Що таке хімічне нікелювання

Хімічне нікелювання (також відоме як хімічний нікель) — це покриття зі сплаву нікель-фосфор, що осаджується шляхом автокаталітичної реакції без електричного струму. Воно забезпечує рівномірну товщину навіть на деталях складної геометрії, високу твердість, добру корозійну стійкість і зносостійкість, тому його широко застосовують у точному машинобудуванні.

У точному машинобудуванні основними металевими сплавами є сплави на основі заліза, алюмінію та міді завдяки їхнім механічним характеристикам, а також доступності, економічності та легкості обробки.

Розвиток ринку і технологій зумовив потребу в дедалі вищих характеристиках, зокрема на рівні поверхні. Три згадані групи сплавів часто мають недостатні поверхневі властивості, наприклад щодо корозійної стійкості чи зносостійкості. Тому дуже часто застосовують спеціальні покриття, що відповідають технічним та/або естетичним вимогам.

Хімічне нікелювання — це покриття, яке найкраще підходить для компонентів точного машинобудування, оскільки поєднує численні характеристики: рівномірність товщини, високу твердість, зносостійкість і чудову корозійну стійкість.

Процес хімічного нікелювання ґрунтується на зануренні у розчин нікелю, що запускає автокаталітичну реакцію без використання струму. На поверхні виробу утворюється сплав нікель-фосфор — результат окисно-відновної реакції між іоном Ni⁺⁺ (із сульфату нікелю) та іоном H₂PO₂^- (із гіпофосфіту натрію, який є відновником).

Цей процес забезпечує рівномірну товщину на всіх ділянках, зокрема у внутрішніх зонах і на поверхнях складної геометрії, що дозволяє дотримуватися жорстких допусків без маскування чи повторної обробки критичних поверхонь. Крім того, повне покриття виробу гарантує захист від корозії та зношування навіть на внутрішніх поверхнях, таких як отвори та піднутрення.

У гальванічних (або електролітичних) процесах, таких як хромування чи електролітичне нікелювання, для осадження металу натомість використовують електричний струм. Це неминуче призводить до більшої товщини на гострих кромках і меншої — у внутрішніх зонах.

Хімічне та електролітичне нікелювання

Хімічне й електролітичне нікелювання об’єднує, по суті, лише метал — нікель, тоді як процеси, властивості поверхні, що з них випливають, і галузі застосування суттєво відрізняються.

Електролітичне нікелювання часто застосовують у декоративних цілях для забезпечення корозійної стійкості та сріблястого металевого вигляду. Зазвичай його поєднують із підшаром міді для покращення адгезії та отримання глянцевого, блискучого вигляду. Воно має середню твердість і нижчу корозійну стійкість порівняно з хімічним.

Хімічному нікелюванню віддають перевагу в технічних сферах, де потрібні твердість до 1000 HV, зносостійкість, зниження коефіцієнта тертя та чудова корозійна стійкість. Його можна наносити на сплави заліза, алюмінію, міді та титану.

Відповідні технічні норми

Технічні норми та міжнародні стандарти щодо хімічного нікелю такі:

Найпоширенішою та найвизнанішою є норма ISO 4527, що визначає вимоги та методи випробувань автокаталітичних нікель-фосфорних покриттів, нанесених на металеві основи.

Типи хімічного нікелю

Покриття розрізняються залежно від кількості фосфору в сплаві:

Для подальшого підвищення поверхневих характеристик хімічного нікелювання доступні покриття зі спеціальними частинками:

• Хімічний нікель + PTFE: нанометричні частинки PTFE співосаджуються в шарі хімічного нікелю в концентрації 25–35% за об’ємом. Завдяки властивостям PTFE покриття Niplate 500 PTFE має дуже низький коефіцієнт тертя (0,08–0,12), високу корозійну стійкість, добру твердість і чудову адгезію до основного металу — характеристики, яких бракує напиленим покриттям із PTFE.
• Хімічний нікель + SiC: для застосувань, де зносостійкість має першочергове значення, розроблено композитне покриття Niplate 600 SiC . Мікрометричні частинки карбіду кремнію (SiC) — дуже твердого керамічного матеріалу — надають покриттю виняткової стійкості до абразивного та адгезійного зношування, що перевищує показники хромування.

Зовнішній вигляд

Хімічне нікелювання має блискучий металевий вигляд, за кольором подібний до нержавійної сталі. Воно характеризується високою стійкістю до окиснення, тривалий час зберігаючи колір і блиск.

Початкова морфологія поверхні та шорсткість покриттям суттєво не змінюються, тому кінцевий вигляд відповідає початковому. Для отримання матової поверхні можна виконати піскоструминну обробку, зміцнювальну дробоструминну обробку (shot peening) або дробоструминну обробку металевим дробом.

Хімічний нікель + PTFE має сірий колір «воронованої сталі».

Хімічний нікель + SiC має світло-сірий колір.

Сплави, на які можна наносити покриття

Хімічне нікелювання можна наносити на більшість сплавів, що зазвичай використовуються в машинобудуванні:

• Вуглецева сталь
• Нержавійна сталь
• Цементовані та загартовані сталі
• Алюмінієві сплави (деформівні або ливарні)
• Мідні сплави, латунь
• Титанові сплави

Товщина покриття та допуск

Товщина покриття з хімічного нікелю рівномірна на всіх поверхнях виробу. Зазвичай використовують товщину від 5 мкм до 50 мкм з допуском ±10% (мінімум ±2 мкм). Стандартна товщина:

• 5±2 мкм
• 10±2 мкм
• 20±2 мкм

Для важких умов експлуатації, наприклад у морському середовищі або за сильного зношування, можна обрати товщину 30±3 мкм або 50±5 мкм, що забезпечує вищий рівень захисту залежно від товщини.

