الطلاء بالنيكل غير الكهربائي: دليل تقني كامل

يمكن اعتبار الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء أحد أكثر العمليات دقة وتنوعًا وموثوقية في مجال هندسة الأسطح وتشطيب المعادن، مما يسمح بتحسين خصائص سطح العديد من المواد. وهذا، على عكس الطلاء الكهربائي العادي، لا يحتاج إلى تيار كهربائي خارجي. بل يعتمد بدلاً من ذلك على تفاعل كيميائي محكوم يرسب طبقة موحدة من النيكل والفوسفور أو النيكل والبورون عن طريق خلطهما بالتساوي على السطح. وتوفر هذه العملية أفضل مقاومة للتآكل، وعامل تآكل، وسماكة متناسقة، حتى على الأشكال المعقدة.

غالبًا ما يتم اختيار الطلاء بدون كهرباء من قِبل المصنعين والمهندسين والمصممين بدلاً من إجراءات الطلاء الأخرى نظرًا لفوائدها في الأداء والتجميل. وبغض النظر عما إذا كانت قطع غيار الطائرات أو قطع غيار السيارات أو القوالب أو الآلات الصناعية، فإن هذه العملية توفر نتائج قابلة للتكرار قادرة على إطالة عمر المكون وتقليل نفقات صيانته.

في هذا البرنامج التعليمي، سوف نتعمق في هذا البرنامج التعليمي في خصوصيات وعموميات الطلاء بالنيكل غير الكهربائي، وخصائصه الإيجابية، واستخداماته، والخطوات المتبعة فيه، وكيفية مقارنته مع العمليات الأخرى مثل الطلاء بالنيكل، والطلاء بأكسيد النيكل الصلب ألومنيوم مصبوب، وطلاء النيكل والكروم المستخدم في الإنتاج المعاصر.

ما هو الطلاء بالنيكل عديم النيكل الكهربائي؟

يشير الطلاء بالنيكل عديم الإلكتروليت إلى ترسيب سبيكة نيكل على سطح معدني أو غير معدني، حيث يحدث تفاعل تحفيزي ذاتي. يشتمل الحمام الكيميائي على أملاح النيكل وعامل مختزل، عادةً ما يكون هيبو فوسفيت الصوديوم، الذي يحول أيونات النيكل إلى معدن، وتكون قادرة على الالتصاق بالركيزة.

وعلى النقيض من عملية الطلاء الكهربائي للترسيب التي تسمى الطلاء بالنيكل، حيث يجب ترسيب النيكل من خلال استخدام التيار الكهربائي، لا تحتاج العملية في النيكل عديم الكهرباء إلى أي مصدر طاقة خارجي. وينتج عن ذلك توحيد سماكة الطلاء في الأجزاء الغائرة أو الخيوط أو التجاويف الداخلية. والنتيجة هي طبقة نهائية غير مسامية وصلبة ومقاومة للتآكل تنطبق على الظروف الصناعية الصعبة.

المزايا الرئيسية للطلاء بالنيكل بدون كهرباء

1. سمك الطلاء المتساوي

الترسيب هو نفسه بغض النظر عن شكل الجزء أو مدى تعقيده.

2. خاصية تآكل أفضل

توفر طبقة من سبيكة النيكل والفوسفور حماية فائقة ضد الأكسدة والهجوم بالمواد الكيميائية.

3. صلابة وتآكل أفضل

عند المعالجة الحرارية، يمكن للنيكل غير المكهرب أن يصل إلى صلابة مشابهة جدًا لصلابة الكروم الصلب.

4. دقة الأبعاد

التماثل في السماكة صغير، وبالتالي يمكن استخدامه في التطبيقات الهندسية الدقيقة.

5. القدرة على التوافق مع المواد الأخرى

يمكن استخدامه على الفولاذ والنحاس والألومنيوم والنحاس الأصفر والنحاس الأصفر، ويمكن استخدامه على بعض المواد البلاستيكية مع تحضير بسيط للسطح. 

أنواع الطلاء بالنيكل عديم النيكل الكهربائي

يتم تصنيف الطلاء بالنيكل عديم الإلكتروليترول عادةً حسب كمية الفوسفور في سبيكة النيكل والفوسفور. كل نوع له متطلبات متنوعة في حالة الصلابة ومقاومة التآكل والتآكل، ومن ثم الاستخدام المناسب في التطبيقات الفردية.

