Nichelatura elettrolitica: Una guida tecnica completa

La nichelatura elettrolitica può essere considerata uno dei processi più accurati, versatili e affidabili nel campo dell'ingegneria delle superfici e della finitura dei metalli, che consente di migliorare le proprietà superficiali di numerosi materiali. A differenza della galvanotecnica ordinaria, questa non necessita di una corrente elettrica esterna. Dipende invece da una reazione chimica controllata che deposita una pellicola uniforme di nichel-fosforo o nichel-boro, legandoli in modo uniforme su una superficie. Questo processo offre la migliore resistenza alla corrosione, un fattore di usura e uno spessore costante, anche su forme complesse.

La verniciatura elettrolitica è stata spesso scelta da produttori, ingegneri e progettisti al posto di altre procedure di rivestimento per i suoi vantaggi in termini di prestazioni e di estetica. Indipendentemente dal fatto che si tratti di componenti aerospaziali, automobilistici, stampi o macchinari industriali, il processo fornisce risultati ripetibili in grado di prolungare la vita di un componente e di ridurre le spese di manutenzione.

In questo tutorial approfondiremo i dettagli della nichelatura elettrolitica, le sue caratteristiche positive, i suoi utilizzi, le fasi di lavorazione e il suo confronto con altri processi come la nichelatura, l'anodizzazione dura o la nichelatura a caldo. alluminio pressofusoe nichel-cromo utilizzati nella produzione contemporanea.

Che cos'è la nichelatura elettrolitica?

La nichelatura elettrolitica si riferisce alla deposizione di una lega di nichel su una superficie metallica o non metallica, poiché avviene una reazione autocatalitica. Il bagno chimico comprende sali di nichel e un agente riducente, di solito l'ipofosfito di sodio, che converte gli ioni di nichel in metallo, in grado di aderire al substrato.

A differenza del processo di deposizione galvanica chiamato nichelatura, in cui il nichel deve essere depositato attraverso l'uso di corrente elettrica, nel nichel elettrolitico il processo non necessita di alcuna alimentazione esterna. Ciò consente di ottenere uno spessore uniforme del rivestimento anche in sezioni incassate, filettature o cavità interne. Il risultato è una finitura non porosa, dura e resistente alla corrosione che si applica alle condizioni industriali più difficili.

Principali vantaggi della nichelatura senza elettroerosione

1. Spessore uniforme del rivestimento

La deposizione è la stessa indipendentemente dalla forma o dalla complessità del pezzo.

2. Migliore proprietà anticorrosione

Lo strato di lega di nichel-fosforo offre una protezione superiore contro l'ossidazione e l'attacco di sostanze chimiche.

3. Migliore durezza e usura

Dopo il trattamento termico, il nichel elettrolitico può raggiungere una durezza molto simile a quella del cromo duro.

4. Precisione dimensionale

L'uniformità dello spessore è minima, quindi utilizzabile in applicazioni di ingegneria di precisione.

5. Capacità di essere compatibile con altri materiali

Può essere utilizzato su acciaio, rame, alluminio, ottone e su alcune materie plastiche con una minima preparazione della superficie. 

Tipi di nichelatura elettrolitica

La nichelatura elettrolitica viene comunemente classificata in base alla quantità di fosforo presente nella lega di nichel e fosforo. Ogni tipo ha requisiti diversi in termini di durezza, resistenza alla corrosione e all'usura, per cui è adatto ad applicazioni individuali.

1. Nichelatura elettrolitica a basso tenore di fosforo (2-5% di fosforo)

• Proprietà: Il più difficile di tutti i tipi, resistente all'usura e con un elevato coefficiente di basso attrito.
• Resistenza alla corrosione: In media, questo materiale può essere utilizzato solo in luoghi con un'esposizione limitata a fattori che favoriscono una rapida corrosione.
• Applicazioni: Componenti idraulici, stampi, componenti di ingegneria di precisione in cui la durezza è importante.

