Elektroløs nikkelbelægning: En komplet teknisk vejledning

Elektroløs nikkelbelægning kan betragtes som en af de mest nøjagtige, alsidige og pålidelige processer inden for overfladeteknik og metalfinish, som gør det muligt at forbedre overfladeegenskaberne for mange materialer. I modsætning til almindelig galvanisering er der ikke brug for elektrisk strøm udefra. Den afhænger i stedet af en kontrolleret kemisk reaktion, der afsætter en ensartet film af nikkel-fosfor eller nikkel-bor ved at legere dem jævnt på en overflade. Denne proces giver den bedste korrosionsbestandighed, slidstyrke og ensartede tykkelse, selv på komplicerede former.

Elektroløs belægning er ofte blevet valgt af producenter, ingeniører og designere i stedet for andre belægningsprocedurer på grund af dens ydeevne og kosmetiske fordele. Uanset om det drejer sig om rumfart, bildele, forme eller industrimaskiner, giver processen gentagelige resultater, der kan forlænge en komponents levetid og skære ned på udgifterne til vedligeholdelse.

I denne vejledning skal vi dykke ned i detaljerne i den elektroløse nikkelbelægning, dens positive egenskaber, anvendelser, de involverede trin, og hvordan den sammenlignes med andre processer såsom nikkelbelægning, den hårde anodisering af trykstøbt aluminiumog nikkelforkromning, der anvendes i moderne produktion.

Hvad er elektroløs nikkelbelægning?

Kemiløs nikkelbelægning henviser til aflejring af en nikkellegering på en metallisk eller ikke-metallisk overflade, da der finder en autokatalytisk reaktion sted. Det kemiske bad indeholder nikkelsalte og et reduktionsmiddel, normalt natriumhypofosfit, som omdanner nikkelionerne til metal, og de er i stand til at klæbe til underlaget.

I modsætning til den galvaniske aflejringsproces kaldet nikkelbelægning, hvor nikkel skal aflejres ved hjælp af elektrisk strøm, kræver processen med kemisk nikkel ikke nogen ekstern strømforsyning. Dette resulterer i ensartethed i belægningens tykkelse i selv forsænkede sektioner, gevind eller indre hulrum. Resultatet er en ikke-porøs, hård finish og korrosionsbestandighed, der kan anvendes under udfordrende industrielle forhold.

Store fordele ved nikkelbelægning uden elektrolyse

1. Jævn belægningstykkelse

Aflejringen er den samme uanset emnets form eller kompleksitet.

2. Bedre korrosionsegenskaber

Laget af nikkel-fosfor-legering giver overlegen beskyttelse mod oxidering og angreb fra kemikalier.

3. Bedre hårdhed og slid

Ved varmebehandling kan kemisk nikkel opnå en hårdhed, der minder meget om hårdkrom.

4. Dimensionel præcision

Ensartetheden i tykkelsen er lille og kan derfor bruges til præcisionsteknik.

5. Evne til at være kompatibel med andre materialer

Det kan bruges på stål, kobber, aluminium, messing og skal bruges på nogle plasttyper med kun en mindre overfladeforberedelse. 

Typer af kemisk nikkelbelægning

Kemiløs nikkelbelægning klassificeres almindeligvis efter mængden af fosfor i legeringen af nikkel og fosfor. Hver type har forskellige krav til hårdhed, korrosionsbestandighed og slitage og er derfor velegnet til individuelle anvendelser.

1. Elektroløs nikkelbelægning med lavt fosforindhold (2 til 5 procent fosfor)

• Egenskaber: Den sværeste af alle typer, slidstærk og med høj lavfriktionskoefficient.
• Modstandsdygtighed over for korrosion: Medium, dette materiale kan kun bruges på steder med begrænset eksponering for faktorer, der fremmer hurtig korrosion.
• Applikationer: Hydrauliske komponenter, støbeforme, finmekaniske komponenter, hvor hårdheden er vigtig.

