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

The process of nickel chrome plating is a two-step electroplating treatment, where the first layer is nickel to prevent corrosion, and a secondary protective finish is a thin layer of chrome.

Influenze sulla qualità della placcatura

There are a number of factors that will have an immediate impact on the quality of the performance, appearance, and durability of an electroless nickel coating. Regulation of such parameters will lead to steady results and a lower number of defects.

• Bath Chemistry – The amount of nickel salts, sodium hypophosphate, stabilizers, rs and complexing agents has to be strictly within this ratio. Smearing and uneven adhesion, thickness, or minimal resistance to corrosion can all be due to the imbalances.
• Temperature Control –  Electroless plating baths are normally maintained at 85-95 o C. When a lower temperature is in use, deposition is slowed, and overheating may cause out-of-control reactions and may shorten bath life.
• PH Level – The PH level should be slightly acidic at pH 4.55 to 5.5. Defects may change the hardness and phosphorus, and finish of the coating.
• Agitation and Circulation – Mixing will provide complete chemical distribution and will guard against regions on the part surface that become depleted of nickel ions as a result of inadequate mixing.
• Surface Preparation – Leaving an incomplete cleaning or activation will cause peeling, blistering, or low adhesion. It is particularly important in plating aluminum or plastics.
• Bath Age and Contamination – Over time, there are byproducts in the bath, which decrease efficiency. Frequent filtration and partial replacement of the bath help to avoid hard and stain deposits.
• Plating Time – Extended plating time is likely to produce excessively thick layers that will break on application of stress, whereas too short a time will cause thin and delicate coatings.

Materiali per la placcatura in nichel chimico

Fonte di nichel

A nickel salt, either nickel sulfate or nickel chloride, is present in the plating bath. These give the nickel Ions, which will compose the coating in the reaction.

Agente riducente

The most popular reducing agent is the hypophosphite. It also reduces nickel ions to metallic nickel chemically, but does not require electricity.

Stabilizzatori

Very little of metallic salts or organic stabilizers is added to ensure that the bath does not decompose or go too fast.

Agenti complessanti

Some of the organic acids include lactic acid or citric acid used to keep the nickel ions in their dissolved state and maintain a proper chemical balance of the bath.

Regolatori di pH

Substances such as mild acids or ammonium hydroxide are used to regulate the pH bath in order to have consistent plating quality.

Prodotti chimici per la preparazione delle superfici

Alkaline cleaners dissolve oils and grease, and acid activators dilute oxides and etch the metal to bond well with the metal.

Acqua deionizzata

It was used to wash between operations so that mineral contamination by normal water sources could be avoided.

Considerazioni ambientali

Although electroless nickel plating, as compared to processes using dangerous substances such as hexavalent chromium, is safer, it should still be performed with tough environmental control. There are nickel salts, sodium hypophosphite, and other compounds in the plating bath, which should be handled with care to prevent contamination of soil and water.

The main environmental factors will be:

1. Wastewater Treatment – Nickel and phosphorus compounds are in water and used in plating baths. These should be dealt with by chemical precipitation, ion exchange, or membrane filtration and then disposed of.
2. Chemical Handling and Storage –The chemicals must be stored in a corrosion-free container, and there must be spill-controlling arrangements.
3. Air Quality – Even though electroless plating does not emit great quantities of air pollutants in the process compared to electroplating, a well-ventilated environment should be provided to avoid chemical fumes.
4. Regulatory Compliance – Facilities also follow environmental regulations like RoHS (Restriction of Hazardous Substances) and waste management policies required in their local area, in time to eliminate or minimize any kind of waste generation.
5. Green Options – Current research is aimed at producing baths that have biodegradable stabilizers, chloride-reducing less less-toxic agents, and a low content of heavy The application of these measures helps industries to have high-quality finishes and have a lesser impact on the environment. This fact is one of the reasons why electroless plating is a better option compared to other substances, such as nickel chrome plating.

Tendenze di sviluppo future nella placcatura di nichel chimico

The field of electroless nickel plating will also change because industries will require a more improved performance, a higher level of sustainability, and a more effective process. Some major trends determine the future:

1. Nanostructured Coatings – Work underway involves the design of a nickel-phosphorus as a coating containing grain size, which is nano. These coatings are harder, more wear-resistant, and effectively provide better corrosion protection as compared to traditional coating materials.
2. Composite Coatings – Adding PTFE, silicon carbide, or boron nitride to the nickel base, among other materials, can create a special effect like the development of self-lubricants, non-stick surfaces, or severe abrasion resistance.
3. Eco-Friendly Bath Formulations – Formulation of plating baths utilizing biodegradable stabilizers, less toxic reducing agents, and a reduced heavy metal level to satisfy very strict environmental standards.
4. Automation and Robotics – Robotic handling is being used in the automated plating lines, allowing repeatable quality of coating, elimination of human error, and greater productivity of the machine.
5. Selective Plating Technologies – Techs are under development that would enable selective coating of only those surfaces of a component that require coating, eliminating material wastage and post-processing.
6. Hybrid Surface Treatments – Using other techniques in combination with electroless nickel (plating) to provide multi-functional surfaces with features to satisfy very specific needs in high-tech industries, e.g., “hard anodizing die cast aluminum” or “nickel chrome plating”.

Electroless nickel plating will continue being a useful surface finishing technology as innovations further develop into a wider range of applications with more uses in the aerospace, automotive, electronic, renewable energy, and medical equipment industries.

Conclusione

Electroless nickel plating is the high-end plating technique that provides unequaled uniformity, corrosion and wear protection. In contrast to conventional nickel plating, it is not based on electrical current, and this permits even coverage of complex shapes and internal surfaces.

Compared to hard anodizing die cast aluminum, at least the capability of electroless nickel plating to put plating on a wide range of other metals besides aluminum is a distinctive feature of this process. In the meantime, even though the product of nickel chrome plating has a brilliant finish, not in all instances it cannot be as uniform and versatile as electroless plating.

With the construction industry turning to high-performance coatings, this technology will be an important player in the aerospace, automotive, electronic, and mold manufacturing sectors. Electroless nickel plating still promises to be one of the most popular choices due to continuous innovations that seek to improve performance and environmental compliance in the next several decades or so.

Domande frequenti

1. Cosa si intende per nichelatura elettrolitica?

The term electroless nickel plating refers to a chemical process that deposits a uniform layer of an alloy of nickel-phosphorus or nickel boron onto a surface without electricity. It increases corrosion resistance, wear resistance, and hardness of surfaces.

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

In contrast to nickel chrome plating, which deposits nickel and chromium by the application of electricity, electroless nickel is autocatalytic, and it provides a smooth coating even on irregular shapes and inside voids.

3. L'alluminio si presta alla nichelatura elettrolitica?

It may. Aluminum and even non-metallic substrates can also be plated when provided with proper surface cleaning/ activation. Most often it is combined with the combination of hard anodizing die die-cast aluminum, so the objects will be strong.

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

The nickel layer is subjected to heat treatment to make it hard, resistant to wear, and have corrosion protection. Depending on phosphorus content it can be made as hard as industrial hard chrome.