Twardość niklowania chemicznego: obróbki cieplne

Niklowanie chemiczne to obróbka powierzchniowa, która pokrywa element równomierną powłoką ze stopu niklu i fosforu. Zmieniając skład kąpieli, uzyskuje się rodzaje niklu chemicznego o różnej zawartości fosforu, a w konsekwencji o różnych właściwościach.

Można wyróżnić trzy rodzaje powłok z niklu chemicznego:

Nikiel chemiczny niskofosforowy - P od 1 do 4%
Nikiel chemiczny średniofosforowy - P od 5 do 9% - NIPLATE® 600
Nikiel chemiczny wysokofosforowy - P > 10% - NIPLATE® 500

Im wyższa zawartość fosforu w stopie, tym silniej hamowane jest tworzenie się struktury krystalicznej stopu podczas osadzania. Następuje zatem przejście od struktury częściowo krystalicznej i częściowo amorficznej w przypadku niklu chemicznego średniofosforowego do struktury całkowicie amorficznej w przypadku niklu chemicznego wysokofosforowego.

Podatność magnetyczna typowa dla niklu metalicznego maleje wraz ze wzrostem zawartości fosforu, aż do wartości bliskiej zeru dla niklu chemicznego wysokofosforowego (powyżej 10% P).

Wzrostowi zawartości fosforu w stopie towarzyszy również niewielki spadek twardości warstwy: z około 650 HV dla powłoki średniofosforowej do około 550 HV dla wysokofosforowej.

Można wyróżnić 2 rodzaje obróbki cieplnej przeprowadzanej po niklowaniu chemicznym:

Odwodorowanie: 150-180 °C
Utwardzanie: 260-280 °C lub 340 °C

Obróbka cieplna odwodorowania

Elementy pokryte niklem chemicznym poddaje się zwykle obróbce cieplnej w temperaturze 150-180 °C, zwanej odwodorowaniem, która umożliwia usunięcie wodoru, jaki mógł zdyfundować w głąb osnowy metalowej podczas procesu. Wodór, który może zostać wchłonięty podczas niklowania oraz podczas wstępnego trawienia kwasowego poprzedzającego niklowanie, może dyfundować w stali i powodować zjawisko zwane kruchością wodorową. Ta obróbka cieplna umożliwia uwalnianie do powietrza wodoru obecnego w materiale podstawowym lub na granicy z powłoką.

Świeżo osadzona warstwa niklu chemicznego ma naprężenia wewnętrzne, które mogą być ściskające lub rozciągające i mogą ograniczać jej przyczepność, zwłaszcza na stalach o wysokiej twardości lub poddanych obróbce cieplnej. Nagrzanie pokrytych detali powoduje odprężenie i zniesienie naprężeń wewnętrznych między powłoką a metalem podstawowym, zwiększając również przyczepność.

W zależności od rodzaju stopu, na który nakładany jest nikiel chemiczny, stosuje się temperaturę zbliżoną do 160 °C w przypadku stopów aluminium, przez czas od 2 do 4 godzin, natomiast w przypadku stopów żelaza lub miedzi temperatura może być wyższa, około 180 °C, również przez 2-4 godziny obróbki cieplnej.

Obróbki cieplne utwardzania

W niklowaniu chemicznym stosuje się 2 typowe warianty obróbki cieplnej utwardzającej, przeprowadzane w różnych temperaturach:

260-280 °C przez 8 godzin: pozwala zwiększyć twardość do około 800 HV.
340 °C przez 4 godziny: pozwala osiągnąć twardość 1000 HV.

Ponieważ amorficzna faza Ni-P jest fazą niestabilną, gdy nikiel chemiczny jest wyżarzany w temperaturze powyżej 260 °C, pojawia się pierwszy pik aktywacji energii krystalizacji, wystarczający do przemieszczenia atomów fosforu rozproszonych w osnowie niklowej. Oba pierwiastki reorganizują się, przechodząc przez pośrednie metastabilne fazy krystaliczne Ni7P3 i Ni5P2, aż do stabilnej fazy krystalicznej Ni3P, powstającej od temperatury 280-290 °C.