2. Med-Phos Electroless Nickel Plating (6-9 procent fosfor)

• Egenskaber: Moderate egenskaber, god hårdhed, slid og korrosionsbeskyttelse.
• Modstandsdygtighed over for korrosion: Dette metal kan anvendes i miljøer med lavt og moderat miljø.
• Applikationer: Autodele, hardware og applikationer til fly og generelle tekniske komponenter.

3. Elektroløs nikkelbelægning med højt fosforindhold (10-13 procent fosfor)

• Funktioner: Stærk korrosionsbeskyttelse i særligt sure eller marine miljøer, og har en glattere, mere latexagtig finish og er mere duktil.
• Hårdhed: Heller ikke så hård som lavfosforbelægninger, selvom varmebehandling kan øge hårdheden.
• Tilbehør: Hardware til marine, olie/gas og kemisk forarbejdning.

Anvendelser af kemisk nikkelbelægning

Elektroløs nikkelbelægning er populær i hele industrien, fordi den giver en tyk, ensartet belægning, korrosionsbestandighed og slidbeskyttelse. Det er meget alsidigt og kan bruges til mange tekniske formål og til maling.

1. Luft- og rumfartsindustrien

• Anvendelse: Til overfladebehandling af turbineblade, dele af landingsstel og dele af brændstofsystemet.
• Det er en fordel: Det kan klare store temperaturændringer, minimere slid og korrosion på grund af fugt og flybrændstof.

2. Bilindustrien

• Anvendelse: Motordele, brændstofinjektorer og dele af bremsesystemet.
• Det er en fordel: Det forbedrer slidstyrken, giver jævn drift og forlænger komponenternes levetid.

3. Elektronikindustrien

• Anvendelse:  Printed circuit board (PCB), stik og harddiske.
• Det er en fordel: Giver elektrisk ledningsevne, loddeevne og oxidation.

4. Olie- og gassektoren

• Applikationer: Ventiler, pumper, boreudstyr og udstyr til borehuller.
• Det er en fordel: Det beskytter mod slid, kemiske angreb og saltvandskorrosion.

5. Form- og værktøjsindustrien

• Anvendelse: Plader, sprøjtestøbeforme, ekstruderingsforme, præcisionsværktøj.
• Det er en fordel: Forbedrer frigørelsen, reducerer klæbning og forlænger værktøjets levetid.

6. Marine applikationer

• Anvendelse: Propeller, aksler, marinebefæstelser.
• Det er en fordel: Høj grad af modstandsdygtighed over for korrosion i havvand og begroning.

Elektroløs nikkelbelægningsproces trin for trin

1. Rengøring af overflader Delen rengøres grundigt for at slippe af med olie, snavs, fedt og oxidering. Det kan ske i form af affedtning med opløsningsmidler, alkaliske bade, ultralydsrensning eller let syrebejdsning. Den bedste måde at opnå god vedhæftning af belægningen på er at rengøre overfladen.
2. Aktivering af overfladen Efter rengøringen nedsænkes delen i et surt eller katalytisk medium, der har en let ætsende effekt og fjerner den ureagerede oxidfilm, der er tilbage. På ikke-metaller kan man lægge en tynd film af katalysator for at muliggøre pletteringsreaktionen.
3. Bad til galvanisering Her nedsænkes materialet i et temperaturreguleret bad (8595C °C) med nikkelsalte, natriumhypofosfit (reduktionsmiddel), stabilisatorer og kompleksdannere. Vedvarende bevægelse holder den kemiske koncentration den samme.
4. Aflejringsreaktion Reduktionsmidlet forårsager en metallisk reaktion, der lægger en nikkellegering ensartet ned på overfladen og belægger ekstremt komplicerede former og indre indeslutninger uden brug af elektricitet.
5. Skylning og tørring Skylning betyder, at den belagte komponent tørres af i rent eller deioniseret vand for at fjerne eventuelle ikke-absorberede kemikalier, og tørring af komponenten sker med varm luft eller varmeapparater, så der ikke opstår nogen form for pletter eller rust på komponenten.
6. Varmebehandling (valgfrit) I tilfælde, hvor anvendelsen kræver høj slidstyrke, varmebehandles den belagte del ved 300-400 o C. Dette gør hårdheden næsten den samme som hårdkrom og forbedrer korrosionsbeskyttelsen.