2. Nichelatura elettrolitica Med-Phos (6-9% di fosforo)

• Proprietà: Caratteristiche moderate, buona durezza, usura e protezione dalla corrosione.
• Resistenza alla corrosione: Questo metallo è applicabile in ambienti a basso e moderato impatto ambientale.
• Applicazioni: Componenti per auto, hardware e applicazioni per aerei e componenti di ingegneria generale.

3. Nichelatura elettrolitica ad alto tenore di fosforo (10-13% di fosforo)

• Caratteristiche: Non si corrode in ambienti particolarmente acidi o marini, ha una finitura più liscia e lattiginosa ed è più duttile.
• Durezza: Non sono duri come i rivestimenti a basso contenuto di fosforo, anche se il trattamento termico può aumentare la durezza.
• Accessorio: Hardware navale, petrolio/gas, lavorazione chimica.

Usi della nichelatura elettrolitica

La nichelatura elettrolitica è popolare in tutti i settori industriali perché offre un rivestimento spesso e uniforme, resistenza alla corrosione e protezione dall'usura. È versatile e può essere utilizzata per numerose esigenze di ingegneria e di verniciatura.

1. Industria aerospaziale

• Applicazione: Per rivestire le pale delle turbine, le parti del carrello di atterraggio e le parti del sistema di alimentazione.
• Vantaggio: È in grado di sopportare elevati sbalzi di temperatura, ridurre al minimo l'abrasione e la corrosione dovuta all'umidità e ai carburanti per aerei.

2. Industria automobilistica

• Applicazione: Parti del motore, iniettori di carburante e parti dell'impianto frenante.
• Vantaggio: Migliora la resistenza all'usura, la fluidità di funzionamento e prolunga la durata dei componenti.

3. Industria elettronica

• Applicazione:  Circuiti stampati (PCB), connettori e dischi rigidi.
• Vantaggio: Offre conducibilità elettrica, saldabilità e ossidazione.

4. Settore del petrolio e del gas

• Applicazioni: Valvole, pompe, attrezzature per la trivellazione e impianti di perforazione.
• Vantaggio: Protegge dall'abrasione, dagli attacchi chimici e dalla corrosione dell'acqua salata.

5. Industria degli stampi e degli utensili

• Applicazione: Targhe, stampi a iniezione, matrici per estrusione, utensili di precisione.
• Vantaggio: Migliora il rilascio, riduce l'incollamento e prolunga la durata dell'utensile.

6. Applicazioni marine

• Applicazione: Elica, alberi, elementi di fissaggio marini.
• Vantaggio: Elevato livello di resistenza alla corrosione dell'acqua di mare e al biofouling.

Processo di nichelatura elettrolitica passo dopo passo

1. Pulizia delle superfici Il pezzo viene pulito a fondo per eliminare olio, sporco, grasso e ossidazione. Questa operazione può assumere la forma di sgrassaggio con solventi, bagni alcalini, pulizia a ultrasuoni o un leggero decapaggio acido. Il modo migliore per ottenere una buona adesione del rivestimento è la pulizia della superficie.
2. Attivazione della superficie - Dopo la pulizia, il pezzo viene immerso in un mezzo acido o catalitico che ha un leggero effetto mordenzante e rimuove il film di ossido non reagito rimasto. Nel caso dei non metalli, è possibile rivestire un sottile film di catalizzatore per consentire la reazione di placcatura.
3. Bagno galvanico - In questo caso il materiale viene immerso in un bagno a temperatura regolata (8595C °C) in cui sono presenti sali di nichel, ipofosfito di sodio (agente riducente), stabilizzatori e agenti complessanti. Il movimento persistente mantiene invariata la concentrazione chimica.
4. Reazione di deposizione - L'agente riducente provoca una reazione metallica che deposita una lega di nichel in modo uniforme sulla superficie, rivestendo forme estremamente complicate e confinamenti interni senza l'uso di elettricità.
5. Risciacquo e asciugatura Il risciacquo si riferisce al passaggio del componente placcato in acqua pulita o deionizzata per rimuovere eventuali sostanze chimiche non assorbite e l'asciugatura del componente avviene con aria calda o riscaldatori in modo da evitare qualsiasi forma di macchia o arrugginimento del componente.
6. Trattamento termico (opzionale) Nei casi in cui l'applicazione richiede un'elevata resistenza all'usura, la parte placcata viene trattata termicamente a 300-400 o C. Ciò rende la durezza quasi pari a quella del cromo duro e migliora la protezione dalla corrosione.

