Твердість хімічного нікелювання: термічна обробка

Хімічне нікелювання — це поверхневе оброблення, яке рівномірно покриває виріб сплавом нікелю та фосфору. Змінюючи склад оброблювальної ванни, отримують різні типи хімічного нікелю з різним вмістом фосфору та, відповідно, різними характеристиками.

Можна виділити три типи покриття хімічного нікелювання:

Хімічний нікель з низьким вмістом фосфору — P від 1 до 4 %
Хімічний нікель із середнім вмістом фосфору — P від 5 до 9 % — NIPLATE® 600
Хімічний нікель з високим вмістом фосфору — P > 10 % — NIPLATE® 500

Чим вищий вміст фосфору в сплаві, тим сильніше він перешкоджає формуванню кристалічної структури сплаву під час осадження. Так відбувається перехід від частково кристалічної та частково аморфної структури для хімічного нікелю із середнім вмістом фосфору до повністю аморфної для хімічного нікелю з високим вмістом фосфору.

Магнітна сприйнятливість, характерна для металевого нікелю, зменшується зі зростанням вмісту фосфору і стає близькою до нуля для хімічного нікелю з високим вмістом фосфору (понад 10 % P).

Зі збільшенням вмісту фосфору в сплаві також дещо знижується твердість шару: приблизно з 650 HV для середнього вмісту фосфору до приблизно 550 HV для високого.

Можна виділити 2 класи термообробки, що виконується після хімічного нікелювання:

Дегідрогенізація: 150–180 °C
Зміцнення: 260–280 °C або 340 °C

Термообробка для дегідрогенізації

Вироби з покриттям із хімічного нікелю зазвичай піддають термообробці за температури 150–180 °C, яку називають дегідрогенізацією. Вона дає змогу видалити водень, що міг продифундувати всередину металевої матриці під час обробки. Водень, який може поглинатися під час нікелювання та попереднього кислотного травлення перед нікелюванням, здатний дифундувати в сталі та спричиняти явище, яке називають водневою крихкістю. Така термообробка забезпечує виділення водню, наявного в основному матеріалі або на межі з покриттям, у повітря.

Щойно осаджений шар хімічного нікелю має внутрішні напруження, які можуть бути стискальними або розтягувальними і можуть обмежувати адгезію, особливо на сталях високої твердості або термооброблених сталях. Нагрівання деталей з покриттям призводить до релаксації та зняття внутрішніх напружень між покриттям і основним металом, а також підвищує адгезію.

Залежно від типу сплаву, на який осаджують хімічний нікель, застосовують температуру близько 160 °C для алюмінієвих сплавів протягом 2–4 год, тоді як для сплавів заліза або міді температура може бути вищою — близько 180 °C, також протягом 2–4 год термообробки.

Термообробка для зміцнення

Є 2 типові режими термообробки для зміцнення хімічного нікелю, які виконують за різних температур:

260–280 °C протягом 8 год: дає змогу підвищити твердість приблизно до 800 HV.
340 °C протягом 4 год: дає змогу досягти твердості 1000 HV.

Оскільки аморфна фаза Ni-P є нестабільною, під час відпалу хімічного нікелю за температури понад 260 °C спостерігається перший пік активації енергії кристалізації, достатній для зміщення атомів фосфору, розподілених у нікелевій матриці. Обидва елементи перебудовуються, проходячи через проміжні метастабільні кристалічні фази Ni7P3, Ni5P2, аж до стабільної кристалічної фази Ni3P, яка утворюється починаючи з 280–290 °C.

Для досягнення максимальної твердості близько 1000 HV виконують термообробку за температури 340 °C щонайменше протягом 4 год. Кінцева структура покриття — це тонка сітка твердих кристалів фосфіду нікелю Ni3P, розподілених у решті металевої нікелевої матриці.

Твердість 1000±50 HV, яку можна отримати завдяки зміцнювальній обробці, дає змогу застосовувати хімічне нікелювання як альтернативу хромуванню, користуючись перевагою рівномірного осадження на всіх поверхнях, зокрема внутрішніх, без необхідності в подальшій механічній обробці, яка потрібна для хромового покриття.

Щоб швидко порівняти вимогу, виражену в HV, HRC або HB, скористайтеся онлайн-конвертером твердості .

Термообробка для зміцнення хімічного нікелю також значно покращує адгезію покриття до основного металу. Більше того, для забезпечення належної адгезії на азотованих або нітроцементованих сталях чи на нержавних сталях після нікелювання необхідна обробка в печі за температури понад 260 °C.

Забарвлення поверхні

Приблизно за температури 270 °C хімічний нікель починає реагувати з киснем, утворюючи жовто-золотисті плями. Що вища температура, то більшою мірою поверхня хімічного нікелю внаслідок інтерференції світла в нанометрових шарах оксиду нікелю, що утворюються, може набувати синіх райдужних відтінків, як це трапляється під час нагрівання нержавної сталі полум’ям.

Обробка хімічного нікелю в печах з контрольованою атмосферою запобігає поверхневому оксидуванню та дає змогу досягти максимальної твердості, зберігаючи металевий білий колір нікелю.

Магнетизм

Хімічний нікель є феромагнітним, якщо вміст фосфору становить менше 10 %. Проте слід пам’ятати, що після термообробки за температури понад 250 °C магнітна сприйнятливість хімічного нікелю з високим вмістом фосфору відновлюється внаслідок перетворення аморфної структури на кристалічну. Якщо потрібна відсутність магнетизму, слід обирати хімічне нікелювання з високим вмістом фосфору Niplate 500; у такому разі допускається лише термообробка для дегідрогенізації.

Зносостійкість

Більшій твердості відповідає вища зносостійкість за зростаючою кривою. Здатність протистояти абразивному зношуванню вимірюють за допомогою «Taber Abraser Tester», у якому зразок із покриттям обертається в контакті з двома гумовими колесами, що містять абразив із визначеною зернистістю. Кожні 1000 циклів обертання перевіряють втрату маси покриття, а після 10 000 циклів визначають показник зношування, який називають Taber Index. Значення зношування різних покриттів Niplate® наведено в технічних описах покриттів:

Стійкість до абразивного зношування можна підвищити щонайменше в 10 разів порівняно зі зміцненим хімічним нікелем, використовуючи NIPLATE® 600 SiC, який містить частинки карбіду кремнію. Твердість такого покриття становить близько 1100 HV, але головна перевага композитного покриття NIPLATE® 600 SiC — його виняткова стійкість до абразивного зношування, адже контртіло, що ковзає, зустрічає на поверхні частинки карбіду кремнію з високою твердістю, нижчою лише за твердість алмаза.