Sammenligninger med nikkelforkromning

Nikkelforkromning er faktisk en trinvis galvanisering, dvs. at man først lægger et nikkellag og derefter krom ovenpå. Det giver en flot spejllignende finish og en meget god korrosionsbestandighed.

Elektroløs nikkelbelægning lægger derimod et ensartet nikkel-fosfor-lag ved en ikke-elektrisk proces. Dette muliggør metallisering af indviklede strukturer, forsænkede områder og fine tolerancer, som måske ikke dækkes ensartet ved brug af nikkelforkromning.

Selv om nikkelforkromning giver bedre æstetik, har kemisk nikkelbelægning bedre ensartethed i tykkelsen, overlegen slidstyrke og større kompatibilitet med underlaget. Kemisk nikkelbelægning er meget udbredt i så mange industrier på de dele, der er kritiske for ydeevnen, men nikkelforkromning bruges på dekorative genstande.

Elektroløs nikkelbelægning vs. elektrolytisk nikkelbelægning

Selvom begge disse processer er kategoriseret til at belægge en overflade med nikkel, er der stor forskel på deres arbejdsprincipper:

Tabel over sammenligninger Hård anodisering

Som det er blevet sagt om især aluminiumsdele, betragtes nikkelbelægning ofte som en erstatning for den hårde anodisering af trykstøbt aluminium. Ikke desto mindre danner anodisering et oxidlag i stedet for en aflejring.

Sammenligning med nikkelforkromning

Processen med nikkelforkromning er en galvanisk behandling i to trin, hvor det første lag er nikkel for at forhindre korrosion, og en sekundær beskyttende finish er et tyndt lag krom.

Indflydelse på pletteringskvalitet

Der er en række faktorer, som har en umiddelbar indvirkning på kvaliteten af en kemisk nikkelbelægnings ydeevne, udseende og holdbarhed. Regulering af sådanne parametre vil føre til stabile resultater og et lavere antal defekter.

• Kemi i badet Mængden af nikkelsalte, natriumhypofosfat, stabilisatorer, RS- og kompleksdannere skal være nøje inden for dette forhold. Udtværing og ujævn vedhæftning, tykkelse eller minimal modstandsdygtighed over for korrosion kan alt sammen skyldes ubalancer.
• Temperaturregulering -  Elektroløse pletteringsbade holdes normalt på 85-95 o C. Når der anvendes en lavere temperatur, nedsættes aflejringen, og overophedning kan forårsage reaktioner, der er ude af kontrol, og kan forkorte badets levetid.
• PH-niveau PH-niveauet skal være let surt med en pH-værdi på 4,55 til 5,5. Fejl kan ændre belægningens hårdhed og fosfor samt finish.
• Bevægelse og cirkulation Blanding giver en fuldstændig kemisk fordeling og beskytter mod områder på emnets overflade, der bliver udtømt for nikkelioner som følge af utilstrækkelig blanding.
• Forberedelse af overfladen En ufuldstændig rengøring eller aktivering vil medføre afskalning, blæredannelse eller lav vedhæftning. Det er især vigtigt ved plettering af aluminium eller plast.
• Badets alder og forurening Med tiden opstår der biprodukter i badet, som nedsætter effektiviteten. Hyppig filtrering og delvis udskiftning af badet hjælper med at undgå hårde og plettede aflejringer.
• Pletteringstid Længere pletteringstid vil sandsynligvis give alt for tykke lag, der går i stykker ved belastning, mens for kort tid vil give tynde og sarte belægninger.