Confronto con la nichel-cromatura

La nichel-cromatura è di fatto una galvanotecnica a gradini, che consiste nel depositare prima uno strato di nichel e poi uno di cromo. In questo modo si ottiene un'ottima finitura a specchio e un'ottima resistenza alla corrosione.

La nichelatura elettrolitica, invece, stende uno strato uniforme di nichel-fosforo con un processo non elettrico. Ciò consente di metallizzare strutture complesse, aree incassate e tolleranze sottili che non possono essere coperte uniformemente con la nichel-cromo.

Sebbene la nichel-cromatura offra un'estetica migliore, la nichelatura elettrolitica presenta una migliore uniformità di spessore, una resistenza all'usura superiore e una maggiore compatibilità con i substrati. La nichelatura elettrolitica è ampiamente utilizzata in molti settori industriali per i pezzi critici per le prestazioni, mentre la nichel-cromatura è utilizzata per gli articoli decorativi.

Nichelatura elettrolitica vs nichelatura elettrolitica

Sebbene entrambi i processi siano classificati per rivestire una superficie utilizzando il nichel, i loro principi di funzionamento presentano una grande differenza:

Tabella di confronto Anodizzazione dura

Come è stato detto per le parti in alluminio, in particolare, la nichelatura è spesso considerata un sostituto dell'anodizzazione dura dell'alluminio pressofuso. Tuttavia, l'anodizzazione forma uno strato di ossido anziché un deposito.

Confronto con la nichel-cromatura

Il processo di nichel-cromatura è un trattamento galvanico a due fasi, in cui il primo strato è costituito da nichel per prevenire la corrosione e la finitura protettiva secondaria da un sottile strato di cromo.

Influenze sulla qualità della placcatura

Esistono diversi fattori che hanno un impatto immediato sulla qualità delle prestazioni, sull'aspetto e sulla durata di un rivestimento in nichel chimico. La regolazione di tali parametri porterà a risultati costanti e a un minor numero di difetti.

• Chimica del bagno - La quantità di sali di nichel, di ipofosfato di sodio, di stabilizzanti, di rs e di agenti complessanti deve rientrare rigorosamente in questo rapporto. Le sbavature e l'adesione non uniforme, lo spessore o la minima resistenza alla corrosione possono essere dovuti a squilibri.
• Controllo della temperatura -  I bagni di placcatura elettrolitica sono normalmente mantenuti a 85-95 o C. Quando si utilizza una temperatura inferiore, la deposizione è rallentata e il surriscaldamento può causare reazioni fuori controllo e ridurre la durata del bagno.
• Livello PH - Il livello di PH deve essere leggermente acido, con un pH compreso tra 4,55 e 5,5. I difetti possono modificare la durezza, il fosforo e la finitura del rivestimento.
• Agitazione e circolazione La miscelazione garantisce una distribuzione chimica completa e impedisce che la superficie del pezzo si impoverisca di ioni di nichel a causa di una miscelazione inadeguata.
• Preparazione della superficie - Se la pulizia o l'attivazione non sono complete, si verificano fenomeni di spellatura, formazione di bolle o scarsa adesione. È particolarmente importante per la placcatura di alluminio o plastica.
• Età del bagno e contaminazione Con il passare del tempo, nel bagno si formano dei sottoprodotti che ne riducono l'efficienza. Una filtrazione frequente e la sostituzione parziale del bagno aiutano a evitare depositi duri e macchie.
• Tempo di placcatura - Un tempo di placcatura prolungato rischia di produrre strati eccessivamente spessi che si rompono in caso di sollecitazione, mentre un tempo troppo breve provoca rivestimenti sottili e delicati.

