Хімічне нікелювання чи хромування?

Гідравлічний циліндр зі хромованим штоком, тверде хромування

Хімічне нікелювання чи хромування? Залежить від застосування: тверде хромування підходить для простих поверхонь, що зазнають зносу від ковзання, тоді як хімічне нікелювання забезпечує рівномірну товщину покриття на деталях складної геометрії і може бути альтернативою там, де використання шестивалентного хрому обмежене регламентом REACh. Нижче наведено технічне порівняння твердого хромування, декоративного хромування та хімічного нікелю.

Спираючись на дослідження Гальвані (1791), Вольта у 1800 році винайшов гальванічний елемент, що згодом уможливило розвиток гальваностегії, тобто осадження металу на електропровідні поверхні. Перші електроліти для хромування в промисловому масштабі були запроваджені у другій половині XIX століття й удосконалені на початку XX століття.

Окрім незначних відмінностей у складах електролітів для хромування, до наших днів основним компонентом ванни хромування залишається хромовий ангідрид CrO3, який у розчині називають хромовою кислотою. Хром у цьому електроліті перебуває в шестивалентній формі, а його солі називають хроматами.

Через високу токсичність хрому в шестивалентній формі (Cr VI) наразі діють суворі обмеження щодо його використання. Натомість металевий хром, навіть осаджений із ванн шестивалентного хрому, не має обмежень щодо застосування, оскільки є інертним, а його розчинення в агресивних середовищах не є проблемою: нульвалентний хром (Cr°) перетворюється на тривалентний (Cr III), значно менш токсичний, ніж Cr(VI).

Через небезпечність шестивалентного хрому регламент REACh обмежив його використання підприємствами, які отримали відповідний дозвіл. Тому в останні роки для декоративного хромування було розроблено електроліти на основі тривалентного хрому замість шестивалентного. Для твердого хромування великої товщини альтернативи шестивалентному хрому існують у деяких сферах застосування, але не завжди є рівнозначними чи універсальними замінниками.

Властивості металевого хрому, осадженого електролітичним способом, добре відомі, а хромування й нині залишається одним із найпоширеніших методів захисту металевих виробів від корозії та зносу.

З технічного погляду хромування поділяється на два типи покриття, що використовуються для різних цілей:

  • Тверде хромування великої товщини
  • Декоративне хромування

ТВЕРДЕ ХРОМУВАННЯ ВЕЛИКОЇ ТОВЩИНИ

У процесі хромування безпосередньо на сталь або інший основний метал наноситься функціональний шар хрому з метою надання високої поверхневої твердості та захисту деталі від зносу й корозії.

Покриття твердим хромом дуже поширене, насамперед на деталях простої геометрії, що зазнають абразивного зносу від ковзання, як-от штоки гідравлічних і оливогідравлічних циліндрів, каландрові вали для паперових фабрик або поліграфії, а також у багатьох інших застосуваннях, де твердість і ковзні властивості хрому є неперевершеними.

Товщина твердого хромування

Тверде хромування наноситься шаром товщиною від кількох десятків до сотень мікрометрів залежно від інтенсивності експлуатації.

У застосуваннях з високими навантаженнями ковзання або інтенсивним зносом наносять шар значної товщини, після чого виконують шліфування, щоб забезпечити потрібну шорсткість і розміри, вирівнюючи нерівності покриття.

Досить суттєвим обмеженням електроліту хромування є його низька розсіювальна здатність у зонах низької густини струму. Іншими словами, струм, необхідний для гальванічного осадження, зумовлює осадження хрому переважно на найбільш виступних частинах виробу. Внаслідок цього шар хрому значно товщий на зовнішніх ребрах, а у внутрішніх частинах складної механічної деталі він тонкий або взагалі відсутній. Тому, попри виняткові характеристики, тверде хромування застосовується переважно для циліндричних деталей або деталей простої форми.

Твердість і зносостійкість твердого хромування

Твердість хрому висока: від 800 до 1000 HV залежно від способу осадження.

Тверде хромування — основне покриття, коли потрібні дуже добрі ковзні властивості в поєднанні з максимальною зносостійкістю в надзвичайно важких умовах зношування. Шар хрому, осаджений за максимальної твердості, має розгалужену сітку мікротріщин. З одного боку, це знижує корозійну стійкість, з іншого — дозволяє оливі утримуватися в тріщинах, забезпечуючи постійне легке змащування, що дуже корисно при ковзанні по ущільненнях, як у гідравлічних домкратах.

