Elektroløs fornikling: En komplett teknisk veiledning

Elektroløs fornikling kan betraktes som en av de mest nøyaktige, allsidige og pålitelige prosessene innen overflateteknikk og metallbehandling, noe som gjør det mulig å forbedre overflateegenskapene til en rekke materialer. I motsetning til vanlig galvanisering trenger ikke denne prosessen elektrisk strøm utenfra. I stedet er den avhengig av en kontrollert kjemisk reaksjon som avsetter en jevn film av nikkel-fosfor eller nikkel-bor ved å legere dem jevnt på en overflate. Denne prosessen gir den beste korrosjonsbestandigheten, slitasjefaktoren og den jevneste tykkelsen, selv på intrikate former.

Produsenter, ingeniører og designere har ofte valgt elektroløs lakkering i stedet for andre lakkeringsprosedyrer på grunn av ytelsen og de kosmetiske fordelene. Uansett om det dreier seg om romfart, bildeler, støpeformer eller industrimaskiner, gir prosessen repeterbare resultater som kan forlenge levetiden til en komponent og redusere utgiftene til vedlikehold.

I denne veiledningen skal vi fordype oss i detaljene ved elektroløs fornikling, dens positive egenskaper, bruksområder, trinnene som er involvert, og hvordan den kan sammenlignes med andre prosesser som fornikling, hard anodisering av trykkstøpt aluminiumog nikkelforkroming som brukes i moderne produksjon.

Hva er elektroløs nikkelbelegg?

Elektroløs nikkelbelegging refererer til avsetning av en nikkellegering på en metallisk eller ikke-metallisk overflate, siden det skjer en autokatalytisk reaksjon. Det kjemiske badet inneholder nikkelsalter og et reduksjonsmiddel, vanligvis natriumhypofosfitt, som omdanner nikkelionene til metall, slik at de kan feste seg til underlaget.

I motsetning til den galvaniske avsetningsprosessen som kalles fornikling, der nikkel må avsettes ved hjelp av elektrisk strøm, trenger ikke prosessen med elektroløs nikkel noen ekstern strømforsyning. Dette resulterer i en jevn tykkelse på belegget, selv i innfelte seksjoner, gjenger eller innvendige hulrom. Resultatet er en ikke-porøs, hard overflate og korrosjonsbestandig overflate som tåler krevende industrielle forhold.

Store fordeler med nikkelbelegg uten elektroløs

1. Jevn tykkelse på belegget

Deponeringen er den samme uavhengig av delens form eller kompleksitet.

2. Bedre korrosjonsegenskaper

Laget av nikkel-fosfor-legering gir overlegen beskyttelse mot oksidasjon og angrep fra kjemikalier.

3. Bedre hardhet og slitasje

Ved varmebehandling kan elektroløs nikkel oppnå en hardhet som er svært lik hardkrom.

4. Dimensjonell presisjon

Tykkelsen har liten ensartethet, og kan derfor brukes i presisjonstekniske applikasjoner.

5. Evne til å være kompatibel med andre materialer

Det kan brukes på stål, kobber, aluminium, messing og må brukes på noen plastmaterialer med bare en mindre overflatebehandling. 

Typer elektroløs nikkelbelegg

Elektroløs nikkelbelegg klassifiseres vanligvis etter mengden fosfor i legeringen av nikkel og fosfor. Hver type har ulike krav til hardhet, korrosjonsbestandighet og slitasje, og er derfor egnet til ulike bruksområder.

1. Elektroløs nikkelbelegg med lavt fosforinnhold (2 til 5 prosent fosfor)

• Egenskaper: Den vanskeligste av alle typer, slitesterk og med høy lavfriksjonskoeffisient.
• Motstandsdyktighet mot korrosjon: Medium, dette materialet kan bare brukes på steder med begrenset eksponering for faktorer som fremmer rask korrosjon.
• Bruksområder: Hydrauliske komponenter, støpeformer, presisjonstekniske komponenter der hardhet er viktig.

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

• Egenskaper: Moderate egenskaper, god hardhet, slitasje- og korrosjonsbeskyttelse.
• Motstandsdyktig mot korrosjon: Dette metallet kan brukes i miljøer med lave og moderate miljøkrav.
• Bruksområder: Bildeler, maskinvare og applikasjoner til fly og generelle tekniske komponenter.

3. Elektroløs nikkelbelegg med høyt fosforinnhold (10-13 prosent fosfor)

• Funksjoner: Sterkt korrosjonsbestandig i spesielt sure eller marine miljøer, og har en jevnere, mer lateksaktig overflate og er mer formbar.
• Hardhet: Heller ikke like harde som lavfosforbelegg, selv om varmebehandling kan øke hardheten.
• Tilbehør: Maskinvare for marine, olje/gass og kjemisk prosessering.

