Kaj je kemično niklanje

V precizni mehaniki so glavne uporabljene kovinske zlitine zlitine železa, aluminija in bakra, zaradi njihovih mehanskih lastnosti ter razpoložljivosti, ugodne cene in enostavne obdelovalnosti.

Z razvojem trga in tehnologij so se povečale tudi zahteve glede površinskih lastnosti. Tri omenjene zlitine pogosto nimajo zadostnih površinskih lastnosti, na primer odpornosti proti koroziji ali obrabi. Zato se pogosto uporabljajo posebne prevleke, ki izpolnjujejo tehnične in/ali estetske zahteve.

Kemično niklanje je prevleka, ki se najbolje prilagaja komponentam precizne mehanike, saj združuje številne lastnosti: enakomernost debeline, visoko trdoto, odpornost proti obrabi in odlično odpornost proti koroziji.

Proces kemičnega niklanja temelji na potopitvi v raztopino nikljevih soli, pri čemer se sproži avtokatalitična reakcija brez uporabe toka. Na površini kosa se tako tvori zlitina nikelj-fosfor, rezultat oksidacijsko-redukcijske reakcije med ionom Ni⁺⁺ (iz nikljevega sulfata) in ionom H₂PO₂^- (iz natrijevega hipofosfita, reducenta).

Ta proces zagotavlja enakomerno debelino na vseh območjih, vključno z notranjimi območji in kompleksnimi geometrijami, kar omogoča doseganje tesnih toleranc brez izolacij ali ponovnih obdelav na kritičnih površinah. Poleg tega popolno prevlečenje kosa zagotavlja zaščito pred korozijo in obrabo tudi na notranjih površinah, kot so luknje in podrezi.

Pri galvanskih (ali elektrolitičnih) procesih, kot sta kromiranje ali elektrolitično niklanje, se za nanašanje kovine uporablja električni tok. Zato je prevleka na robovih neizogibno debelejša, na notranjih območjih pa tanjša.

Kemično niklanje in elektrolitično niklanje

Kemično niklanje in elektrolitično niklanje dejansko delita le kovino nikelj, medtem ko sta procesa in površinske lastnosti, ki iz njiju izhajajo, ter področja uporabe zelo različni.

Elektrolitično niklanje se pogosto uporablja v dekorativne namene za zagotavljanje odpornosti proti koroziji in srebrnega kovinskega videza. Običajno je kombinirano s spodnjo bakreno prevleko za izboljšanje oprijema in doseganje svetlega in sijočega videza. Ima povprečno trdoto in odpornost proti koroziji, ki je nižja v primerjavi s kemičnim niklanjem.

Kemično niklanje se prednostno uporablja v tehničnih kontekstih, kjer so zahtevane trdota do 1000 HV, odpornost proti obrabi, zmanjšanje koeficienta trenja in odlična odpornost proti koroziji. Lahko se nanaša na zlitine železa, aluminija, bakra in titana.

Referenčni tehnični standardi

Tehnični in mednarodni standardi, povezani s kemičnim nikljem, so naslednji:

Najbolj razširjen in priznan standard je ISO 4527, ki določa zahteve in preskusne metode za avtokatalitične nikelj-fosforjeve prevleke, nanesene na kovinske podlage.

Vrste kemičnega niklja

Prevleke se razlikujejo glede na količino fosforja v zlitini:

Za nadaljnje povečanje površinskih zmogljivosti kemičnega niklanja so na voljo prevleke s posebnimi delci:

• Kemični nikelj + PTFE: nanometrski delci PTFE se sočasno odlagajo v plast kemičnega niklja v koncentraciji 25-35% po volumnu. Zahvaljujoč lastnostim PTFE ima prevleka Niplate 500 PTFE zelo nizek koeficient trenja (0,08–0,12), visoko odpornost proti koroziji, dobro trdoto in odličen oprijem na osnovno kovino, lastnosti, ki manjkajo pri prevlekah PTFE, nanesenih z brizganjem.
• Kemični nikelj + SiC: za aplikacije, kjer je odpornost proti obrabi najpomembnejša, je bila razvita kompozitna prevleka Niplate 600 SiC . Mikrometrski delci silicijevega karbida (SiC), zelo trdega keramičnega materiala, prevleki zagotavljajo izjemno odpornost proti abrazivni in adhezivni obrabi ter presegajo zmogljivosti kromiranja.