Корозійна стійкість твердого хромування

Корозійна стійкість досить добра, хоча й не відмінна, якщо під хромом немає підшару. Це зумовлено мікротріщинуватістю шару, через яку корозія основного матеріалу виникає вже після кількох годин витримки в соляному тумані.

ДЕКОРАТИВНЕ ХРОМУВАННЯ

Це класичне блискуче хромування змішувачів та деталей, що використовуються з декоративною метою, завдяки блискучому й привабливому вигляду, якого деталь набуває після обробки.

Його також називають нікель-хромуванням, оскільки це подвійне покриття: перший шар електролітичного нікелювання надає гладкості й блиску, а наступний шар хрому дає біло-блакитний колір, незмінний з часом, і стійкість до стирання під час чищення завдяки своїй твердості, що дозволяє тривалий час зберігати блиск виробу.

Електролітичне нікель-хромове покриття має низьку вартість і декоративний блискучий вигляд, якому за естетикою не поступаються лише одиниці інших покриттів? Воно може мати не дуже високу адгезію до основного металу, а тому, зокрема через нерівномірність товщини, властиву всім гальванічним обробкам, майже ніколи не використовується для функціональних цілей на деталях точної механіки.

Товщина декоративного хромування

Товщина декоративного хромування зазвичай становить близько 10–15 мкм. Електролітичне нікелювання має товщину приблизно 10 мкм, а хром осаджується дуже тонким шаром, у середньому близько одного мікрометра.

Корозійна стійкість декоративного хромування

Шар хрому через мікротріщини не забезпечує доброї корозійної стійкості основного матеріалу, тому на допомогу приходить шар електролітичного нікелю, який, окрім надання виробу привабливого вигляду завдяки блискоутворювальній і вирівнювальній здатності покриття, виконує функцію захисту основного металу від корозії.

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА ТА ВСТУП ДО ХІМІЧНОГО НІКЕЛЮВАННЯ

Ще близько 1844 року було описано утворення металевого нікелю з розчину, що містить солі нікелю та гіпофосфіт. Проте лише в повоєнні роки було розроблено промисловий процес осадження сплаву нікель-фосфор з розчинів, що містять гіпофосфіт натрію та сульфат або хлорид нікелю. Перший промислово ефективний процес був запатентований у 1955 році під назвою Kanigen. Відтоді, хоча склад розчину хімічного нікелювання залишився по суті незмінним, постійні вдосконалення рецептур ванн зробили процес дедалі надійнішим і дали змогу досягти найвищого рівня якості та стабільності характеристик поверхні.

ВЛАСТИВОСТІ ХІМІЧНОГО НІКЕЛЮВАННЯ

Хімічне нікелювання — це процес, за якого на поверхню оброблюваного виробу без використання струму осаджується покриття на основі сплаву нікель-фосфор. Він відрізняється від електролітичних процесів саме відсутністю зовнішнього джерела енергії, що дає змогу рівномірно покривати всі поверхні, навіть деталей зі складною геометрією. Властивості поверхні, які надає хімічне нікелювання, — це рівномірність товщини, корозійна стійкість, твердість і зносостійкість.

Хімічний нікель може безпосередньо покривати всі метали та сплави, що широко використовуються в машинобудуванні (сталь, нержавійна сталь, алюміній, мідь, латунь), за винятком цинкових сплавів, як-от Zama, які перед нікелюванням обов’язково потрібно оміднити.

Рівномірність товщини

Ванна хімічного нікелювання починає осаджувати метал у момент занурення виробу в розчин нікелювання, запускаючи хімічну реакцію між гіпофосфіт-аніоном і катіоном нікелю. Осадження відбувається рівномірно на всіх поверхнях зануреного виробу з постійною швидкістю, що дає змогу отримати однорідне покриття зі сплаву нікель-фосфор, товщина якого змінюється між різними точками виробу в межах ±10 % від заданої номінальної товщини. Якщо припустити товщину 20 мкм, відхилення товщини між різними точками виробів, завантажених у ванну хімічного нікелювання, становитиме ±2 мкм на всіх поверхнях, до яких доходить розчин нікелювання і де він може циркулювати. Лише всередині глухих отворів покриття тонке або відсутнє, оскільки в таких отворах бракує обміну розчину нікелювання, особливо коли вони малі й глибокі.

Рівномірність товщини — унікальна властивість серед металевих покриттів, яка дозволяє заздалегідь визначити товщину, придатну для конкретного використання механічної деталі, розраховуючи на етапі проєктування, який приріст розмірів від покриття потрібно врахувати, щоб забезпечити допуски кінцевих розмірів покритої деталі.