Materialer til kemisk nikkelbelægning

Nikkelkilde

Et nikkelsalt, enten nikkelsulfat eller nikkelklorid, er til stede i pletteringsbadet. Disse giver de nikkelioner, som vil udgøre belægningen i reaktionen.

Reduktionsmiddel

Det mest populære reduktionsmiddel er hypofosfit. Det reducerer også nikkelioner til metallisk nikkel på kemisk vis, men kræver ikke elektricitet.

Stabilisatorer

Der er tilsat meget lidt af metalliske salte eller organiske stabilisatorer for at sikre, at badet ikke nedbrydes eller går for hurtigt.

Kompleksdannende midler

Nogle af de organiske syrer omfatter mælkesyre eller citronsyre, der bruges til at holde nikkelionerne i deres opløste tilstand og opretholde en korrekt kemisk balance i badet.

pH-justeringer

Stoffer som milde syrer eller ammoniumhydroxid bruges til at regulere pH-badet for at opnå en ensartet belægningskvalitet.

Kemikalier til overfladebehandling

Alkaliske rengøringsmidler opløser olie og fedt, og syreaktivatorer fortynder oxider og ætser metallet, så det binder godt til metallet.

Deioniseret vand

Det blev brugt til at vaske mellem operationerne, så mineralforurening fra normale vandkilder kunne undgås.

Miljømæssige overvejelser

Selvom kemisk nikkelbelægning er mere sikker end processer, der bruger farlige stoffer som hexavalent krom, skal den stadig udføres med streng miljøkontrol. Der er nikkelsalte, natriumhypofosfit og andre forbindelser i pletteringsbadet, som skal håndteres med forsigtighed for at forhindre forurening af jord og vand.

De vigtigste miljøfaktorer vil være:

1. Rensning af spildevand Nikkel- og fosforforbindelser findes i vand og bruges i pletteringsbade. Disse skal håndteres ved kemisk udfældning, ionbytning eller membranfiltrering og derefter bortskaffes.
2. Håndtering og opbevaring af kemikalierKemikalierne skal opbevares i en korrosionsfri beholder, og der skal være foranstaltninger til at begrænse spild.
3. Luftkvalitet Selv om kemisk plettering ikke udleder store mængder luftforurenende stoffer i processen sammenlignet med galvanisering, bør man sørge for et godt ventileret miljø for at undgå kemiske dampe.
4. Overholdelse af lovgivningen Anlæggene følger også miljøbestemmelser som RoHS (Restriction of Hazardous Substances) og affaldshåndteringspolitikker, der kræves i deres lokalområde, i tide til at eliminere eller minimere enhver form for affaldsproduktion.
5. Grønne muligheder Den nuværende forskning sigter mod at producere bade, der har biologisk nedbrydelige stabilisatorer, kloridreducerende mindre giftige stoffer og et lavt indhold af tunge stoffer. Anvendelsen af disse foranstaltninger hjælper industrien med at få finish af høj kvalitet og have en mindre indvirkning på miljøet. Det er en af grundene til, at kemisk plettering er en bedre løsning end andre stoffer, som f.eks. nikkelforkromning.

Fremtidige udviklingstendenser inden for kemisk nikkelbelægning

Området for kemisk nikkelbelægning vil også ændre sig, fordi industrien vil kræve en mere forbedret ydeevne, et højere niveau af bæredygtighed og en mere effektiv proces. Nogle store tendenser bestemmer fremtiden:

