V precizni mehaniki so glavne uporabljene kovinske zlitine tiste iz železa, aluminija in bakra, zahvaljujoč njihovim mehanskim lastnostim ter razpoložljivosti, ekonomičnosti in enostavni obdelovalnosti.
Razvoj trga in tehnologij je pripeljal do potrebe po doseganju vedno višjih lastnosti, tudi na površinski ravni. Tri omenjene zlitine pogosto kažejo nezadostne površinske zmogljivosti, na primer glede odpornosti proti koroziji ali odpornosti proti obrabi. Posledično je zelo pogosto potrebno poseganje s specifičnimi prevlekami, ki ustrezajo tehničnim in/ali estetskim zahtevam.
Kemično niklanje je prevleka, ki se najbolje prilagaja komponentam precizne mehanike, saj združuje številne lastnosti: enotnost debeline, visoko trdoto, odpornost proti obrabi in odlično odpornost proti koroziji.
Proces kemičnega niklanja temelji na potopitvi v raztopino niklja, pri čemer se sproži avtokatalizna reakcija brez uporabe toka. Na površini kosa se tako tvori zlitina nikelj-fosfor, rezultat oksidacijsko-redukcijske reakcije med ionom Ni++ (iz nikljevega sulfata) in ionom H2PO2- (iz natrijevega hipofosfita, reducenta).
Ta proces zagotavlja enakomerno debelino na vseh območjih, vključno z notranjimi conami in kompleksnimi geometrijami, kar omogoča spoštovanje ozkih toleranc brez izolacij ali ponovnih obdelav na kritičnih površinah. Poleg tega popolno prevlečenje kosa zagotavlja zaščito pred korozijo in obrabo tudi na notranjih površinah, kot so luknje in podrezki.
Pri galvanskih (ali elektrolitičnih) procesih, kot sta kromiranje ali elektrolitično niklanje, se za nanašanje kovine uporablja električni tok. To povzroča neizogibno večjo debelino na robovih in manjše debeline na notranjih območjih.
Kemično niklanje in elektrolitično niklanje
Kemično niklanje in elektrolitično niklanje dejansko delita le kovino nikelj, medtem ko sta procesa in površinske lastnosti, ki iz njiju izhajajo, ter področja uporabe zelo različni.
Elektrolitično niklanje se pogosto uporablja v dekorativne namene za zagotavljanje odpornosti proti koroziji in srebrnega kovinskega videza. Običajno je kombinirano s spodnjo prevleko bakra za izboljšanje oprijema in doseganje svetlega in sijočega videza. Ima povprečno trdoto in odpornost proti koroziji, ki je nižja v primerjavi s kemičnim niklanjem.
Kemično niklanje se prednostno uporablja v tehničnih kontekstih, kjer so zahtevane trdota do 1000 HV, odpornost proti obrabi, redukcija koeficienta trenja in odlična odpornost proti koroziji. Lahko se nanaša na zlitine železa, aluminija, bakra in titana.
Referenčni tehnični standardi
Tehnični standardi in mednarodni standardi, povezani s kemičnim nikljem, so naslednji:
| Norma / Standard | Titolo |
|---|---|
| ISO 4527 | Metallic coatings - Autocatalytic (electroless) nickel-phosphorus alloy coatings - Specification and test methods |
| ASTM B733 | Standard Specification for Autocatalytic (Electroless) Nickel-Phosphorus Coatings on Metal |
| MIL-C-26074 | Coatings, Electroless Nickel, Requirement for |
| AMS C26074 | Electroless Nickel Coatings |
| AMS 2404 | Plating, Electroless Nickel |
| AMS 2405 | Electroless Nickel Plating Low Phosphorus |
Najbolj razširjen in priznan standard je ISO 4527, ki določa zahteve in preskusne metode za avtokatalizne prevleke nikelj-fosfor, nanešene na kovinske substrate.