Корозійна стійкість хімічного нікелювання

Величезна перевага хімічного нікелювання полягає в тому, що воно рівномірно захищає всі поверхні, які покриває. Ступінь захисту, що забезпечується покриттям, дещо різниться між різними типами хімічного нікелю, але за однакової товщини він у будь-якому разі вищий, ніж у гальванічного нікелювання та хромування. Ступінь захисту значною мірою залежить від основного металевого сплаву та стану оздоблення поверхні.

Наприклад, для алюмінію корозійна стійкість значною мірою залежатиме від використаного сплаву, методу виробництва та оздоблення поверхні. Деталі, оброблені з суцільної заготовки, безумовно, матимуть кращу корозійну стійкість, ніж литі під тиском деталі з необробленими поверхнями. Чавун буде менш стійким, ніж сталь, через свою пористість, а механічно оброблені поверхні будуть стійкішими, ніж поверхні, залишені необробленими після волочіння.

Можна обирати більшу або меншу товщину покриття залежно від більшої або меншої агресивності середовища. Товщина зазвичай становить від 5 до 50 мкм.

NIPLATE® 500 найкраще підходить для захисту від корозії деталей зі сплавів заліза та міді, а для алюмінію найкращим є NIPLATE® eXtreme .

Твердість і зносостійкість хімічного нікелювання

Сплави Ni-P залежно від типу осадженого хімічного нікелю мають твердість приблизно від 500 до 700 HV з відмінною зносостійкістю, пропорційною твердості. Їх можна додатково зміцнити термообробкою за температур понад 250 °C і не вище 400 °C, яка змінює структуру металевого покриття зі сплаву Ni-P, утворюючи кристалічні агрегати Ni3P (фосфід нікелю), що підвищують твердість шару до понад 1000 HV і значно збільшують зносостійкість.

Твердість, подібна до твердості хромового покриття, у поєднанні з рівномірністю товщини робить хімічний нікель кращим вибором у багатьох застосуваннях, оскільки дозволяє уникнути подальшого шліфування та пов’язаних із ним витрат.

Для забезпечення зносостійкості найкраще підходить хімічний нікель NIPLATE 600®, твердість якого становить близько 700 HV і який можна зміцнити до 1000–1050 HV. Для багатьох застосувань твердості близько 700 HV достатньо для задоволення вимог до зносостійкості, і це дозволяє уникнути нагрівання до високих температур, які для деяких матеріалів, наприклад алюмінієвих сплавів серії 7000, можуть бути згубними.

Існує також процес хімічного нікелювання NIPLATE 600® SiC з додаванням частинок карбіду кремнію, який забезпечує покриття твердістю 1150 HV зі зносостійкістю, вищою навіть за зносостійкість твердого хрому.

КОРОТКО

Переваги та недоліки — тверде хромування

Переваги:

  • Висока твердість, від 800 до 1000 HV залежно від процесу осадження.
  • Значна товщина покриття, навіть понад 100 мкм, для важких умов абразивного зносу.
  • Зносостійкість вища, ніж у зміцненого хімічного нікелю (хоча нижча, ніж у співосадженого покриття нікель + карбід кремнію NIPLATE® 600 SiC)
  • Економічність обробки виробів різного типу, штоків чи валів, у тому числі великих розмірів.

Недоліки:

  • Погане проникнення осаду в заглиблення, через що для подолання цього обмеження потрібно використовувати спеціальні аноди.
  • Потреба в подальшому шліфуванні через нерівномірність шару при великій товщині.
  • Корозійна стійкість задовільна, не відмінна.
  • Обмеження щодо використання шестивалентного хрому в промислових процесах

Переваги та недоліки — декоративне хромування

Переваги:

  • Економічність обробки.
  • Блискучий вигляд і вирівняна поверхня для декоративного використання.

Недоліки:

  • Товщину важко контролювати, вона обмежена кількома мікрометрами.
  • Непридатне для виконання механічних функцій.
  • Низька корозійна стійкість для виробів складної форми.

ХІМІЧНЕ НІКЕЛЮВАННЯ

Переваги:

  • Рівномірність товщини на всій покритій деталі з точно заданою товщиною та вузькими допусками.
  • Відмінна корозійна стійкість.
  • Висока твердість і зносостійкість.

Недоліки:

  • Вартість обробки неконкурентна для декоративних цілей.
  • Складність осадження покриттів товщиною понад 100 мкм.
  • Потреба в термообробці для досягнення максимальної твердості.