Estetski videz

Kemično niklanje ima svetel kovinski videz, barve, podobne nerjavnemu jeklu. Ima visoko odpornost proti oksidaciji, pri čemer ohranja barvo in sijaj dolgo časa.

Površinska morfologija in prvotna hrapavost se s prevleko ne spreminjata bistveno, zato končni videz ustreza začetnemu. Za matirano površino se lahko izvede peskanje, peskanje s kroglicami ali peskanje z granulatom.

Kemični nikelj + PTFE ima temno kovinsko siv odtenek.

Kemični nikelj + SiC ima svetlo sivo barvo.

Prevlečljive kovinske zlitine

Kemično niklanje se lahko nanaša na večino zlitin, ki se običajno uporabljajo v mehaniki:

• Ogljikovo jeklo
• Nerjavno jeklo
• Cementirana in kaljena jekla
• Aluminijeve zlitine (iz obdelave ali litja)
• Bakrove zlitine, medenina
• Titanove zlitine

Debelina prevleke in toleranca

Debelina prevleke kemičnega niklja je enakomerna na vseh površinah kosa. Običajno se uporabljajo debeline med 5 µm in 50 µm, s toleranco ±10% (najmanj ±2 µm). Standardne debeline so:

• 5±2 µm
• 10±2 µm
• 20±2 µm

Za zahtevne aplikacije, na primer v morskem okolju ali v pogojih močne obrabe, se lahko izberejo debeline 30±3 µm ali 50±5 µm, ki zagotavljajo večjo zaščito v odvisnosti od debeline.

Izbira idealne debeline je odvisna od zahtev, osnovnega materiala in delovnega okolja (kot sta obraba ali kemična agresivnost). Micron Srl ponuja svetovanje projektantom, risarjem in mehanskim delavnicam za določitev najprimernejše debeline.

Trdota in toplotne obdelave za utrjevanje

Prevleka kemičnega niklja ima visoko trdoto, višjo od mnogih drugih kovinskih zlitin. Z ustreznimi toplotnimi obdelavami lahko doseže vrednosti 1000 HV (69 HRC), kar presega trdoto cementiranih ali nitriranih jekel. K odlični odpornosti prevlečenih komponent proti obrabi prispeva tudi nizek koeficient trenja kemičnega niklja.

Dehidrogenacija

Med kemičnim niklanjem pride do difuzije atomskega vodika v prevleko in kovinsko podlago. Pri materialih z visoko trdnostjo lahko to privede do tako imenovane krhkosti zaradi vodika. Vendar je v primerjavi z galvanskimi procesi (kot sta kromiranje ali elektrolitično niklanje) količina vnesenega vodika nižja zaradi odsotnosti električnega toka. Običajno se izvede toplotna obdelava dehidrogenacije (180°C za 4 ure) za odstranitev vodika in izboljšanje oprijema prevleke.

Utrjevanje

Toplotne obdelave za utrjevanje se običajno izvajajo pri 260-280°C za doseganje trdote okoli 800 HV in pri 340°C za doseganje približno 1000 HV. Toplotna obdelava pri 260-280°C lahko povzroči rahlo rumeno obarvanje površine kosov zaradi rahle oksidacije površine, ki se pojavi pri teh temperaturah. Obdelava utrjevanja pri 340°C, ki se običajno izvaja v peči na zraku, povzroči rumeno-modro irizirajoče obarvanje na površini kosov. Ista obdelava utrjevanja se lahko alternativno izvede v peči v nadzorovani atmosferi, ki omogoča ohranjanje kovinskega videza kemičnega niklja.