1. الطلاء بالنيكل عديم الفوسفور المنخفض الفوسفور (2 إلى 5 في المائة فوسفور)

• الخصائص: الأكثر صعوبة من بين جميع الأنواع، ومقاومة للتآكل، ومعامل احتكاك منخفض مرتفع.
• مقاومة التآكل: متوسط، لا يمكن استخدام هذه المادة إلا في الأماكن ذات التعرض المحدود للعوامل التي تعزز التآكل السريع.
• التطبيقات: المكونات الهيدروليكية، والقوالب، والمكونات الهندسية الدقيقة حيث تكون الصلابة مهمة.

2. طلاء النيكل عديم النيكل الكهربائي Med-Phos (6-9 في المائة فوسفور)

• الخصائص: خصائص معتدلة، وصلابة جيدة، وحماية جيدة من التآكل والتآكل.
• مقاومة التآكل: هذا المعدن قابل للتطبيق في البيئات منخفضة ومتوسطة البيئة.
• التطبيقات: قطع غيار السيارات، وأجهزة الطائرات وتطبيقاتها، والمكونات الهندسية العامة.

3. الطلاء بالنيكل عديم الفوسفور العالي الفوسفور (10 13 في المائة فوسفور)

• الميزات: قوي غير قابل للتآكل في البيئات الحمضية أو البحرية على وجه الخصوص، ويتميز بطبقة نهائية أكثر سلاسة ومطاطية وأكثر ليونة.
• الصلابة: ليست صلبة مثل الطلاءات منخفضة الفوسفور، على الرغم من أن المعالجة الحرارية يمكن أن تزيد من الصلابة.
• الإكسسوار: المعدات البحرية والنفط/الغاز وأجهزة المعالجة الكيميائية.

استخدامات الطلاء بالنيكل عديم النيكل الكهربائي

يحظى الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء بشعبية في جميع الصناعات لأنه يعطي طلاءً سميكًا وموحدًا ومقاومة للتآكل والحماية من التآكل. إنه متعدد الاستخدامات ويمكن أن يخدم في العديد من الاحتياجات الهندسية والطلاء.

1. صناعة الطيران والفضاء

• التطبيق: لطلاء ريش التوربينات، وأجزاء معدات الهبوط، وأجزاء نظام الوقود.
• الميزة: ويمكنه التعامل مع مستويات عالية من التغيرات في درجات الحرارة، وتقليل التآكل والتآكل بسبب الرطوبة ووقود الطائرات.

2. صناعة السيارات

• التطبيق: أجزاء المحرك، وحاقنات الوقود، وأجزاء من نظام المكابح.
• الميزة: يعمل على تحسين مقاومة التآكل والتشغيل السلس وإطالة عمر المكونات.

3. صناعة الإلكترونيات

• التطبيق:  لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والموصلات ومحركات الأقراص الصلبة.
• الميزة: توفر التوصيل الكهربائي وقابلية اللحام والأكسدة.

4. قطاع النفط والغاز

• التطبيقات: الصمامات، والمضخات، ومعدات الحفر، ومعدات قاع البئر.
• الميزة: يحمي من التآكل والهجوم الكيميائي وتآكل المياه المالحة.

5. صناعة القوالب والأدوات

• التطبيق: اللوحات، وقوالب الحقن، وقوالب البثق والأدوات الدقيقة.
• الميزة: يحسّن التحرير ويقلل من الالتصاق ويطيل عمر الأداة.

6. التطبيقات البحرية

• التطبيق: المروحة، والأعمدة، والمثبتات البحرية.
• الميزة: مستوى عالٍ من التآكل في مياه البحر ومقاومة التآكل الحيوي.