Materiali per la placcatura in nichel chimico

Fonte di nichel

Nel bagno di placcatura è presente un sale di nichel, solfato di nichel o cloruro di nichel. Questi forniscono gli ioni di nichel che comporranno il rivestimento nella reazione.

Agente riducente

L'agente riducente più diffuso è l'ipofosfito. Anch'esso riduce chimicamente gli ioni di nichel in nichel metallico, ma non richiede elettricità.

Stabilizzatori

Viene aggiunta una quantità minima di sali metallici o stabilizzatori organici per garantire che il bagno non si decomponga o vada troppo veloce.

Agenti complessanti

Alcuni degli acidi organici includono l'acido lattico o l'acido citrico, utilizzati per mantenere gli ioni di nichel allo stato disciolto e per mantenere un corretto equilibrio chimico del bagno.

Regolatori di pH

Per regolare il bagno di pH si utilizzano sostanze come acidi blandi o idrossido di ammonio, al fine di ottenere una qualità di placcatura costante.

Prodotti chimici per la preparazione delle superfici

I detergenti alcalini sciolgono gli oli e il grasso, mentre gli attivatori acidi diluiscono gli ossidi e mordenzano il metallo per legarlo bene.

Acqua deionizzata

Veniva utilizzata per il lavaggio tra un'operazione e l'altra, in modo da evitare la contaminazione minerale da parte delle normali fonti d'acqua.

Considerazioni ambientali

Sebbene la nichelatura elettrolitica, rispetto ai processi che utilizzano sostanze pericolose come il cromo esavalente, sia più sicura, deve comunque essere eseguita con un rigoroso controllo ambientale. Nel bagno di nichelatura sono presenti sali di nichel, ipofosfito di sodio e altri composti che devono essere maneggiati con cura per evitare la contaminazione del suolo e dell'acqua.

I principali fattori ambientali saranno:

1. Trattamento delle acque reflue - I composti di nichel e fosforo sono presenti nell'acqua e utilizzati nei bagni di placcatura. Questi devono essere trattati mediante precipitazione chimica, scambio ionico o filtrazione a membrana e quindi smaltiti.
2. Manipolazione e stoccaggio dei prodotti chimici -I prodotti chimici devono essere conservati in un contenitore anticorrosione e devono essere previsti dispositivi di controllo delle fuoriuscite.
3. Qualità dell'aria - Anche se la placcatura elettrolitica non emette grandi quantità di inquinanti atmosferici nel processo rispetto alla galvanica, è necessario prevedere un ambiente ben ventilato per evitare i fumi chimici.
4. Conformità alle normative - Le strutture seguono anche le normative ambientali come la RoHS (Restriction of Hazardous Substances) e le politiche di gestione dei rifiuti richieste nella loro area locale, in modo da eliminare o ridurre al minimo qualsiasi tipo di produzione di rifiuti.
5. Opzioni verdi - La ricerca attuale è finalizzata alla produzione di bagni con stabilizzatori biodegradabili, agenti che riducono i cloruri e meno tossici e un basso contenuto di sostanze pesanti. Questo è uno dei motivi per cui la placcatura elettrolitica è un'opzione migliore rispetto ad altre sostanze, come la nichel-cromo.

Tendenze di sviluppo future nella placcatura di nichel chimico

Il settore della nichelatura elettrolitica cambierà anche perché le industrie richiederanno prestazioni migliori, un livello più elevato di sostenibilità e un processo più efficace. Alcune tendenze principali determineranno il futuro:

