Kemično niklanje je površinska obdelava, ki enakomerno prekrije kos z zlitino niklja in fosforja. S spreminjanjem sestave obdelovalne kopeli se pridobijo različne vrste kemičnega niklja z različnimi odstotki fosforja in posledično različnimi lastnostmi.
Razlikujemo lahko tri vrste prevlek kemičnega niklanja:
- Kemični nikelj z nizkim fosforjem - P med 1 in 4%
- Kemični nikelj s srednjim fosforjem - P med 5 in 9% - NIPLATE® 600
- Kemični nikelj z visokim fosforjem - P > 10% - NIPLATE® 500
Večja kot je vsebnost fosforja v zlitini, večji je učinek preprečevanja nastajanja kristalne strukture zlitine med nanašanjem. Tako se prehaja iz delno kristalne in delno amorfne strukture pri kemičnem niklju s srednjim fosforjem do popolnoma amorfne pri kemičnem niklju z visokim fosforjem.
Magnetna susceptibilnost, značilna za kovinski nikelj, se zmanjšuje z naraščanjem fosforja, dokler ni blizu nič pri kemičnem niklju z visokim fosforjem (nad 10% P).
Povečanju fosforja v zlitini ustreza tudi rahlo zmanjšanje trdote plasti, ki se spremeni iz približno 650 HV pri srednjem fosforju na približno 550 HV pri visokem fosforju.
Razlikujemo lahko 2 razreda toplotnih obdelav, izvedenih po kemičnem niklanju:
- Dehidrogenacija: 150-180°C
- Utrjevanje: 260-280°C ali 340°C
Toplotna obdelava dehidrogenacije
Na kosih, prevlečenih s kemičnim nikljem, se običajno izvaja toplotna obdelava pri 150-180°C, imenovana dehidrogenacija, ki omogoča odstranjevanje vodika, ki se je lahko razširil v kovinsko matrico med obdelavo. Vodik, ki se lahko vključi med niklanjem in kislim luženjem pred niklanjem, se lahko razširi v jekla in ustvari pojav, imenovan vodikova krhkost. Ta toplotna obdelava omogoča sproščanje vodika, prisotnega v osnovnem materialu ali na stiku s prevleko, v zrak.
Plast kemičnega niklja, takoj po nanašanju, ima notranje napetosti, ki so lahko tlačne ali natezne in lahko omejijo njeno oprijemljivost, zlasti na jeklih visoke trdote ali toplotno obdelanih. Segrevanje prevlečenih delov ustvari sprostitev in izničenje notranjih napetosti med prevleko in osnovno kovino, s čimer se poveča tudi oprijemljivost.
Glede na vrsto zlitine, na katero se nanaša kemični nikelj, se uporablja temperatura blizu 160°C, če gre za aluminijeve zlitine, za čas med 2 in 4 urami, medtem ko je lahko pri železovih ali bakrenih zlitinah temperatura višja, približno 180°C, vedno za 2-4 ure toplotne obdelave.
Toplotne obdelave utrjevanja
Toplotni obdelavi utrjevanja, značilni za kemično niklanje, sta 2 in potekata pri različnih temperaturah:
- 260-280°C za 8 ur: omogoča povečanje trdote do približno 800 HV.
- 340°C za 4 ure: omogoča doseganje 1000 HV trdote.
Ker je amorfna faza Ni-P nestabilna faza, ko se kemični nikelj žari pri temperaturi nad 260°C, pride do prvega vrha aktivacije energije kristalizacije, zadostne za ustvarjanje premestitve atomov fosforja, razpršenih v nikljevi matriki. Oba elementa se reorganizirata, prehajajoč skozi vmesne metastabilne kristalne faze Ni7P3, Ni5P2, do stabilne kristalne faze Ni3P, ki se pojavi od 280-290°C naprej.
Za doseganje maksimalne trdote, enake približno 1000 HV, se izvaja toplotna obdelava pri 340°C za najmanj 4 ure. Končna struktura prevleke je fina mreža trdih kristalov nikljevega fosfida Ni3P, razpršenih v preostali kovinski nikljevi matriki.
Trdota 1000±50 HV, dosegljiva s postopkom utrjevanja, omogoča uporabo kemičnega niklanja kot alternativo kromiranju, s prednostjo, da je nanos enakomeren na vseh površinah, tudi na notranjih delih, in ga ni treba ponovno obdelati, kot se to dogaja pri nanosu kroma.
S toplotnimi obdelavami utrjevanja kemičnega niklja se zelo izboljša tudi oprijemljivost prevleke na osnovno kovino. Celo za zagotavljanje ustrezne oprijemljivosti na nitriranih ali karbonitriranih jeklih ali na nerjavnih jeklih postane potrebna obdelava v peči pri temperaturah nad 260°C po niklanju.
Površinsko barvanje
Okoli temperature 270°C kemični nikelj začne reagirati s kisikom, kar ustvarja rumeno-zlate madeže. Višja kot je temperatura, bolj lahko površina kemičnega niklja zaradi interference svetlobe z nanometričnimi plastmi nikljevega oksida, ki se tvorijo, dobi modro-iridescentne barve, kot se zgodi, ko se nerjavno jeklo ožge s plamenom.
Z obdelavo kemičnega niklja v pečeh s kontrolirano atmosfero se izogne površinski oksidaciji in se lahko doseže maksimalna trdota ob ohranjanju bele kovinske barve niklja.
Magnetizem
Kemični nikelj je feromagnetičen, ko je vsebnost fosforja nižja od 10%. Vendar je treba opozoriti, da se pri toplotnih obdelavah nad 250°C obnovi magnetna susceptibilnost visokega fosforja zaradi preobrazbe iz amorfne strukture v kristalno strukturo. Če je potrebna odsotnost magnetizma, je treba izbrati kemično niklanje z visokim fosforjem Niplate 500 in je mogoče izvesti samo obdelavo dehidrogenacije.
Odpornost proti obrabi
Večji trdoti ustreza večja odpornost proti obrabi po inkrementalni krivulji. Sposobnost odpornosti proti abrazivni obrabi se meri s “Taber Abraser Tester”, kjer se prevlečen vzorec vrti proti dvema gumenima kolesoma, ki vsebujeta abraziv določene zrnatosti. Vsakih 1000 ciklov rotacije se preveri izguba teže prevleke in po 10.000 ciklih se dobi indeks obrabe, opredeljen kot Taber Index. Za vrednosti obrabe različnih prevlek Niplate® se sklicujemo na opisne liste prevlek:
Odpornost proti abrazivni obrabi se lahko poveča za najmanj 10-krat v primerjavi z utrjenim kemičnim nikljem z uporabo NIPLATE® 600 SiC, ki vsebuje delce silicijevega karbida. S to prevleko je dosežena trdota približno 1100 HV, vendar je velika prednost kompozitne prevleke NIPLATE® 600 SiC njena izjemna odpornost proti abraziji, saj nasprotna stran pri drsenju na površini naleti na delce silicijevega karbida, ki imajo visoko trdoto, nižjo samo od diamanta.