Sähkötön nikkelipinnoitus: Nickel Nickel Nicking: Täydellinen tekninen opas

Sähkösuojattua nikkelöintiä voidaan pitää yhtenä tarkimmista, monipuolisimmista ja luotettavimmista pintatekniikan ja metallien viimeistelyn prosesseista, jonka avulla voidaan parantaa lukuisten materiaalien pintaominaisuuksia. Toisin kuin tavallisessa galvanoinnissa, tässä ei tarvita ulkopuolista sähkövirtaa. Sen sijaan se perustuu hallittuun kemialliseen reaktioon, jossa nikkeli-fosfori- tai nikkeli-boorikalvo kerrostuu tasaisesti pinnalle seostamalla nikkeliä ja fosforia tai nikkeliä ja booria. Tämä prosessi takaa parhaan korroosionkestävyyden, kulumiskertoimen ja tasaisen paksuuden myös monimutkaisissa muodoissa.

Valmistajat, insinöörit ja suunnittelijat ovat usein valinneet sähköttömän pinnoituksen muiden pinnoitusmenetelmien sijasta sen suorituskyvyn ja kosmeettisten etujen vuoksi. Riippumatta siitä, onko kyseessä ilmailu- ja avaruusteollisuus, autoteollisuuden osat, muotit tai teollisuuskoneet, prosessi tuottaa toistettavia tuloksia, jotka pystyvät pidentämään komponentin käyttöikää ja vähentämään sen ylläpitokustannuksia.

Tässä opetusohjelmassa syvennymme Electroless-nikkelipinnoituksen sisä- ja ulkopuoliin, sen positiivisiin ominaisuuksiin, käyttötarkoituksiin, vaiheisiin ja siihen, miten sitä verrataan muihin prosesseihin, kuten nikkelipinnoitukseen, kovaan anodisointiin, joka on valettu alumiini, ja nykyaikaisessa tuotannossa käytetty nikkelikromipinnoitus.

Mitä on sähkötön nikkelipinnoitus?

Sähkötön nikkelöinti tarkoittaa nikkeliseoksen pinnoittamista metalliselle tai ei-metalliselle pinnalle, koska siinä tapahtuu autokatalyyttinen reaktio. Kemiallinen kylpy sisältää nikkelisuoloja ja pelkistävää ainetta, tavallisesti natriumhypofosfiittia, joka muuttaa nikkeli-ionit metalliksi, ja ne pystyvät tarttumaan alustaan.

Toisin kuin nikkelipinnoituksessa, jossa nikkeliä on kerrostettava sähkövirran avulla, sähköttömässä nikkelipinnoituksessa prosessi ei tarvitse ulkopuolista virtalähdettä. Tämän ansiosta pinnoitteen paksuus on tasainen jopa syvennyksissä, kierteissä tai sisäisissä onkaloissa. Lopputuloksena on huokoinen, kova pintakäsittely ja korroosionkestävyys soveltuu haastaviin teollisuusolosuhteisiin.

Nikkelipinnoituksen suuret edut ilman sähkötöntä pinnoitusta

1. Tasainen pinnoitteen paksuus

Laskeutuminen on sama riippumatta kappaleen muodosta tai monimutkaisuudesta.

2. Parempi korroosio-ominaisuus

Nikkeli-fosforiseoskerros suojaa erinomaisesti hapettumiselta ja kemikaalien vaikutuksilta.

3. Parempi kovuus ja kuluminen

Lämpökäsittelyn jälkeen sähkötön nikkeli voi saavuttaa kovuuden, joka on hyvin samankaltainen kuin kovan kromin kovuus.

4. Mittatarkkuus

Paksuuden tasaisuus on pieni, joten sitä voidaan käyttää tarkkuustekniikan sovelluksissa.

5. Yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa

Sitä voidaan käyttää teräkselle, kuparille, alumiinille ja messingille, ja sitä voidaan käyttää joihinkin muoveihin vain vähäisellä pinnan valmistelulla. 