عملية الطلاء بالنيكل غير الكهربائي خطوة بخطوة

1. تنظيف الأسطح - تنظيف الأسطح - يُترك الجزء نظيفًا تمامًا للتخلص من الزيوت والأوساخ والشحوم والأكسدة. قد يأخذ ذلك شكل إزالة الشحوم بالمذيبات أو الحمامات القلوية أو التنظيف بالموجات فوق الصوتية أو التخليل الحمضي الطفيف. أفضل طريقة لتحقيق التصاق جيد للطلاء هي تنظيف السطح.
2. تنشيط السطح - بعد التنظيف، يتم غمر الجزء في وسط حمضي أو محفّز له تأثير نقش طفيف، بالإضافة إلى إزالة طبقة الأكسيد غير المتفاعلة المتبقية. مع غير المعادن، يمكن طلاء طبقة رقيقة من المحفز عليها للسماح بتفاعل الطلاء.
3. حمام الطلاء الكهربائي - وهذا هو المكان الذي يتم فيه غمر المادة في حمام منظم لدرجة الحرارة (8595 درجة مئوية) يتضمن أملاح النيكل، وهيبوفوسفيت الصوديوم (عامل اختزال)، ومثبتات، وعوامل تعقيد. تحافظ الحركة المستمرة على التركيز الكيميائي كما هو.
4. تفاعل الترسيب - يتسبب عامل الاختزال في حدوث تفاعل معدني يضع سبيكة النيكل بشكل موحد على السطح، ويغطي أشكالاً معقدة للغاية وحواجز داخلية دون استخدام الكهرباء.
5. الشطف والتجفيف - الشطف والتجفيف - يشير الشطف إلى مسح المكوّن المطلي في الماء النظيف أو منزوع الأيونات لإزالة أي مواد كيميائية غير ممتصة، ويتم تجفيف المكوّن باستخدام الهواء الدافئ أو السخانات حتى لا يحدث أي شكل من أشكال تلطيخ أو صدأ المكوّن.
6. المعالجة الحرارية (اختياري) - في الحالات التي يتطلب فيها التطبيق مقاومة عالية للتآكل، تتم معالجة الجزء المطلي بالحرارة عند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية. وهذا يجعل الصلابة تقريبًا مثل صلابة الكروم الصلب ويحسن الحماية من التآكل.

مقارنات مع طلاء النيكل والكروم

إن الطلاء بالنيكل والكروم هو في الواقع طلاء كهربائي متدرج، أي ترسيب طبقة من النيكل أولاً ثم الكروم في الأعلى. وهذا يشكل طبقة نهائية رائعة تشبه المرآة وجيدة جداً في مقاومة التآكل.

وعلى النقيض من ذلك، فإن الطلاء بالنيكل غير الكهربائي يضع طبقة موحدة من النيكل والفوسفور بواسطة عملية غير كهربائية. ويتيح ذلك تمعدن الهياكل المعقدة والمناطق الغائرة والتفاوت الدقيق الذي قد لا يمكن تغطيته بشكل موحد عند استخدام الطلاء بالنيكل والكروم.

على الرغم من أن الطلاء بالنيكل والكروم يوفر جماليات أفضل، إلا أن الطلاء بالنيكل غير الكهربائي يتميز بتجانس أفضل في السماكة ومقاومة فائقة للتآكل وتوافق أوسع للركيزة. ويستخدم طلاء النيكل غير المكهرب على نطاق واسع في العديد من الصناعات على تلك القطع التي تعتبر حاسمة في الأداء، ولكن طلاء النيكل والكروم يستخدم في العناصر التزيينية.

الطلاء بالنيكل عديم الإلكتروليت مقابل الطلاء بالنيكل الإلكتروليتي

على الرغم من أن كلتا العمليتين مصنفتان لطلاء السطح باستخدام النيكل، إلا أن مبادئ عملهما تظهر اختلافًا كبيرًا:

جدول المقارنات الأنودة الصلبة

وكما ذُكر عن أجزاء الألومنيوم، على وجه الخصوص، كثيرًا ما يُنظر إلى الطلاء بالنيكل على أنه بديل للألومنيوم المصبوب بأكسيد الألومنيوم الصلب المؤكسد. ومع ذلك، فإن عملية الطلاء بأكسيد الألومنيوم تشكل طبقة أكسيد بدلاً من الترسبات.

مقارنة مع طلاء النيكل والكروم

إن عملية الطلاء بالنيكل والكروم عبارة عن معالجة بالطلاء الكهربائي من خطوتين، حيث تكون الطبقة الأولى من النيكل لمنع التآكل، وطبقة حماية ثانوية عبارة عن طبقة رقيقة من الكروم.