1. Nanostrukturerede belægninger Det igangværende arbejde omfatter design af en nikkel-fosfor-belægning, der indeholder kornstørrelse, som er i nanostørrelse. Disse belægninger er hårdere, mere slidstærke og giver effektivt bedre korrosionsbeskyttelse sammenlignet med traditionelle belægningsmaterialer.
2. Kompositbelægninger Tilføjelse af PTFE, siliciumcarbid eller bornitrid til nikkelbasen, blandt andre materialer, kan skabe en særlig effekt som f.eks. udvikling af selvsmørende overflader, non-stick overflader eller alvorlig slidstyrke.
3. Miljøvenlige badeværelsesformuleringer Formulering af pletteringsbade med bionedbrydelige stabilisatorer, mindre giftige reduktionsmidler og et reduceret tungmetalniveau for at opfylde meget strenge miljøstandarder.
4. Automatisering og robotteknologi Der anvendes robothåndtering i de automatiserede pletteringslinjer, hvilket giver mulighed for gentagen belægningskvalitet, eliminering af menneskelige fejl og større produktivitet i maskinen.
5. Selektive pletteringsteknologier Der er teknologier under udvikling, som gør det muligt kun at belægge de overflader på en komponent, som kræver belægning, hvilket eliminerer materialespild og efterbehandling.
6. Hybride overfladebehandlinger Brug af andre teknikker i kombination med kemisk nikkel (plettering) for at skabe multifunktionelle overflader med egenskaber, der opfylder meget specifikke behov i højteknologiske industrier, f.eks. "hård anodisering af trykstøbt aluminium" eller "nikkelforkromning".

Elektroløs nikkelbelægning vil fortsat være en nyttig overfladebehandlingsteknologi, efterhånden som innovationer udvikler sig til en bredere vifte af anvendelser med flere anvendelser i luftfarts-, bil-, elektronik-, vedvarende energi- og medicinsk udstyrsindustrien.

Konklusion

Elektroløs nikkelbelægning er en avanceret belægningsteknik, der giver uovertruffen ensartethed, korrosions- og slidbeskyttelse. I modsætning til konventionel nikkelbelægning er den ikke baseret på elektrisk strøm, og det giver mulighed for jævn dækning af komplekse former og indvendige overflader.

Sammenlignet med hård anodisering af støbt aluminium er i det mindste evnen til kemisk nikkelbelægning til at lægge belægning på en lang række andre metaller ud over aluminium et særpræg ved denne proces. I mellemtiden, selvom produkt af nikkelforkromning har en strålende finish, men ikke i alle tilfælde kan den være lige så ensartet og alsidig som kemisk plettering.

Når byggebranchen vender sig mod højtydende belægninger, vil denne teknologi være en vigtig aktør i luftfarts-, bil-, elektronik- og støbeformsfremstillingssektorerne. Elektroløs nikkelbelægning ser stadig ud til at være et af de mest populære valg på grund af løbende innovationer, der søger at forbedre ydeevnen og miljøoverholdelsen i de næste mange årtier eller deromkring.

Ofte stillede spørgsmål

1. Hvad betyder kemisk nikkelbelægning?

Udtrykket kemisk nikkelbelægning henviser til en kemisk proces, hvor et ensartet lag af en legering af nikkel-fosfor eller nikkel-bor afsættes på en overflade uden brug af elektricitet. Det øger overfladernes korrosionsbestandighed, slidstyrke og hårdhed.

2. Hvad er forskellen mellem kemisk nikkelbelægning og nikkelforkromning?

I modsætning til nikkelforkromning, som aflejrer nikkel og krom ved hjælp af elektricitet, er kemisk nikkel autokatalytisk, og det giver en glat belægning, selv på uregelmæssige former og i hulrum.

3. Er aluminium velegnet til kemisk nikkelbelægning?

Det er muligt. Aluminium og endda ikke-metalliske substrater kan også belægges, når de er forsynet med korrekt overfladerensning/aktivering. Oftest kombineres det med en kombination af hård anodisering og trykstøbt aluminium, så genstandene bliver stærke.

4. Hvad er fordelen ved varmebehandling i forbindelse med plettering?

Nikkellaget udsættes for varmebehandling for at gøre det hårdt, slidstærkt og korrosionsbeskyttende. Afhængigt af fosforindholdet kan det gøres lige så hårdt som industrielt hårdkrom.