Vrste kemičnega niklja
Prevleke se razlikujejo glede na količino fosforja v zlitini:
| % Fosforja | Vrsta kemičnega niklanja | Informacije |
|---|---|---|
| 1-4% P | Kemični nikelj z nizkim fosforjem | Malo uporabljeno v industriji |
| 5-9% P | Kemični nikelj s srednjim fosforjem Niplate 600 | Prednostno za večjo trdoto in odpornost proti obrabi ter nižje stroške |
| >10% P | Kemični nikelj z visokim fosforjem Niplate 500 | Prednostno za večjo odpornost proti koroziji |
Za nadaljnje povečanje površinskih zmogljivosti kemičnega niklanja so na voljo prevleke s posebnimi delci:
- Kemični nikelj + PTFE: nanometrski delci PTFE se sočasno nanašajo znotraj plasti kemičnega niklja v koncentraciji 25-35% po volumnu. Zahvaljujoč lastnostim PTFE prevleka Niplate 500 PTFE predstavlja zelo nizek koeficient trenja (0,08-0,10) z visoko odpornostjo proti koroziji, dobro trdoto in odličnim oprijemom na osnovno kovino, lastnosti, ki manjkajo pri razpršenih prevlekah PTFE.
- Kemični nikelj + SiC: za aplikacije, kjer je odpornost proti obrabi najpomembnejša, je bila razvita kompozitna prevleka Niplate 600 SiC . Mikrometrski delci silicijevega karbida (SiC), zelo trdega keramičnega materiala, prevleki zagotavljajo izjemno odpornost proti abrazivni in adhezivni obrabi, presegajoč zmogljivosti kromiranja.
Estetski videz
Kemično niklanje ima svetel kovinski videz, barve, podobne nerjavnemu jeklu. Ima visoko odpornost proti oksidaciji, pri čemer ohranja barvo in sijaj dolgo časa.
Površinska morfologija in prvotna hrapavost se s prevleko ne spreminjata bistveno; zato končni videz odraža začetnega. Za doseganje matne površine se lahko izvede peskanje, krogličenje ali granuliranje.
Kemični nikelj + PTFE ima sivo barvo “cev puške”.
Kemični nikelj + SiC ima svetlo sivo barvo.
Prevlečljive kovinske zlitine
Kemično niklanje se lahko nanaša na večino zlitin, ki se običajno uporabljajo v mehaniki:
- Ogljikovo jeklo
- Nerjavno jeklo
- Cementirana in kaljena jekla
- Aluminijeve zlitine (iz obdelave ali litja)
- Bakrove zlitine, medenina
- Titanove zlitine
Debelina prevleke in toleranca
Debelina prevleke kemičnega niklja je enakomerna na vseh površinah kosa. Običajno se uporabljajo debeline med 5 µm in 50 µm, s toleranco ±10% (najmanj ±2 µm). Standardne debeline so:
- 5±2 µm
- 10±2 µm
- 20±2 µm
Za zahtevne aplikacije, na primer v morskem okolju ali v pogojih močne obrabe, se lahko izberejo debeline 30±3 µm ali 50±5 µm, ki zagotavljajo večjo zaščito v odvisnosti od debeline.
Izbira idealne debeline je odvisna od zahtev, osnovnega materiala in delovnega okolja (kot sta obraba ali kemična agresivnost). Micron Srl ponuja svetovanje projektantom, risarjem in mehanskim delavnicam za določitev najprimernejše debeline.
Trdota in toplotne obdelave za utrjevanje
Prevleka kemičnega niklanja ima visoko trdoto, višjo od mnogih drugih kovinskih zlitin. Z ustreznimi toplotnimi obdelavami lahko doseže vrednosti 1000 HV (69 HRC), presegajoč trdoto cementiranih ali nitriranih jekel. To prevlečenim komponentam zagotavlja odlično odpornost proti obrabi, zahvaljujoč tudi nizkemu koeficientu trenja kemičnega niklja.
Dehidrogenacija
Med kemičnim niklanjem pride do difuzije atomskega vodika v prevleko in kovinsko podlago. Pri materialih z visoko trdnostjo lahko to privede do tako imenovanega krhkosti zaradi vodika. Vendar je v primerjavi z galvanskimi procesi (kot sta kromiranje ali elektrolitično niklanje) količina vnesenega vodika nižja zaradi odsotnosti električnega toka. Običajno se izvede toplotna obdelava dehidrogenacije (180°C za 4 ure) za odstranitev vodika in izboljšanje oprijema prevleke.