1. Rivestimenti nanostrutturati - Il lavoro in corso prevede la progettazione di un nichel-fosforo come rivestimento contenente grani di dimensioni nanometriche. Questi rivestimenti sono più duri, più resistenti all'usura e forniscono una migliore protezione dalla corrosione rispetto ai materiali di rivestimento tradizionali.
2. Rivestimenti compositi - L'aggiunta di PTFE, carburo di silicio o nitruro di boro alla base di nichel, tra gli altri materiali, può creare un effetto speciale come lo sviluppo di autolubrificanti, superfici antiaderenti o una forte resistenza all'abrasione.
3. Formulazioni da bagno ecologiche - Formulazione di bagni di placcatura che utilizzano stabilizzatori biodegradabili, agenti riducenti meno tossici e un livello ridotto di metalli pesanti per soddisfare standard ambientali molto severi.
4. Automazione e robotica - Nelle linee di placcatura automatizzate viene utilizzata la movimentazione robotizzata, che consente una qualità ripetibile del rivestimento, l'eliminazione dell'errore umano e una maggiore produttività della macchina.
5. Tecnologie di placcatura selettiva - Sono in fase di sviluppo tecnologie che consentirebbero di rivestire selettivamente solo le superfici di un componente che richiedono il rivestimento, eliminando gli sprechi di materiale e la post-lavorazione.
6. Trattamenti di superficie ibridi - Utilizzo di altre tecniche in combinazione con il nichel elettrolitico (placcatura) per ottenere superfici multifunzionali con caratteristiche tali da soddisfare esigenze molto specifiche nelle industrie high-tech, ad esempio "anodizzazione dura dell'alluminio pressofuso" o "nichel-cromatura".

La nichelatura elettrolitica continuerà a essere un'utile tecnologia di finitura delle superfici grazie all'ulteriore sviluppo delle innovazioni in una più ampia gamma di applicazioni, con un maggior numero di impieghi nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico, delle energie rinnovabili e delle apparecchiature mediche.

Conclusione

La nichelatura elettrolitica è una tecnica di placcatura di alto livello che garantisce un'uniformità e una protezione dalla corrosione e dall'usura ineguagliabili. A differenza della nichelatura convenzionale, non si basa sulla corrente elettrica e questo permette di coprire anche forme complesse e superfici interne.

Rispetto all'anodizzazione dura dell'alluminio pressofuso, almeno la capacità della nichelatura elettrolitica di applicare la placcatura su un'ampia gamma di altri metalli oltre all'alluminio è una caratteristica distintiva di questo processo. Nel frattempo, anche se la prodotto di nichel-cromo ha una finitura brillante, ma non in tutti i casi può essere uniforme e versatile come la placcatura elettrolitica.

Con l'industria delle costruzioni che si orienta verso i rivestimenti ad alte prestazioni, questa tecnologia avrà un ruolo importante nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico e della produzione di stampi. La nichelatura elettrolitica promette di essere una delle scelte più popolari grazie alle continue innovazioni che mirano a migliorare le prestazioni e la conformità ambientale nei prossimi decenni.

Domande frequenti

1. Cosa si intende per nichelatura elettrolitica?

Il termine nichelatura elettrolitica si riferisce a un processo chimico che deposita uno strato uniforme di una lega di nichel-fosforo o nichel-boro su una superficie senza elettricità. Aumenta la resistenza alla corrosione, all'usura e la durezza delle superfici.

2. Quali sono le differenze tra nichelatura elettrolitica e nichel-cromo?

A differenza della nichel-cromatura, che deposita nichel e cromo mediante l'applicazione di elettricità, il nichel elettrolitico è autocatalitico e fornisce un rivestimento liscio anche su forme irregolari e all'interno di vuoti.

3. L'alluminio si presta alla nichelatura elettrolitica?

Può. Anche l'alluminio e persino i substrati non metallici possono essere placcati se dotati di un'adeguata pulizia/attivazione della superficie. Il più delle volte viene abbinato alla combinazione di anodizzazione dura dell'alluminio pressofuso, in modo che gli oggetti siano resistenti.

4. Qual è il vantaggio del trattamento termico nel caso della placcatura?

Lo strato di nichel viene sottoposto a trattamento termico per renderlo duro, resistente all'usura e con protezione dalla corrosione. A seconda del contenuto di fosforo, può essere reso duro come il cromo duro industriale.