Вибір оптимальної товщини залежить від вимог, основного матеріалу та умов експлуатації (зокрема зношування чи хімічної агресивності середовища). Micron Srl надає консультації конструкторам, проєктувальникам і механічним майстерням для визначення найбільш відповідної товщини.

Твердість і термообробка для зміцнення

Покриття хімічного нікелювання має високу твердість, вищу, ніж у багатьох інших металевих сплавів. Після відповідної термообробки воно може досягати 1000 HV (69 HRC), перевищуючи твердість цементованих або азотованих сталей. Це забезпечує покритим компонентам відмінну зносостійкість, у тому числі завдяки низькому коефіцієнту тертя хімічного нікелю.

Дегідрогенізація

Під час хімічного нікелювання відбувається дифузія атомарного водню в покриття та металеву основу. У високоміцних матеріалах це може призвести до так званого водневого окрихчення. Проте порівняно з гальванічними процесами (такими як хромування чи електролітичне нікелювання) кількість введеного водню менша завдяки відсутності електричного струму. Зазвичай виконують термообробку для дегідрогенізації (180 °C протягом 4 год), щоб видалити водень і покращити адгезію покриття.

Зміцнення

Термообробку для зміцнення зазвичай проводять за 260–280 °C для отримання твердості близько 800 HV і за 340 °C — для досягнення приблизно 1000 HV. Термообробка за 260–280 °C може спричиняти легке пожовтіння поверхні виробів через незначне окиснення поверхні за таких температур. Зміцнення за 340 °C, яке зазвичай виконують у печі з повітряною атмосферою, спричиняє райдужне жовто-синє забарвлення поверхні виробів. Таке саме зміцнення можна альтернативно виконати в печі з контрольованою атмосферою, що дозволяє зберегти металевий вигляд хімічного нікелю.

Корозійна стійкість

Хімічне нікелювання забезпечує чудову корозійну стійкість, але корозійна поведінка залежить від металевого сплаву основи:

• Сплави заліза: найкраща корозійна стійкість досягається за допомогою цинкування, оскільки цинк виконує роль жертовного анода й кородує першим, запобігаючи корозії заліза. Хімічний нікель обирають замість цинкування, коли потрібні жорсткі допуски, захист також у внутрішніх зонах, висока зносостійкість або стійкість до слабокислих чи слаболужних речовин.
• Алюмінієві сплави: хімічний нікель конкурує з анодуванням, відрізняючись вищою поверхневою твердістю, кращою хімічною стійкістю в ненейтральних середовищах, нижчими коефіцієнтом тертя та шорсткістю, електропровідністю та покриттям усіх поверхонь, зокрема внутрішніх.
• Мідні сплави (латунь): хімічний нікель може забезпечити чудову корозійну стійкість, витримуючи понад 1000 год у нейтральному соляному тумані (NSS) без ознак корозії.

Хімічний нікель має дуже добру хімічну стійкість у нейтральних або слабоагресивних середовищах і зберігає незмінним свій металевий вигляд. Він стійкий до впливу вуглеводнів, спиртів, нейтральних сольових розчинів, розбавлених відновних кислот і розбавлених лугів. Менш придатний у присутності концентрованих кислот і лугів, особливо з окиснювальними властивостями.

Магнетизм

Хімічний нікель із середнім умістом фосфору (5–9% P) виявляє феромагнітну поведінку. Натомість хімічний нікель з високим умістом фосфору (>10% P) є аморфним і в цьому стані не виявляє помітного феромагнетизму. Проте за термообробки вище приблизно 250–300 °C аморфна фаза схильна кристалізуватися з утворенням сполук (наприклад, Ni₃P), що надають феромагнітних властивостей. Отже, якщо мета — уникнути будь-якого прояву магнетизму, слід обирати осад із високим умістом фосфору (як-от Niplate 500) і не виконувати зміцнення за температур, що ініціюють кристалізацію.

Шорсткість

Хімічне нікелювання суттєво не змінює шорсткість поверхні, отриману після механічної обробки; значення залишаються практично незмінними порівняно з початковими.

Шліфування

Деякі специфічні застосування потребують шліфування після нанесення покриття з хімічного нікелю, наприклад гідравлічні штоки, які вимагають надзвичайно жорстких допусків і точних посадок.

Хімічний нікель, попри свою високу твердість, досить легко піддається шліфуванню. Навіть віддають перевагу зміцненню до 800 HV або 1000 HV, оскільки в цьому випадку поліпшуються оброблюваність і видалення стружки.

Придатність до паяння

Покриття хімічного нікелювання Niplate добре піддається паянню. Його широко застосовують на мідних провідниках, щоб запобігти поверхневому окисненню міді та забезпечити чудову придатність електронних компонентів до паяння. Хімічний нікель, окрім захисту міді від корозії, з часом зберігає незмінними поверхневі характеристики, оскільки не окиснюється і не кородує.

REACh та RoHS

Покриття хімічного нікелювання Niplate відповідають регламенту REACh та директиві RoHS, оскільки не містять речовин з обмеженнями щодо використання в концентраціях понад максимально допустимі, а вміст SVHC не перевищує 0,1% за масою.