Sähkösuojatun nikkelipinnoituksen tyypit

Sähkösuojattu nikkelipinnoitus luokitellaan yleisesti nikkelin ja fosforin seoksessa olevan fosforin määrän mukaan. Kullakin tyypillä on erilaiset vaatimukset kovuuden, korroosionkestävyyden ja kulumisen suhteen, minkä vuoksi niitä voidaan käyttää yksittäisissä sovelluksissa.

1. Vähän fosforia sisältävä sähkötön nikkelipinnoitus (2-5 prosenttia fosforia).

• Ominaisuudet: Vaikein kaikista tyypeistä, kulutusta kestävä ja korkea kitkakerroin.
• Korroosionkestävyys: Tätä materiaalia voidaan käyttää vain sellaisissa paikoissa, joissa altistuminen nopeaa korroosiota edistäville tekijöille on vähäistä.
• Sovellukset: Hydrauliset komponentit, muotit, hienomekaaniset komponentit, joissa kovuus on tärkeää.

2. Med-Phos Electroless Nickel Plating (6-9 prosenttia fosforia).

• Ominaisuudet: Kohtalaiset ominaisuudet, hyvä kovuus, kuluminen ja korroosiosuojaus.
• Korroosionkestävyys: Tätä metallia voidaan käyttää matalissa ja kohtalaisissa ympäristöolosuhteissa.
• Sovellukset: Autojen osat, lentokoneiden laitteistot ja sovellukset sekä yleiset tekniset komponentit.

3. Korkean fosforipitoisuuden omaava sähkötön nikkelipinnoitus (10 13-prosenttinen fosfori).

• Ominaisuudet: Vahva korroosionesto erityisen happamissa tai merellisissä ympäristöissä, ja sillä on sileämpi, lateksimaisempi pintakäsittely ja se on sitkeämpi.
• Kovuus: Kumpikaan ei ole yhtä kova kuin matalafosforipinnoitteet, vaikka lämpökäsittely voi lisätä kovuutta.
• Lisävaruste: Merenkulku-, öljy- ja kaasualan sekä kemianteollisuuden laitteistot.

Sähkösuojatun nikkelipinnoituksen käyttötarkoitukset

Sähkösuojattu nikkelipinnoitus on suosittu teollisuudenaloilla, koska se antaa paksun, tasaisen pinnoitteen, korroosionkestävyyden ja kulumissuojan. Se on monipuolinen, ja sitä voidaan käyttää lukuisissa suunnittelu- ja maalaustarpeissa.

1. Ilmailu- ja avaruusteollisuus

• Sovellus: Turbiinin lapojen, laskutelineiden ja polttoainejärjestelmän osien pinnoittamiseen.
• Etu: Se kestää korkeita lämpötilanvaihteluita, minimoi kosteuden ja lentopolttoaineiden aiheuttaman kulumisen ja korroosion.

2. Autoteollisuus

• Sovellus: Moottorin osat, polttoainesuuttimet ja jarrujärjestelmän osat.
• Etu: Se parantaa kulumiskestävyyttä, tasaista toimintaa ja pidentää komponenttien käyttöikää.

3. Elektroniikkateollisuus

• Sovellus:  Painettu piirilevy (PCB), liittimet ja kiintolevyt.
• Etu: Tarjoaa sähkönjohtavuuden, juotettavuuden ja hapettumisen.

4. Öljy- ja kaasuala

• Sovellukset: Venttiilit, pumput, porauslaitteet ja porauslaitteistot.
• Etu: Se suojaa hankaukselta, kemiallisilta vaikutuksilta ja suolaisen veden korroosiolta.

5. Muotti- ja työkaluteollisuus

• Sovellus: Laatat, ruiskuvalumuotit, suulakepuristusmuotit, täsmätyökalut.
• Etu: Parantaa irrotusta, vähentää tarttumista ja pidentää työkalun käyttöikää.

6. Merenkulun sovellukset

• Sovellus: Potkurit, akselit, merenkulun kiinnikkeet.
• Etu: Korkea meriveden korroosion ja biofoulingin kestävyys.