Bruksområder for elektroløs nikkelbelegg

Elektroløs fornikling er populært i hele industrien fordi det gir et tykt, jevnt belegg, korrosjonsbestandighet og slitestyrke. Den er allsidig og kan brukes til en rekke tekniske formål og malingsbehov.

1. Luft- og romfartsindustrien

• Søknad: For å belegge turbinblader, deler av landingsstell og deler av drivstoffsystemet.
• Fordel: Den tåler store temperaturendringer, minimerer slitasje og korrosjon på grunn av fuktighet og flydrivstoff.

2. Bilindustrien

• Søknad: Motordeler, drivstoffinjektorer og deler av bremsesystemet.
• Fordel: Det forbedrer slitestyrken, gir jevn drift og forlenger komponentenes levetid.

3. Elektronikkbransjen

• Søknad:  Kretskort (PCB), kontakter og harddisker.
• Fordel: Gir god elektrisk ledningsevne, loddeevne og oksidasjon.

4. Olje- og gassektoren

• Bruksområder: Ventiler, pumper, boreutstyr og nedihullsutstyr.
• Fordel: Det beskytter mot slitasje, kjemiske angrep og korrosjon i saltvann.

5. Form- og verktøyindustrien

• Søknad: Plaketter, sprøytestøpeformer, ekstruderingsformer, presisjonsverktøy.
• Fordel: Forbedrer frigjøringen, reduserer fastklebing og forlenger verktøyets levetid.

6. Marine bruksområder

• Søknad: Propell, aksler, marine festeanordninger.
• Fordel: Høy motstand mot korrosjon i sjøvann og begroing.

Prosess for elektroløs nikkelbelegg trinn for trinn

1. Rengjøring av overflater Delen rengjøres grundig for å bli kvitt olje, smuss, fett og oksidasjon. Dette kan gjøres i form av avfetting med løsemidler, alkaliske bad, ultralydrengjøring eller lett syrebeising. Den beste måten å oppnå god vedheft av belegget på, er å rengjøre overflaten.
2. Overflateaktivering Etter rengjøringen senkes delen ned i et surt eller katalytisk medium som har en lett etsende effekt, i tillegg til å fjerne den ureagerte oksidfilmen som er igjen. Når det gjelder ikke-metaller, kan man legge på en tynn film av katalysator for å muliggjøre pletteringsreaksjonen.
3. Elektropletteringsbad Her senkes materialet ned i et temperaturregulert bad (8595 °C) med nikkelsalter, natriumhypofosfitt (reduksjonsmiddel), stabilisatorer og kompleksdannere. Vedvarende bevegelse opprettholder den kjemiske konsentrasjonen på samme nivå.
4. Avsetningsreaksjon Reduksjonsmidlet forårsaker en metallisk reaksjon som legger en nikkellegering jevnt på overflaten, og belegger ekstremt kompliserte former og indre inneslutninger uten bruk av elektrisitet.
5. Skylling og tørking Skylling innebærer at den belagte komponenten tørkes av i rent eller avionisert vann for å fjerne eventuelle ikke-absorberte kjemikalier, og tørking av komponenten gjøres ved hjelp av varmluft eller varmeovner slik at det ikke oppstår noen form for flekker eller rust på komponenten.
6. Varmebehandling (valgfritt) I tilfeller der bruksområdet krever høy slitestyrke, varmebehandles den belagte delen ved 300-400 o C. Dette gjør at hardheten blir nesten som hardkrom og forbedrer korrosjonsbeskyttelsen.

Sammenligninger med nikkelforkroming

Nikkelforkroming er i praksis en trinnvis galvanisering, dvs. at man først legger på et nikkellag og deretter krom på toppen. Dette gir en flott, speilblank overflate og svært god korrosjonsbestandighet.

Ved elektroløs fornikling, derimot, legges det et jevnt nikkel-fosfor-lag ved hjelp av en ikke-elektrisk prosess. Dette gjør det mulig å metallisere intrikate strukturer, innfelte områder og fine toleranser, som kanskje ikke dekkes jevnt ved bruk av nikkelforkroming.

Selv om nikkelforkromming gir bedre estetikk, har elektroløs fornikling bedre jevnhet i tykkelsen, overlegen slitestyrke og bredere substratkompatibilitet. Elektroløs fornikling er mye brukt i mange bransjer på de delene som er kritiske for ytelsen, men nikkelforkromming brukes på dekorative gjenstander.

