mechanicznym niektórych stopów, porównywalnym z właściwościami stali, możliwości wyciskania i odlewania grawitacyjnego lub ciśnieniowego oraz nieocenionej lekkości, przy gęstości około 2,7 g/cm³ wobec 7,9 g/cm³ dla stali. Korzystają na tym elementy ruchome, w których siły robocze, a w konsekwencji tarcie i zużycie energii, ulegają zmniejszeniu.

Stopy aluminium wykazują jednak pewne słabości w zakresie właściwości powierzchniowych:

• Niska odporność na korozję: stopy aluminium są szczególnie podatne na korozję galwaniczną i nie wykazują odporności chemicznej w kontakcie z substancjami kwaśnymi lub zasadowymi;
• Niska odporność na zużycie: niska twardość powierzchniowa i skłonność do zacierania sprawiają, że nie nadają się one do współpracy ślizgowej z innymi komponentami;
• Skłonność do zacierania: ruch ślizgowy elementów aluminiowych łatwo prowadzi do zacierania.

Do poprawy właściwości powierzchniowych i eliminacji wad metalu bazowego stosuje się najczęściej dwie metody powlekania: anodowanie i niklowanie chemiczne.

Pomijając anodowanie w jego odmianach technicznych i dekoracyjnych, które zasługują na odrębne opracowania, skupiamy się na właściwościach i sposobach stosowania niklowania chemicznego.

Niklować można wszystkie stopy aluminium

Pierwszą istotną zaletą niklowania chemicznego jest możliwość jego zastosowania na wszystkich stopach aluminium. Uzyskiwane właściwości techniczne powierzchni są zatem takie same dla wszystkich stopów. Anodowanie natomiast na niektórych stopach nie daje zadowalających rezultatów – z powodu mało atrakcyjnego wyglądu albo słabej odporności na korozję lub zużycie. Dotyczy to zwłaszcza stopów do odlewania ciśnieniowego o wysokiej zawartości krzemu i miedzi.

Aby niklować aluminium, należy aktywować powierzchnię elementów obróbką zwaną cynkowaniem immersyjnym, w której na element przed niklowaniem nakłada się cienką warstwę cynku o grubości kilku nanometrów. Każdy stop aluminium, w zależności od pierwiastków stopowych, takich jak Cu, Si, Mg czy Zn, wymaga odpowiednich, zróżnicowanych procedur wytworzenia warstwy cynku. Ten etap jest bardzo ważny, ponieważ przyczepność powłoki niklu chemicznego i wynikające z niej funkcje ochronne zależą w dużym stopniu od jakości warstwy cynku, jej grubości, rozkładu i jednorodności.

Odporność na korozję niklowania chemicznego na stopach aluminium

Nikiel chemiczny chroni powlekane powierzchnie, ponieważ jest metalem szlachetnym, mało podatnym na działanie roztworów soli i zanieczyszczeń przemysłowych. Jego zdolność ochronna zależy od stopnia pokrycia i szczelności powłoki zabezpieczającej metal bazowy.

Należy jednak uwzględnić rolę aluminium jako metalu ofiarnego względem niklu chemicznego w przypadku zainicjowania korozji. W warunkach korozji na mokro, ze względu na różnicę potencjału elektrochemicznego między Al a Ni, występuje tzw. „efekt ogniwa”, który przyspiesza korozję metalu bazowego i sprawia, że postępuje ona wzdłuż granicy faz Ni-Al, podcinając powłokę niklową.

Aby temu zaradzić, dobiera się grubość niklu chemicznego odpowiednią do agresywności środowiska pracy oraz stosuje się kąpiele do niklowania chemicznego o zmodyfikowanym składzie składników stopowych, tak aby zmniejszyć wewnętrzną porowatość warstwy powłoki.

Powłoka niklowa Niplate® eXtreme to nikiel chemiczny opracowany z myślą o stopach aluminium, zapewniający maksymalną odporność na korozję i zapobiegający łuszczeniu się powłoki w przypadku zainicjowania korozji. Przy tej samej grubości Niplate® eXtreme zapewnia w porównaniu z innymi powłokami niklu chemicznego lepszą ochronę dzięki niemal zerowej porowatości resztkowej. Ponadto w przypadku Niplate® eXtreme korozja pozostaje zlokalizowana w miejscu zainicjowania i postępuje wyłącznie w jego sąsiedztwie.

Przy wyborze najlepszego rozwiązania problemu korozji, oprócz najodpowiedniejszego rodzaju niklu chemicznego o właściwej grubości, należy uwzględnić następujące czynniki wpływające na wynik końcowy:

• wewnętrzną porowatość stopu Al, której powszechnym przykładem są pęcherze gazowe w odlewach ciśnieniowych,
• ewentualne obojętne wtrącenia w stopie aluminium, które powodują nieciągłości w powłoce niklowej,
• dokładność obróbki mechanicznej, przy której materiał jest skrawany narzędziem, a nie wyrywany,
• krawędzie dobrze zaokrąglone, a nie ostre,
• obchodzenie się z elementami po obróbce, które może powodować wgniecenia elementu, prowadzące do pękania twardej powłoki niklu chemicznego i związanych z tym następstw.

Przy zastosowaniu właściwych cykli przygotowania do niklowania i odpowiednich kąpieli na zwartych, starannie obrobionych stopach uzyskuje się dobre wyniki odporności na korozję: powyżej 100 godzin w teście mgły solnej ISO 9227 przy grubościach 10–15 µm oraz do 720 godzin przy grubościach 30–35 µm.

Odporność na zużycie niklowanego aluminium

Jak wspomniano wyżej, właściwości powierzchniowe chemicznie niklowanego aluminium odpowiadają właściwościom niklu chemicznego. Twardość powłoki wynosi od 550 do 650 HV, w zależności od wybranego rodzaju niklu chemicznego, a odporność na zużycie podano w kartach technicznych Niplate® 500 i Niplate® 600 , do których odsyłamy w celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji.

Dalsze utwardzanie niklu chemicznego, a w konsekwencji zwiększenie odporności na zużycie, uzyskuje się przez obróbkę cieplną. Wygrzewanie przez kilka godzin w temperaturach zwykle stosowanych do utwardzania niklu chemicznego, czyli 280 °C i 340 °C, pozwala osiągnąć odpowiednio 800±50 HV i 1000±50 HV, może jednak w przypadku niektórych stopów aluminium wpływać na właściwości mechaniczne.

Przy ocenie i projektowaniu elementu z aluminium niklowanego chemicznie, narażonego na zużycie, należy uwzględnić miejscowe obciążenia, jakie element musi przenosić podczas ślizgania się po współpracującej części mechanicznej, aby sprawdzić, czy grubość i twardość niklu są odpowiednie.

W praktyce wiele wyrobów wytwarza się z niemal wszystkich stopów aluminium i powleka niklem chemicznym ze względu na wymaganą odporność na zużycie, także dzięki jego doskonałym właściwościom ślizgowym, zarówno we współpracy z częścią metalową, jak i z uszczelkami lub uszczelnieniami gumowymi.