Electroless Nickel Plating prosessi askel askeleelta

1. Pintojen puhdistus - Osa jätetään perusteellisesti puhdistettuna, jotta öljystä, liasta, rasvasta ja hapettumisesta päästään eroon. Tämä voi tapahtua liuottimella tapahtuvan rasvanpoiston, emäksisten kylpyjen, ultraäänipuhdistuksen tai lievän happopeittauksen muodossa. Paras tapa saavuttaa pinnoitteen hyvä tartunta on puhdistaa pinta.
2. Pinnan aktivointi - Puhdistuksen jälkeen osa upotetaan happamaan tai katalyyttiseen väliaineeseen, jolla on lievä syövyttävä vaikutus ja joka poistaa jäljellä olevan reagoimattoman oksidikalvon. Muiden kuin metallien kohdalla voidaan pinnoittaa ohut katalyyttikalvo, jotta pinnoitusreaktio voisi tapahtua.
3. Galvanointikylpy - Tällöin materiaali upotetaan lämpötilasäädeltyyn kylpyyn (8595C °C), jossa on nikkelisuoloja, natriumhypofosfiittia (pelkistävää ainetta), stabilisaattoreita ja kompleksinmuodostajia. Jatkuva liike pitää kemiallisen konsentraation samana.
4. Laskeutumisreaktio - Pelkistävä aine aiheuttaa metallireaktion, joka laskee nikkeliseoksen tasaisesti pinnalle, päällystää erittäin monimutkaisia muotoja ja sisäisiä rajoituksia ilman sähkön käyttöä.
5. Huuhtelu ja kuivaus - Huuhtelu tarkoittaa pinnoitetun komponentin pyyhkimistä puhtaassa tai deionisoidussa vedessä, jotta kaikki imeytymättömät kemikaalit saadaan poistettua, ja komponentin kuivaus tapahtuu lämpimällä ilmalla tai lämmittimillä, jotta komponentti ei tahriintuisi tai ruostuisi.
6. Lämpökäsittely (valinnainen) - Jos sovelluksessa vaaditaan korkeaa kulutuskestävyyttä, pinnoitettu osa lämpökäsitellään 300-400 o C:ssa. Tämä tekee siitä lähes kovakromin kovuuden ja parantaa korroosiosuojaa.

Vertailut nikkelikromipinnoitukseen nähden

Nikkelikromipinnoitus on käytännössä vaiheittainen galvanointi, eli ensin kerrostetaan nikkelikerros ja sitten kromi päälle. Tämä muodostaa hienon peilimäisen pinnan ja kestää hyvin korroosiota.

Sähkötön nikkelipinnoitus sen sijaan muodostaa tasaisen nikkeli-fosforikerroksen ei-sähköisellä prosessilla. Tämä mahdollistaa monimutkaisten rakenteiden, syvennettyjen alueiden ja hienojen toleranssien metalloinnin, joita ei välttämättä voida peittää tasaisesti, kun käytetään nikkelikromipinnoitusta.

Vaikka nikkelikromipinnoitus tarjoaa paremman estetiikan, sähkötön nikkelipinnoitus on paksuudeltaan tasaisempaa, kulutuskestävyydeltään parempaa ja yhteensopivuudeltaan laajempaa alustan kanssa. Sähkösuojattua nikkelipinnoitusta käytetään laajalti monilla teollisuudenaloilla suorituskyvyn kannalta kriittisissä kappaleissa, mutta nikkelikromipinnoitusta käytetään koriste-esineissä.

Sähkötön nikkelipinnoitus vs. elektrolyyttinen nikkelipinnoitus

Vaikka molemmat prosessit on luokiteltu pinnan pinnoittamiseen nikkelillä, niiden toimintaperiaatteissa on suuri ero:

Vertailutaulukko Kova anodisointi

Kuten alumiiniosista on todettu, erityisesti nikkelöintiä pidetään usein alumiinin kovan anodisoinnin korvikkeena. Anodisointi muodostaa kuitenkin oksidikerroksen kerrostuman sijasta.