Utrjevanje
Toplotne obdelave za utrjevanje se običajno izvajajo pri 260-280°C za doseganje trdote okoli 800 HV in pri 340°C za doseganje približno 1000 HV. Toplotna obdelava pri 260-280°C lahko povzroči rahlo rumeno obarvanje površine kosov zaradi rahle oksidacije površine, ki se pojavi pri teh temperaturah. Obdelava utrjevanja pri 340°C, ki se običajno izvaja v peči na zraku, povzroči rumeno-modro irizirajoče obarvanje na površini kosov. Ista obdelava utrjevanja se lahko alternativno izvede v peči v nadzorovani atmosferi, ki omogoča ohranjanje kovinskega videza kemičnega niklja.
Odpornost proti koroziji
Kemično niklanje ponuja odlično odpornost proti koroziji, vendar se obnašanje razlikuje glede na spodnjo kovinsko zlitino:
- Zlitine železa: najboljšo odpornost proti koroziji imajo obdelave cinkanja, saj je cink žrtvovan in se korodira prvi, s čimer preprečuje korozijo železa. Kemični nikelj se izbere namesto cinkanja, ko so zahtevane ozke tolerance, zaščita tudi v notranjih conah, visoka odpornost proti obrabi ali rahlo kislim ali bazičnim snovem.
- Aluminijeve zlitine: kemični nikelj konkurira anodizaciji, pri čemer se razlikuje po večji površinski trdoti, boljši kemični odpornosti v ne-nevtralnih okoljih, nižjem koeficientu trenja in hrapavosti, električni prevodnosti in prevleki vseh površin, vključno z notranjimi.
- Bakrove zlitine (medenina): kemični nikelj lahko zagotovi odlično odpornost proti koroziji, pri čemer doseže več kot 1000 ur nevtralne solne megle (NSS) brez znakov korozije.
Kemični nikelj ima odlično kemično odpornost v nevtralnih ali rahlo agresivnih okoljih in ohranja nespremenjen kovinski videz. Dobro se upira v prisotnosti ogljikovodikov, alkohola, nevtralnih slanih raztopin, razredčenih reducirajočih kislin in razredčenih baz. Je manj primeren v prisotnosti koncentriranih kislin in baz, še posebej če so oksidirajoče.
Magnetizem
Kemični nikelj s srednjim fosforjem (5-9% P) kaže feromagnetno obnašanje. Nasprotno, kemični nikelj z visokim fosforjem (>10% P) je amorfen in v tem stanju ne kaže opaznega feromagnetizma. Vendar, če je izpostavljen toplotnim obdelavam nad približno 250-300 °C, se amorfna faza nagiba h kristalizaciji, pri čemer se tvorijo spojine (na primer Ni3P), ki dajejo feromagnetne lastnosti. Posledično, če je cilj izogniti se kakršni koli obliki magnetizma, je treba izbrati nanos z visokim fosforjem (kot Niplate 500) brez izvajanja obdelave utrjevanja pri temperaturah, ki bi sprožile kristalizacijo.
Hrapavost
Kemično niklanje ne spreminja bistveno hrapavosti površine, dane z mehansko obdelavo; vrednosti ostajajo skoraj nespremenjene v primerjavi z začetnimi.
Brušenje
Nekatere posebne aplikacije zahtevajo brušenje po prevleki s kemičnim nikljem, kot so na primer oleodinamične palice, ki potrebujejo zelo ozke tolerance in natančne spoje.
Kemični nikelj, čeprav je zelo trd, se dokaj enostavno brusi. Celo prednostna je obdelava utrjevanja pri 800 HV ali 1000 HV, saj je obdelovalnost in odstranljivost odrezkov boljša.
Varljivost
Kemično niklanje Niplate se enostavno vari. Zelo se uporablja na bakrenih prevodnikih z namenom preprečevanja površinske oksidacije bakra in omogočanja odlične varljivosti elektronskih komponent. Kemični nikelj poleg zaščite bakra pred korozijo ohranja nespremenjene površinske lastnosti skozi čas, saj se ne oksidira in ne korodira.
REACh in RoHS
Prevleke kemičnega niklanja Niplate so skladne z uredbo REACh in direktivo RoHS, saj niso prisotne snovi z omejitvami uporabe nad maksimalnimi dovoljenimi koncentracijami in niso prisotne SVHC v količinah, večjih od 0,1% po teži.