Elektroløs fornikling vs. elektrolytisk fornikling

Selv om begge disse prosessene er kategorisert for å belegge en overflate med nikkel, er det stor forskjell på arbeidsprinsippene deres:

Tabell over sammenligninger Hard anodisering

Som nevnt om aluminiumsdeler, blir nikkelbelegg ofte sett på som en erstatning for hard anodisering av støpt aluminium. Anodisering danner imidlertid et oksidlag i stedet for en avleiring.

Sammenligning mot nikkelkrombelegg

Nikkelforkroming er en galvanisk behandling i to trinn, der det første laget består av nikkel for å hindre korrosjon, og det andre laget er et tynt lag krom.

Innflytelse på pletteringskvalitet

Det er en rekke faktorer som vil ha en umiddelbar innvirkning på kvaliteten på ytelsen, utseendet og holdbarheten til et elektroløst nikkelbelegg. Regulering av slike parametere vil føre til stabile resultater og et lavere antall defekter.

• Bath Chemistry - Mengden nikkelsalter, natriumhypofosfat, stabilisatorer, rs- og kompleksdannere må ligge innenfor dette forholdet. Ubalanse kan føre til utsmitting og ujevn vedheft, ujevn tykkelse eller minimal korrosjonsbestandighet.
• Temperaturkontroll  Bad for elektroløs plettering holdes normalt på 85-95 o C. Når en lavere temperatur er i bruk, reduseres avsetningen, og overoppheting kan føre til ukontrollerte reaksjoner og kan forkorte badets levetid.
• PH-nivå - PH-nivået skal være svakt surt med en pH på 4,55 til 5,5. Defekter kan endre beleggets hardhet, fosforinnhold og finish.
• Agitasjon og sirkulasjon Blanding vil gi en fullstendig kjemisk fordeling og vil beskytte mot områder på deloverflaten som blir utarmet på nikkelioner som følge av utilstrekkelig blanding.
• Forberedelse av overflaten Ufullstendig rengjøring eller aktivering vil føre til avskalling, blemmer eller dårlig vedheft. Det er spesielt viktig ved plettering av aluminium eller plast.
• Alder på badet og forurensning Over tid oppstår det biprodukter i badekaret som reduserer effektiviteten. Hyppig filtrering og delvis utskifting av badekaret bidrar til å unngå harde og flekkete avleiringer.
• Pletteringstid For lang pletteringstid vil sannsynligvis gi for tykke lag som går i stykker ved påkjenning, mens for kort tid vil føre til tynne og skjøre belegg.

Materialer for elektroløs nikkelbelegg

Nikkel Kilde

Et nikkelsalt, enten nikkelsulfat eller nikkelklorid, er til stede i pletteringsbadet. Disse gir nikkelionene som vil utgjøre belegget i reaksjonen.

Reduksjonsmiddel

Det mest populære reduksjonsmiddelet er hypofosfitt. Det reduserer også nikkelioner til metallisk nikkel på kjemisk vis, men krever ikke strøm.

Stabilisatorer

Svært lite metallsalter eller organiske stabilisatorer er tilsatt for å sikre at badet ikke brytes ned eller går for fort.

Kompleksdannende midler

Noen av de organiske syrene er melkesyre eller sitronsyre, som brukes for å holde nikkelionene i oppløst tilstand og opprettholde en riktig kjemisk balanse i badet.

pH-justeringsmidler

For å regulere pH-badet brukes stoffer som milde syrer eller ammoniumhydroksid for å oppnå en jevn pletteringskvalitet.

Kjemikalier til overflatebehandling

Alkaliske rengjøringsmidler løser opp oljer og fett, og syreaktivatorer fortynner oksider og etser metallet slik at det binder seg godt til metallet.

Avionisert vann

Det ble brukt til å vaske mellom operasjonene, slik at man kunne unngå mineralforurensning fra vanlige vannkilder.

Miljøhensyn

Selv om elektroløs fornikling er tryggere enn prosesser som bruker farlige stoffer som for eksempel seksverdig krom, bør den likevel utføres med streng miljøkontroll. Det finnes nikkelsalter, natriumhypofosfitt og andre forbindelser i pletteringsbadet, som må håndteres med forsiktighet for å hindre forurensning av jord og vann.

De viktigste miljøfaktorene vil være:

1. Rensing av avløpsvann Nikkel- og fosforforbindelser finnes i vann og brukes i pletteringsbad. Disse bør håndteres ved hjelp av kjemisk felling, ionebytte eller membranfiltrering, og deretter avhendes.
2. Håndtering og lagring av kjemikalierKjemikaliene må oppbevares i en korrosjonsfri beholder, og det må finnes ordninger for å hindre søl.
3. Luftkvalitet Selv om elektroløs plettering ikke avgir store mengder luftforurensende stoffer i prosessen sammenlignet med elektroplettering, bør man sørge for et godt ventilert miljø for å unngå kjemiske gasser.
4. Overholdelse av lover og regler Anleggene følger også miljøforskrifter som RoHS (Restriction of Hazardous Substances) og retningslinjer for avfallshåndtering som kreves i deres lokale område, i tide til å eliminere eller minimere enhver form for avfallsgenerering.
5. Grønne alternativer Forskningen som pågår i dag, tar sikte på å produsere bad med biologisk nedbrytbare stabilisatorer, kloridreduserende og mindre giftige stoffer og et lavt innhold av tungmetaller. Dette er en av grunnene til at elektroløs plettering er et bedre alternativ enn andre stoffer, som for eksempel nikkelforkroming.

