Хімічне нікелювання алюмінію

Етап контролю корпусів пневматичних клапанів із покриттям, нанесеним методом хімічного нікелювання

Хімічне нікелювання алюмінію застосовується до всіх алюмінієвих сплавів і підвищує корозійну стійкість та зносостійкість, забезпечуючи рівномірну товщину покриття. Далі розглянуто обмеження алюмінієвих сплавів та порівняння з анодуванням.

Хімічне нікелювання зазвичай успішно застосовується до всіх алюмінієвих сплавів. Рівномірність товщини, корозійна стійкість і висока твердість покриття забезпечують ефективний захист від корозійних агентів та зносу.

Серед металів, що використовуються в прецизійному машинобудуванні, саме алюміній найкраще відповідає концепції функціонального та енергетичного вдосконалення машин завдяки відмінним механічним властивостям окремих сплавів, співмірним із властивостями сталей, можливості екструзії, гравітаційного лиття або лиття під тиском і неоціненній легкості: густина становить близько 2,7 г/см3 проти 7,9 г/см3 у сталі. Це особливо вигідно для рухомих вузлів, оскільки зменшуються діючі сили, а отже й тертя та витрати енергії.

Проте алюмінієві сплави мають певні слабкі місця щодо поверхневих характеристик:

  • Низька корозійна стійкість: алюмінієві сплави особливо схильні до гальванічної корозії та не мають хімічної стійкості при контакті з кислотними або лужними речовинами;
  • Низька зносостійкість: низька поверхнева твердість і схильність до задирання роблять їх непридатними для контакту з іншими деталями в умовах ковзання;
  • Схильність до задирання: ковзання алюмінієвих деталей легко призводить до задирання.

Для покращення поверхневих характеристик і усунення недоліків основного металу найчастіше використовують два покриття: анодування та хімічне нікелювання.

Залишаючи осторонь анодування в його технічних і декоративних формах, які заслуговують на окремі книги, зосередимося на характеристиках хімічного нікелювання та способах його застосування.

Нікелювати можна всі алюмінієві сплави

Перша важлива властивість хімічного нікелювання — його придатність для всіх алюмінієвих сплавів. Отже, технічні характеристики поверхні, отриманої в результаті обробки, однакові для всіх сплавів. Натомість анодування на деяких сплавах не дає задовільних результатів: через непривабливий зовнішній вигляд або через низьку корозійну стійкість чи зносостійкість. Найбільше від цього страждають сплави для лиття під тиском із високим вмістом кремнію та міді.

Для нікелювання алюмінію необхідно активувати поверхню виробів цинкатною обробкою, під час якої перед нікелюванням на виріб осаджується тонкий шар цинку завтовшки кілька нанометрів. Кожен алюмінієвий сплав залежно від легувальних елементів (Cu, Si, Mg, Zn) потребує відповідних, різних між собою процедур створення шару цинку. Цей етап дуже важливий, оскільки адгезія покриття з хімічного нікелю та його захисні функції значною мірою залежать від якості шару цинку, його товщини, розподілу й рівномірності.

Корозійна стійкість хімічного нікелювання на алюмінієвих сплавах

Хімічний нікель захищає поверхні, які покриває, оскільки є благородним металом, малочутливим до впливу сольових розчинів і промислових забруднень. Його захисна здатність визначається ступенем покриття та герметизації основного металу, якого можна досягти.

Проте слід враховувати роль алюмінію як жертовного металу відносно хімічного нікелю в разі виникнення корозії. За наявності корозії у вологому середовищі через різницю електрохімічних потенціалів між Al і Ni виникає так званий «ефект гальванічного елемента», який прискорює корозію основного металу та сприяє її поширенню вздовж межі розділу Ni-Al, підриваючи нікелеве покриття.

Щоб уникнути цього, вибирають товщину хімічного нікелю відповідно до агресивності середовища експлуатації та застосовують електроліти хімічного нікелювання зі зміненим складом легувальних компонентів, щоб зменшити внутрішню пористість шару покриття.

Нікелеве покриття Niplate® eXtreme — це хімічний нікель, розроблений для алюмінієвих сплавів, призначений забезпечувати максимальну корозійну стійкість і запобігати відшаровуванню в разі виникнення корозії. За однакової товщини Niplate® eXtreme порівняно з іншими видами хімічного нікелю забезпечує кращий захист завдяки майже нульовій залишковій пористості. Крім того, у разі Niplate® eXtreme корозія залишається локалізованою в точці виникнення й поширюється лише поблизу неї.

Обираючи оптимальне рішення проблеми корозії, окрім найбільш придатного типу хімічного нікелю з правильною товщиною, слід враховувати такі чинники, що впливають на кінцевий результат:

  • внутрішню пористість алюмінієвого сплаву, типовим прикладом якої є газові раковини у виливках, виготовлених литтям під тиском,
  • можливі інертні включення в алюмінієвому сплаві, що порушують суцільність нікелевого покриття,
  • ступінь чистоти механічної обробки: матеріал має зрізатися інструментом, а не вириватися,
  • добре заокруглені, а не гострі кромки,
  • поводження з виробами після обробки, яке може спричинити вм’ятини з утворенням тріщин у твердому покритті з хімічного нікелю та подальшою корозією.

Застосовуючи належні цикли підготовки до нікелювання та відповідні електроліти, на щільних сплавах із чисто обробленою поверхнею отримують добрі результати корозійної стійкості: понад 100 год у випробуванні в соляному тумані за ISO 9227 за товщини 10–15 мкм і до 720 год стійкості за товщини 30–35 мкм.

Зносостійкість нікельованого алюмінію

Як зазначено вище, поверхневі характеристики алюмінію з хімічним нікелюванням відповідають характеристикам хімічного нікелю. Твердість покриття становить 550–650 HV залежно від обраного типу хімічного нікелю, а зносостійкість наведено в технічних паспортах Niplate® 500 та Niplate® 600 , де можна знайти докладнішу інформацію.

Подальше підвищення твердості хімічного нікелю, а отже й зносостійкості, досягається термічною обробкою. Температури, за яких зазвичай підвищують твердість хімічного нікелю, тобто 280 °C і 340 °C протягом кількох годин, дають змогу досягти відповідно 800±50 HV і 1000±50 HV, але для деяких алюмінієвих сплавів можуть впливати на механічні властивості.

Під час оцінювання та проєктування алюмінієвої деталі з хімічним нікелюванням, що зазнає зносу, слід враховувати локальні навантаження, які деталь має витримувати під час ковзання по спряженій деталі, щоб перевірити, чи достатні товщина й твердість нікелю.

На практиці багато виробів виготовляють майже з усіх алюмінієвих сплавів і покривають хімічним нікелем для забезпечення зносостійкості, зокрема завдяки його відмінним ковзним властивостям як у контакті з металевою спряженою поверхнею, так і з гумовими прокладками чи ущільненнями.