Odpornost proti koroziji

Kemično niklanje ponuja odlično odpornost proti koroziji, vendar se obnašanje razlikuje glede na spodnjo kovinsko zlitino:

• Zlitine železa: najboljšo odpornost proti koroziji imajo obdelave cinkanja, saj je cink žrtvovan in korodira prvi, s čimer preprečuje korozijo železa. Kemični nikelj se izbere namesto cinkanja, ko so zahtevane tesne tolerance, zaščita tudi v notranjih conah, visoka odpornost proti obrabi ali rahlo kislim ali bazičnim snovem.
• Aluminijeve zlitine: kemični nikelj konkurira anodizaciji, od katere se razlikuje po večji površinski trdoti, boljši kemični odpornosti v kislih ali bazičnih okoljih, nižjem koeficientu trenja in hrapavosti, električni prevodnosti ter prekritju vseh površin, tudi notranjih.
• Bakrove zlitine (medenina): kemični nikelj lahko zagotovi odlično odpornost proti koroziji, pri čemer doseže več kot 1000 ur nevtralne solne megle (NSS) brez znakov korozije.

Kemični nikelj ima odlično kemično odpornost v nevtralnih ali rahlo agresivnih okoljih in ohranja nespremenjen kovinski videz. Dobro se upira v prisotnosti ogljikovodikov, alkohola, nevtralnih slanih raztopin, razredčenih reducirajočih kislin in razredčenih baz. Je manj primeren v prisotnosti koncentriranih kislin in baz, še posebej če so oksidirajoče.

Magnetizem

Kemični nikelj s srednjo vsebnostjo fosforja (5-9% P) kaže feromagnetno obnašanje. Nasprotno, kemični nikelj z visoko vsebnostjo fosforja (>10% P) je amorfen in v tem stanju ne kaže opaznega feromagnetizma. Vendar, če je izpostavljen toplotnim obdelavam nad približno 250-300 °C, se amorfna faza nagiba h kristalizaciji, pri čemer se tvorijo spojine (na primer Ni₃P), ki dajejo feromagnetne lastnosti. Posledično, če je cilj izogniti se kakršni koli obliki magnetizma, je treba izbrati nanos z visoko vsebnostjo fosforja (kot Niplate 500) brez izvajanja obdelave utrjevanja pri temperaturah, ki bi sprožile kristalizacijo.

Hrapavost

Kemično niklanje ne spreminja bistveno hrapavosti površine, dane z mehansko obdelavo; vrednosti ostajajo skoraj nespremenjene v primerjavi z začetnimi.

Brušenje

Nekatere posebne aplikacije zahtevajo brušenje po prevleki s kemičnim nikljem, kot so na primer hidravlične batnice, ki potrebujejo zelo tesne tolerance in natančne spoje.

Kemični nikelj, čeprav je zelo trd, se dokaj enostavno brusi. Celo prednostna je obdelava utrjevanja pri 800 HV ali 1000 HV, saj je obdelovalnost in odstranljivost odrezkov boljša.

Spajkljivost

Kemično niklanje Niplate je primerno za enostavno spajkanje. Zelo pogosto se uporablja na bakrenih prevodnikih z namenom preprečevanja površinske oksidacije bakra in omogočanja odlične spajkljivosti elektronskih komponent. Kemični nikelj poleg zaščite bakra pred korozijo ohranja nespremenjene površinske lastnosti skozi čas, saj se ne oksidira in ne korodira.

REACh in RoHS

Prevleke kemičnega niklja Niplate so skladne z uredbo REACh in direktivo RoHS, saj ne vsebujejo snovi z omejitvami uporabe nad najvišjimi dovoljenimi koncentracijami niti snovi SVHC v količinah, večjih od 0,1% po masi.