التأثيرات على جودة الطلاء

هناك عدد من العوامل التي سيكون لها تأثير فوري على جودة أداء ومظهر ومتانة طلاء النيكل غير المكهرب. سيؤدي تنظيم هذه العوامل إلى نتائج ثابتة وعدد أقل من العيوب.

• كيمياء الاستحمام - يجب أن تكون كمية أملاح النيكل وهيبوفوسفات الصوديوم والمثبتات والعوامل المعقدة ضمن هذه النسبة بدقة. يمكن أن يكون التلطيخ والالتصاق غير المتكافئ أو السماكة أو المقاومة الضئيلة للتآكل كلها بسبب الاختلالات.
• التحكم في درجة الحرارة -  عادةً ما يتم الحفاظ على حمامات الطلاء غير الكهربائي عند درجة حرارة 85-95 درجة مئوية. عند استخدام درجة حرارة أقل، يتباطأ الترسيب، وقد يتسبب ارتفاع درجة الحرارة في حدوث تفاعلات خارجة عن السيطرة وقد يقصر عمر الحمام.
• مستوى PH - يجب أن يكون مستوى الأس الهيدروجيني حمضي قليلاً عند درجة حموضة تتراوح بين 4.55 و5.5. قد تؤدي العيوب إلى تغيير الصلابة والفوسفور والطبقة النهائية للطلاء.
• التحريك والدورة الدموية - سيوفر الخلط توزيعًا كيميائيًا كاملًا وسيحمي من المناطق الموجودة على سطح الجزء التي تصبح مستنفدة من أيونات النيكل نتيجة للخلط غير الكافي.
• تحضير السطح - إعداد السطح - سيؤدي ترك تنظيف أو تنشيط غير مكتمل إلى حدوث تقشير أو تقرحات أو التصاق منخفض. وهو مهم بشكل خاص في طلاء الألومنيوم أو البلاستيك.
• عمر الحمام والتلوث - مع مرور الوقت، توجد منتجات ثانوية في الحمام مما يقلل من الكفاءة. يساعد الترشيح المتكرر والاستبدال الجزئي للحمام على تجنب الترسبات الصلبة والبقع.
• وقت الطلاء - من المحتمل أن يؤدي وقت الطلاء الطويل إلى إنتاج طبقات سميكة للغاية تتكسر عند تطبيق الإجهاد، في حين أن الوقت القصير للغاية سيؤدي إلى طلاء رقيق ودقيق.

مواد الطلاء بالنيكل عديم النيكل الكهربائي

مصدر النيكل

يوجد ملح النيكل، إما كبريتات النيكل أو كلوريد النيكل، في حمام الطلاء. وهذا يعطي أيونات النيكل، التي ستكوّن الطلاء في التفاعل.

عامل التخفيض

عامل الاختزال الأكثر شيوعًا هو الهايبوفوسفيت. كما أنه يختزل أيونات النيكل إلى نيكل معدني كيميائياً، ولكنه لا يحتاج إلى كهرباء.

المثبتات

يُضاف القليل جدًا من الأملاح المعدنية أو المثبتات العضوية لضمان عدم تحلل الحمام أو تحللها بسرعة كبيرة.

الوكلاء المعقدون

تشمل بعض الأحماض العضوية حمض اللاكتيك أو حمض الستريك المستخدم للحفاظ على أيونات النيكل في حالتها الذائبة والحفاظ على التوازن الكيميائي المناسب للحمام.

أجهزة ضبط الأس الهيدروجيني

يتم استخدام مواد مثل الأحماض الخفيفة أو هيدروكسيد الأمونيوم لتنظيم حمام الأس الهيدروجيني من أجل الحصول على جودة طلاء متسقة.

مواد كيميائية لتحضير السطح

تعمل المنظفات القلوية على إذابة الزيوت والشحوم، وتعمل المنظفات الحمضية على تخفيف الأكاسيد وحفر المعدن لترتبط بالمعدن بشكل جيد.

الماء منزوع الأيونات

كان يُستخدم للغسيل بين العمليات حتى يمكن تجنب تلوث المعادن من مصادر المياه العادية.