Aby osiągnąć maksymalną twardość wynoszącą około 1000 HV, przeprowadza się obróbkę cieplną w temperaturze 340 °C przez co najmniej 4 godziny. Końcową strukturą powłoki jest drobna siatka twardych kryształów fosforku niklu Ni3P rozproszonych w pozostałej metalicznej osnowie niklowej.

Twardość 1000±50 HV, możliwa do uzyskania dzięki obróbce utwardzającej, pozwala stosować niklowanie chemiczne jako alternatywę dla chromowania. Jego zaletą jest równomierna powłoka na wszystkich powierzchniach, także wewnętrznych, która nie wymaga dodatkowej obróbki, w przeciwieństwie do powłoki chromowej.

Aby szybko porównać wymaganie wyrażone w HV, HRC lub HB, można skorzystać z internetowego przelicznika twardości .

Obróbki cieplne utwardzania niklu chemicznego znacznie poprawiają także przyczepność powłoki do metalu podstawowego. Co więcej, aby zapewnić odpowiednią przyczepność na stalach azotowanych lub węgloazotowanych albo na stalach nierdzewnych, po niklowaniu konieczna staje się obróbka w piecu w temperaturach powyżej 260 °C.

Zabarwienie powierzchni

W temperaturze około 270 °C nikiel chemiczny ma tendencję do reakcji z tlenem, tworząc żółtozłote przebarwienia. Im wyższa temperatura, tym bardziej powierzchnia niklu chemicznego, wskutek interferencji światła w powstających nanometrycznych warstwach tlenku niklu, może przybierać niebieskie, opalizujące zabarwienia, podobnie jak podczas nagrzewania stali nierdzewnej płomieniem.

Obróbka niklu chemicznego w piecach z atmosferą kontrolowaną zapobiega utlenianiu powierzchni i pozwala osiągnąć maksymalną twardość przy zachowaniu białego metalicznego koloru niklu.

Magnetyzm

Nikiel chemiczny jest ferromagnetyczny, gdy zawartość fosforu jest niższa niż 10%. Należy jednak pamiętać, że w wyniku obróbek cieplnych w temperaturze powyżej 250 °C przywracana jest podatność magnetyczna wysokofosforowej powłoki, co wynika z przemiany struktury amorficznej w krystaliczną. Jeśli wymagany jest brak właściwości magnetycznych, należy wybrać wysokofosforową powłokę niklu chemicznego Niplate 500 i można przeprowadzić wyłącznie obróbkę odwodorowania.

Odporność na zużycie

Większej twardości odpowiada większa odporność na zużycie, zgodnie z krzywą wzrostową. Zdolność do przeciwstawiania się zużyciu ściernemu mierzy się za pomocą testera „Taber Abraser Tester”, w którym pokryta próbka obraca się względem dwóch gumowych kół zawierających materiał ścierny o określonym uziarnieniu. Co 1000 cykli obrotu sprawdza się ubytek masy powłoki, a po 10 000 cyklach otrzymuje się wskaźnik zużycia określany jako Taber Index. Wartości zużycia poszczególnych powłok Niplate® podano w kartach opisowych powłok:

Odporność na zużycie ścierne można zwiększyć co najmniej 10-krotnie w porównaniu z utwardzonym niklem chemicznym, stosując NIPLATE® 600 SiC, zawierający cząstki węglika krzemu. Twardość osiągana przez tę powłokę wynosi około 1100 HV, ale główną zaletą powłoki kompozytowej NIPLATE® 600 SiC jest jej wyjątkowa odporność na ścieranie, ponieważ współpracujący element ślizgowy napotyka na powierzchni cząstki węglika krzemu o wysokiej twardości, ustępującej jedynie diamentowi.