Vertailu nikkelikromipinnoitukseen

Nikkelikromipinnoitus on kaksivaiheinen galvanointikäsittely, jossa ensimmäinen kerros on nikkeliä korroosion estämiseksi ja toinen suojapinnoite on ohut kromikerros.

Pinnoituslaatuun vaikuttavat tekijät

On olemassa useita tekijöitä, jotka vaikuttavat välittömästi sähkötön nikkelipinnoitteen suorituskykyyn, ulkonäköön ja kestävyyteen. Tällaisten parametrien säätely johtaa tasaisiin tuloksiin ja virheiden vähäisempään määrään.

• Kylpykemia - Nikkelisuolojen, natriumhypofosfaatin, stabilointiaineiden, rs:n ja kompleksinmuodostajien määrän on oltava tiukasti tässä suhteessa. Epätasapainosta voi johtua likaantuminen ja epätasainen tarttuvuus, paksuus tai vähäinen korroosionkestävyys.
• Lämpötilan säätö -  Sähkösuojakylpyjä pidetään yleensä 85-95 o C:ssa. Kun käytetään alhaisempaa lämpötilaa, pinnoitus hidastuu, ja ylikuumeneminen voi aiheuttaa hallitsemattomia reaktioita ja lyhentää kylvyn käyttöikää.
• PH-taso - PH-tason tulisi olla lievästi hapan, pH 4,55-5,5. Viat voivat muuttaa pinnoitteen kovuutta ja fosforia sekä pinnan viimeistelyä.
• Agitaatio ja verenkierto - Sekoittamalla saadaan aikaan täydellinen kemikaalijakauma ja estetään se, että nikkeli-ionit eivät pääse loppumaan kappaleen pinnalta riittämättömän sekoittamisen seurauksena.
• Pinnan valmistelu - Puutteellinen puhdistus tai aktivointi aiheuttaa kuoriutumista, rakkuloiden muodostumista tai heikkoa tarttuvuutta. Se on erityisen tärkeää alumiinin tai muovien pinnoittamisessa.
• Kylpyammeen ikä ja saastuminen - Ajan myötä kylpyyn jää sivutuotteita, jotka heikentävät tehokkuutta. Tiheä suodatus ja kylpyammeen osittainen vaihto auttavat välttämään kovien ja tahraisten saostumien muodostumista.
• Pinnoitusaika - Pitkä pinnoitusaika tuottaa todennäköisesti liian paksuja kerroksia, jotka rikkoutuvat jännityksen vaikutuksesta, kun taas liian lyhyt aika aiheuttaa ohuita ja herkkiä pinnoitteita.

Sähkötön nikkelipinnoitus Materiaalit

Nikkelilähde

Pinnoituskylvyssä on nikkelisuolaa, joko nikkelisulfaattia tai nikkelikloridia. Nämä antavat nikkeli-ioneja, jotka muodostavat pinnoitteen reaktiossa.

Pelkistävä aine

Suosituin pelkistysaine on hypofosfiitti. Se pelkistää myös nikkeli-ionit metalliseksi nikkeliksi kemiallisesti, mutta ei vaadi sähköä.

Vakauttajat

Metallisuoloja tai orgaanisia stabilisaattoreita lisätään hyvin vähän, jotta kylpy ei hajoa tai mene liian nopeasti.

Monimutkaistavat aineet

Orgaanisia happoja ovat esimerkiksi maito- tai sitruunahappo, joita käytetään pitämään nikkeli-ionit liuenneina ja ylläpitämään kylvyn asianmukaista kemiallista tasapainoa.

pH-säätimet

Aineita, kuten mietoja happoja tai ammoniumhydroksidia, käytetään pH-kylvyn säätämiseen, jotta pinnoituslaatu olisi tasainen.

Pintakäsittelyn kemikaalit

Emäksiset puhdistusaineet liuottavat öljyt ja rasvan, ja happamat aktivoijat laimentavat oksidit ja syövyttävät metallin, jotta se sitoutuu hyvin metalliin.