الاعتبارات البيئية

على الرغم من أن الطلاء بالنيكل عديم التكافؤ بالنيكل، مقارنةً بالعمليات التي تستخدم مواد خطرة مثل الكروم سداسي التكافؤ، أكثر أمانًا، إلا أنه لا يزال ينبغي إجراؤه مع التحكم البيئي الصارم. هناك أملاح النيكل وهيبوفوسفيت الصوديوم ومركبات أخرى في حمام الطلاء، والتي يجب التعامل معها بحذر لمنع تلوث التربة والمياه.

ستكون العوامل البيئية الرئيسية هي:

1. معالجة مياه الصرف الصحي - توجد مركبات النيكل والفوسفور في الماء وتستخدم في حمامات الطلاء. وينبغي التعامل مع هذه المركبات عن طريق الترسيب الكيميائي أو التبادل الأيوني أو الترشيح الغشائي ثم التخلص منها.
2. مناولة المواد الكيميائية وتخزينها -يجب تخزين المواد الكيميائية في حاوية خالية من التآكل، ويجب أن تكون هناك ترتيبات للتحكم في الانسكاب.
3. جودة الهواء - على الرغم من أن الطلاء غير الكهربائي لا ينبعث منه كميات كبيرة من ملوثات الهواء في العملية مقارنة بالطلاء الكهربائي، إلا أنه يجب توفير بيئة جيدة التهوية لتجنب الأبخرة الكيميائية.
4. الالتزام التنظيمي - الامتثال التنظيمي - كما تتبع المرافق أيضًا اللوائح البيئية مثل RoHS (تقييد المواد الخطرة) وسياسات إدارة النفايات المطلوبة في منطقتها المحلية، في الوقت المناسب للقضاء على أي نوع من توليد النفايات أو التقليل من توليدها.
5. الخيارات الخضراء - الخيارات الخضراء - تهدف الأبحاث الحالية إلى إنتاج حمامات تحتوي على مثبتات قابلة للتحلل الحيوي، وعوامل أقل سمية وأقل كلوريدًا وأقل سمية ومحتوى منخفض من المواد الثقيلة يساعد تطبيق هذه التدابير الصناعات على الحصول على تشطيبات عالية الجودة ويكون تأثيرها على البيئة أقل. هذه الحقيقة هي أحد الأسباب التي تجعل الطلاء بدون كهرباء خيارًا أفضل مقارنةً بالمواد الأخرى، مثل الطلاء بالنيكل والكروم.

اتجاهات التطور المستقبلي في الطلاء بالنيكل عديم الكثافة الكهربائية

كما سيتغير مجال الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء لأن الصناعات ستتطلب أداءً أفضل ومستوى أعلى من الاستدامة وعملية أكثر فعالية. وتحدد بعض الاتجاهات الرئيسية المستقبل:

1. الطلاءات ذات البنية النانوية - ينطوي العمل الجاري على تصميم طلاء من النيكل والفوسفور كطلاء يحتوي على حبيبات بحجم النانو. هذه الطلاءات أكثر صلابة وأكثر مقاومة للتآكل وتوفر حماية أفضل من التآكل بشكل فعال مقارنة بمواد الطلاء التقليدية.
2. الطلاءات المركبة - يمكن أن تؤدي إضافة مادة PTFE أو كربيد السيليكون أو نيتريد البورون إلى قاعدة النيكل، من بين مواد أخرى، إلى إحداث تأثير خاص مثل تطوير مواد تشحيم ذاتية أو أسطح غير لاصقة أو مقاومة شديدة للتآكل.
3. تركيبات الاستحمام الصديقة للبيئة - صياغة أحواض الطلاء باستخدام مثبتات قابلة للتحلل الحيوي، وعوامل اختزال أقل سمية، ومستوى منخفض من المعادن الثقيلة لتلبية المعايير البيئية الصارمة للغاية.
4. الأتمتة والروبوتات - يتم استخدام المناولة الروبوتية في خطوط الطلاء الآلية، مما يسمح بتكرار جودة الطلاء والتخلص من الأخطاء البشرية وزيادة إنتاجية الماكينة.
5. تقنيات الطلاء الانتقائية - ويجري حاليًا تطوير تقنيات من شأنها أن تتيح الطلاء الانتقائي لأسطح المكوّنات التي تتطلب طلاءً فقط، مما يحد من هدر المواد والمعالجة اللاحقة.
6. المعالجات السطحية الهجينة - استخدام تقنيات أخرى بالاقتران مع النيكل عديم الكهرباء (الطلاء بالنيكل) لتوفير أسطح متعددة الوظائف مع ميزات لتلبية احتياجات محددة للغاية في الصناعات عالية التقنية، مثل "طلاء الألومنيوم المصبوب بأكسيد الألومنيوم الصلب" أو "الطلاء بالنيكل والكروم".

