Trdota kemičnega niklja: toplotne obdelave

Kemično niklanje je površinska obdelava, ki enakomerno prekrije kos z zlitino niklja in fosforja. S spreminjanjem sestave obdelovalne kopeli dobimo različne vrste kemičnega niklja z različnimi odstotki fosforja in posledično različnimi lastnostmi.

Razlikujemo lahko tri vrste prevlek kemičnega niklanja:

• Kemični nikelj z nizko vsebnostjo fosforja - P med 1 in 4%
• Kemični nikelj s srednjo vsebnostjo fosforja - P med 5 in 9% - NIPLATE® 600
• Kemični nikelj z visoko vsebnostjo fosforja - P > 10% - NIPLATE® 500

Večja kot je vsebnost fosforja v zlitini, večji je učinek preprečevanja nastajanja kristalne strukture zlitine med nanašanjem. Tako se prehaja iz delno kristalne in delno amorfne strukture pri kemičnem niklju s srednjo vsebnostjo fosforja do popolnoma amorfne pri kemičnem niklju z visoko vsebnostjo fosforja.

Magnetna susceptibilnost, značilna za kovinski nikelj, se zmanjšuje z naraščanjem fosforja, dokler ni blizu nič pri kemičnem niklju z visoko vsebnostjo fosforja (nad 10% P).

Povečanju fosforja v zlitini ustreza tudi rahlo zmanjšanje trdote plasti, ki se spremeni iz približno 650 HV pri srednji vsebnosti fosforja na približno 550 HV pri visoki vsebnosti fosforja.

Razlikujemo lahko 2 razreda toplotnih obdelav, izvedenih po kemičnem niklanju:

• Razvodikovanje: 150-180°C
• Utrjevanje: 260-280°C ali 340°C

Toplotna obdelava razvodikovanja

Na kosih, prevlečenih s kemičnim nikljem, se običajno izvaja toplotna obdelava pri 150-180°C, imenovana razvodikovanje, ki omogoča odstranjevanje vodika, ki je med obdelavo lahko difundiral v kovinsko matrico. Vodik, ki se lahko vključi med niklanjem in kislim luženjem pred niklanjem, lahko difundira v jekla in ustvari pojav, imenovan vodikova krhkost. Ta toplotna obdelava omogoča sproščanje vodika, prisotnega v osnovnem materialu ali na stiku s prevleko, v zrak.

Sveže nanesena plast kemičnega niklja ima notranje napetosti, ki so lahko tlačne ali natezne in lahko omejijo njen oprijem, zlasti na jeklih visoke trdote ali toplotno obdelanih. Segrevanje prevlečenih delov ustvari sprostitev in izničenje notranjih napetosti med prevleko in osnovno kovino, s čimer se poveča tudi oprijem.

Glede na vrsto zlitine, na katero se nanaša kemični nikelj, se uporablja temperatura blizu 160°C, če gre za aluminijeve zlitine, za čas med 2 in 4 urami, medtem ko je lahko pri železovih ali bakrenih zlitinah temperatura višja, približno 180°C, vedno za 2-4 ure toplotne obdelave.

Toplotne obdelave utrjevanja

Za kemično niklanje sta značilni dve toplotni obdelavi utrjevanja, ki potekata pri različnih temperaturah:

• 260-280°C za 8 ur: omogoča povečanje trdote do približno 800 HV.
• 340°C za 4 ure: omogoča doseganje 1000 HV trdote.

Ker je amorfna faza Ni-P nestabilna, ko se kemični nikelj žari pri temperaturi nad 260°C, pride do prvega vrha aktivacije energije kristalizacije, zadostne za prerazporeditev atomov fosforja, razpršenih v nikljevi matriki. Oba elementa se reorganizirata, prehajajoč skozi vmesne metastabilne kristalne faze Ni7P3, Ni5P2, do stabilne kristalne faze Ni3P, ki se pojavi od 280-290°C naprej.

Za doseganje maksimalne trdote, enake približno 1000 HV, se izvaja toplotna obdelava pri 340°C za najmanj 4 ure. Končna struktura prevleke je fina mreža trdih kristalov nikljevega fosfida Ni3P, razpršenih v preostali kovinski nikljevi matriki.

Trdota 1000±50 HV, dosegljiva s postopkom utrjevanja, omogoča uporabo kemičnega niklanja kot alternativo kromiranju, s prednostjo, da je nanos enakomeren na vseh površinah, tudi na notranjih delih, in ga ni treba ponovno obdelati, kot se to dogaja pri nanosu kroma.

Za hitro primerjavo zahteve, izražene v HV, HRC ali HB, uporabite spletni pretvornik trdote .

S toplotnimi obdelavami utrjevanja kemičnega niklja se zelo izboljša tudi oprijem prevleke na osnovno kovino. Celo za zagotavljanje ustreznega oprijema na nitriranih ali karbonitriranih jeklih ali na nerjavnih jeklih postane potrebna obdelava v peči pri temperaturah nad 260°C po niklanju.

Površinsko obarvanje

Okoli temperature 270°C kemični nikelj začne reagirati s kisikom, kar ustvarja rumeno-zlata obarvanja. Višja kot je temperatura, bolj lahko površina kemičnega niklja zaradi interference svetlobe z nanometričnimi plastmi nikljevega oksida, ki se tvorijo, dobi modro-iridescentne barve, kot se zgodi, ko se nerjavno jeklo ožge s plamenom.

Z obdelavo kemičnega niklja v pečeh s kontrolirano atmosfero se prepreči površinska oksidacija in se lahko doseže maksimalna trdota ob ohranjanju bele kovinske barve niklja.

Magnetizem

Kemični nikelj je feromagnetičen, ko je vsebnost fosforja nižja od 10%. Vendar je treba opozoriti, da se pri toplotnih obdelavah nad 250°C obnovi magnetna susceptibilnost prevleke z visoko vsebnostjo fosforja zaradi preobrazbe iz amorfne strukture v kristalno strukturo. Če je potrebna odsotnost magnetizma, je treba izbrati kemično niklanje z visoko vsebnostjo fosforja Niplate 500 in je mogoče izvesti samo obdelavo razvodikovanja.

Odpornost proti obrabi

Večji trdoti ustreza večja odpornost proti obrabi z naraščajočim trendom. Sposobnost odpornosti proti abrazivni obrabi se meri s “Taber Abraser Tester”, kjer se prevlečen vzorec vrti proti dvema gumenima kolesoma, ki vsebujeta abraziv določene zrnatosti. Vsakih 1000 ciklov rotacije se preveri izguba teže prevleke in po 10.000 ciklih se dobi indeks obrabe, opredeljen kot Taber Index. Za vrednosti obrabe različnih prevlek Niplate® glejte opisne liste prevlek:

• Niplate® 600
• Niplate® 500
• Niplate® 600 SiC

Odpornost proti abrazivni obrabi se lahko poveča za najmanj 10-krat v primerjavi z utrjenim kemičnim nikljem z uporabo NIPLATE® 600 SiC, ki vsebuje delce silicijevega karbida. S to prevleko je dosežena trdota približno 1100 HV, vendar je velika prednost kompozitne prevleke NIPLATE® 600 SiC njena izjemna odpornost proti abraziji, saj drsni protidel na površini naleti na delce silicijevega karbida, ki imajo visoko trdoto, nižjo samo od diamanta.