Deionisoitu vesi

Sitä käytettiin pesuun toimintojen välillä, jotta vältettäisiin mineraalien saastuminen tavanomaisista vesilähteistä.

Ympäristönäkökohdat

Vaikka sähkötön nikkelipinnoitus on turvallisempaa kuin prosessit, joissa käytetään vaarallisia aineita, kuten kuudenarvoista kromia, se on silti tehtävä tiukasti valvottuna ympäristön kannalta. Pinnoituskylvyssä on nikkelisuoloja, natriumhypofosfiittia ja muita yhdisteitä, joita on käsiteltävä huolellisesti maaperän ja veden saastumisen estämiseksi.

Tärkeimmät ympäristötekijät ovat:

1. Jäteveden käsittely - Nikkeli- ja fosforiyhdisteet ovat vedessä ja niitä käytetään pinnoituskylvyissä. Ne olisi käsiteltävä kemiallisella saostuksella, ioninvaihdolla tai kalvosuodatuksella ja hävitettävä.
2. Kemikaalien käsittely ja varastointi -Kemikaalit on varastoitava korroosionkestävässä säiliössä, ja vuotojen hallintaan on oltava asianmukaiset järjestelyt.
3. Ilmanlaatu - Vaikka sähkötön pinnoitus ei aiheuta suuria määriä ilmansaasteita prosessin aikana verrattuna galvanointiin, kemiallisilta höyryiltä on vältyttävä hyvin tuuletetussa ympäristössä.
4. Lainsäädännön noudattaminen - Laitokset noudattavat myös ympäristösäädöksiä, kuten RoHS-säädöksiä (vaarallisten aineiden käytön rajoittaminen) ja paikallisesti vaadittavia jätehuoltosäädöksiä, jotta kaikenlainen jätteen syntyminen voidaan eliminoida tai minimoida ajoissa.
5. Vihreät vaihtoehdot - Tämänhetkisen tutkimuksen tavoitteena on tuottaa kylpyjä, joissa on biohajoavia stabilointiaineita, kloridia vähentäviä, vähemmän myrkyllisiä aineita ja vähän raskaita aineita. Näiden toimenpiteiden soveltaminen auttaa teollisuutta saamaan korkealaatuisia pintoja ja vähentämään ympäristövaikutuksia. Tämä seikka on yksi syy siihen, miksi sähkötön pinnoitus on parempi vaihtoehto verrattuna muihin aineisiin, kuten nikkelikromipinnoitukseen.

Tulevaisuuden kehityssuuntaukset sähköttömässä nikkelipinnoituksessa

Sähkösuojatun nikkelipinnoituksen ala muuttuu myös siksi, että teollisuudenalat vaativat entistä parempaa suorituskykyä, kestävyyttä ja tehokkaampaa prosessia. Tulevaisuutta määrittävät eräät suuret suuntaukset:

1. Nanorakenteiset pinnoitteet - Käynnissä olevassa työssä suunnitellaan nikkeli-fosfori pinnoitteeksi, joka sisältää raekokoa, joka on nano. Nämä pinnoitteet ovat kovempia, kulutusta kestävämpiä ja tarjoavat tehokkaasti paremman korroosiosuojauksen verrattuna perinteisiin pinnoitemateriaaleihin.
2. Komposiittipinnoitteet - Lisäämällä muun muassa PTFE:tä, piikarbidia tai boorinitridiä nikkelipohjaan voidaan saada aikaan erikoisvaikutuksia, kuten itsevoiteluaineiden, tarttumattomien pintojen tai voimakkaan kulutuskestävyyden kehittyminen.
3. Ympäristöystävälliset kylpyvalmisteet - Biohajoavia stabilointiaineita, vähemmän myrkyllisiä pelkisteitä ja pienempiä raskasmetallipitoisuuksia hyödyntävien pinnoituskylpyjen muotoilu erittäin tiukkojen ympäristövaatimusten täyttämiseksi.
4. Automaatio ja robotiikka - Automaattisissa pinnoituslinjoissa käytetään robottikäsittelyä, joka mahdollistaa pinnoituksen toistettavan laadun, inhimillisten virheiden poistamisen ja koneen tuottavuuden parantamisen.
5. Valikoiva pinnoitustekniikka - Kehitteillä on tekniikoita, jotka mahdollistaisivat vain niiden komponenttien pinnoittamisen, jotka tarvitsevat pinnoitusta, jolloin materiaalihävikki ja jälkikäsittely jäisivät pois.
6. Hybridipintakäsittelyt - Muiden tekniikoiden käyttäminen yhdessä sähköettömän nikkelin kanssa (pinnoitus) monikäyttöisten pintojen tuottamiseksi, joilla on ominaisuuksia, jotka täyttävät korkean teknologian teollisuuden erityistarpeet, esim. "painevaletun alumiinin kova anodisointi" tai "nikkelikromipinnoitus".