سيستمر الطلاء بالنيكل عديم الإلكتروليترول في كونه تقنية مفيدة لتشطيب الأسطح مع تطور الابتكارات إلى مجموعة أوسع من التطبيقات مع المزيد من الاستخدامات في صناعات الطيران والسيارات والإلكترونيات والطاقة المتجددة والمعدات الطبية.

الخاتمة

الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء هو تقنية الطلاء المتطورة التي توفر تجانساً لا مثيل له وحماية من التآكل والتآكل. وعلى النقيض من الطلاء التقليدي بالنيكل، فإنه لا يعتمد على التيار الكهربائي، وهذا يسمح بتغطية متساوية للأشكال المعقدة والأسطح الداخلية.

ومقارنةً بالألومنيوم المصبوب بأكسيد الألومنيوم الصلب، فإن قدرة الطلاء بالنيكل غير المؤكسد بالكهرباء على الأقل على وضع الطلاء على مجموعة واسعة من المعادن الأخرى إلى جانب الألومنيوم هي ميزة مميزة لهذه العملية. وفي الوقت نفسه، على الرغم من أن منتج من طلاء النيكل والكروم لها لمسة نهائية رائعة، ولكن لا يمكن أن تكون في جميع الحالات متجانسة ومتعددة الاستخدامات مثل الطلاء غير الكهربائي.

ومع تحول صناعة الإنشاءات إلى الطلاء عالي الأداء، ستكون هذه التقنية لاعبًا مهمًا في قطاعات صناعة الطيران والسيارات والإلكترونيات والقوالب. لا يزال الطلاء بالنيكل غير الكهربائي يعد بأن يكون أحد الخيارات الأكثر شعبية بسبب الابتكارات المستمرة التي تسعى إلى تحسين الأداء والامتثال البيئي في العقود العديدة القادمة أو نحو ذلك.

الأسئلة الشائعة

1. ماذا يعني الطلاء بالنيكل عديم النيكل الكهربائي؟

يشير مصطلح الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء إلى عملية كيميائية تقوم بترسيب طبقة موحدة من سبيكة من النيكل والفوسفور أو النيكل البورون النيكل على سطح ما بدون كهرباء. وهي تزيد من مقاومة التآكل ومقاومة التآكل وصلابة الأسطح.

2. ما هي الفروق بين الطلاء بالنيكل عديم الكهرباء والطلاء بالنيكل والكروم؟

وعلى النقيض من طلاء النيكل والكروم، الذي يقوم بترسيب النيكل والكروم عن طريق استخدام الكهرباء، فإن النيكل غير الكهربائي هو طلاء ذاتي التحفيز، ويوفر طلاءً سلسًا حتى على الأشكال غير المنتظمة وداخل الفراغات.

3. هل يصلح الألومنيوم للطلاء بالنيكل عديم الكهرباء؟

يجوز ذلك. يمكن أيضًا طلاء الألومنيوم وحتى الركائز غير المعدنية عند تزويدها بالتنظيف/التنشيط المناسب للسطح. وغالبًا ما يتم دمجها مع مزيج من الألومنيوم المصبوب بأكسيد الألومنيوم الصلب، بحيث تكون الأجسام قوية.

4. ما هي ميزة المعالجة الحرارية في حالة الطلاء؟

يتم إخضاع طبقة النيكل للمعالجة الحرارية لجعلها صلبة ومقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل والحماية من التآكل. واعتمادًا على محتوى الفوسفور يمكن جعله صلبًا مثل الكروم الصلب الصناعي.