Sähkösuojattu nikkelipinnoitus on jatkossakin hyödyllinen pintakäsittelytekniikka, kun innovaatiot kehittyvät yhä laajempiin sovelluksiin, joita käytetään yhä useammin ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuudessa, elektroniikassa, uusiutuvan energian alalla ja lääkinnällisissä laitteissa.

Päätelmä

Sähkösuojattu nikkelipinnoitus on huippuluokan pinnoitustekniikka, joka tarjoaa vertaansa vailla olevan tasaisuuden sekä korroosio- ja kulumissuojan. Toisin kuin perinteinen nikkelipinnoitus, se ei perustu sähkövirtaan, mikä mahdollistaa monimutkaisten muotojen ja sisäpintojen tasaisen peittämisen.

Kovaan anodisointiin verrattuna painevaletun alumiinin erityispiirteenä on ainakin se, että sähkötön nikkelipinnoitus pystyy pinnoittamaan alumiinin lisäksi myös monia muita metalleja. Sillä välin, vaikka tuote nikkeli-kromipinnoituksesta on loistava viimeistely, mutta kaikissa tapauksissa se ei voi olla yhtä yhtenäinen ja monipuolinen kuin sähkötön pinnoitus.

Rakennusteollisuus on siirtynyt käyttämään korkean suorituskyvyn pinnoitteita, ja tästä teknologiasta tulee tärkeä tekijä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuudessa, elektroniikassa ja muottien valmistuksessa. Sähkösuojattu nikkelipinnoitus lupaa edelleen olla yksi suosituimmista vaihtoehdoista, koska jatkuvat innovaatiot pyrkivät parantamaan suorituskykyä ja ympäristövaatimusten noudattamista noin seuraavien vuosikymmenten aikana.

UKK

1. Mitä tarkoittaa sähkötön nikkelöinti?

Termi "sähkötön nikkelipinnoitus" viittaa kemialliseen prosessiin, jossa nikkeli-fosfori- tai nikkelibooriseoksesta muodostuu tasainen kerros pinnalle ilman sähköä. Se lisää pintojen korroosionkestävyyttä, kulutuskestävyyttä ja kovuutta.

2. Mitä eroja on sähköttömän nikkelöinnin ja nikkelikromipinnoituksen välillä?

Toisin kuin nikkelikromipinnoitus, jossa nikkeli ja kromi kerrostuvat sähköllä, sähkötön nikkeli on itsekatalyyttinen, ja sillä saadaan tasainen pinnoite myös epäsäännöllisiin muotoihin ja onteloihin.

3. Soveltuuko alumiini sähköttömään nikkelöintiin?

Se voi olla. Alumiini ja jopa ei-metalliset alustat voidaan myös pinnoittaa, kun pinta puhdistetaan/aktivoidaan asianmukaisesti. Useimmiten se yhdistetään kovan anodisoinnin yhdistelmään painevalettuun alumiiniin, joten esineistä tulee vahvoja.

4. Mikä on lämpökäsittelyn etu pinnoituksessa?

Nikkelikerros lämpökäsitellään, jotta siitä saadaan kova, kulutusta kestävä ja korroosiosuojattu. Fosforipitoisuudesta riippuen siitä voidaan tehdä yhtä kova kuin teollinen kova kromi.