Fremtidige utviklingstrender innen elektroløs nikkelbelegg

Bransjen for elektroløs fornikling vil også endre seg fordi industrien vil kreve bedre ytelse, et høyere nivå av bærekraft og en mer effektiv prosess. Noen viktige trender vil avgjøre fremtiden:

1. Nanostructured Coatings – Arbeidet som pågår, innebærer design av et nikkel-fosfor-belegg som inneholder kornstørrelse i nanostørrelse. Disse beleggene er hardere, mer slitesterke og gir bedre korrosjonsbeskyttelse sammenlignet med tradisjonelle beleggmaterialer.
2. Komposittbelegg Ved å tilsette blant annet PTFE, silisiumkarbid eller bornitrid til nikkelbasen kan man oppnå spesielle effekter som selvsmøring, non-stick-overflater eller sterk slitestyrke.
3. Miljøvennlige baderomsformuleringer Formulering av pletteringsbad med biologisk nedbrytbare stabilisatorer, mindre giftige reduksjonsmidler og redusert innhold av tungmetaller for å tilfredsstille svært strenge miljøstandarder.
4. Automatisering og robotteknologi Robothåndtering brukes i de automatiserte pletteringslinjene, noe som gir repeterbar kvalitet på belegget, eliminerer menneskelige feil og øker maskinens produktivitet.
5. Selektiv pletteringsteknologi Teknologien som er under utvikling, gjør det mulig å belegge bare de overflatene på en komponent som trenger det, slik at man unngår materialsvinn og etterbehandling.
6. Hybrid overflatebehandling Bruk av andre teknikker i kombinasjon med elektroløs nikkel (plettering) for å skape multifunksjonelle overflater med egenskaper som tilfredsstiller svært spesifikke behov i høyteknologiske bransjer, f.eks. "hard anodisering av støpt aluminium" eller "nikkelforkroming".

Elektroløs fornikling vil fortsette å være en nyttig teknologi for overflatebehandling etter hvert som innovasjonene utvikles videre til et bredere spekter av bruksområder, med flere bruksområder innen romfart, bilindustri, elektronikk, fornybar energi og medisinsk utstyr.

Konklusjon

Elektroløs fornikling er en avansert pletteringsteknikk som gir uovertruffen jevnhet, korrosjons- og slitasjebeskyttelse. I motsetning til konvensjonell fornikling er den ikke basert på elektrisk strøm, noe som gjør det mulig å dekke komplekse former og innvendige overflater jevnt.

Sammenlignet med hard anodisering av støpt aluminium, er i det minste evnen til strømløs nikkelbelegg å sette plettering på et bredt spekter av andre metaller i tillegg til aluminium et særegent trekk ved denne prosessen. I mellomtiden, selv om produkt av nikkelkrombelegg har en strålende finish, men ikke i alle tilfeller kan den ikke være like jevn og allsidig som elektroløs plettering.

Nå som byggebransjen vender seg mot høyytelsesbelegg, vil denne teknologien bli en viktig aktør i luftfarts-, bil-, elektronikk- og moldproduksjonssektorene. Elektroløs nikkelbelegg vil fortsatt være et av de mest populære valgene på grunn av kontinuerlige innovasjoner som har som mål å forbedre ytelsen og miljøoverensstemmelsen i løpet av de neste tiårene.

Vanlige spørsmål

1. Hva betyr elektroløs nikkelbelegg?

Begrepet elektroløs fornikling refererer til en kjemisk prosess som avsetter et jevnt lag av en legering av nikkel-fosfor eller nikkel-bor på en overflate uten bruk av elektrisitet. Det øker korrosjonsbestandigheten, slitestyrken og hardheten på overflater.

2. Hva er forskjellen mellom elektroløs fornikling og nikkelforkroming?

I motsetning til nikkelforkroming, som avleirer nikkel og krom ved hjelp av elektrisitet, er elektroløs nikkel autokatalytisk, og det gir et jevnt belegg selv på uregelmessige former og inne i hulrom.

3. Egner aluminium seg for elektroløs fornikling?

Det er mulig. Aluminium og til og med ikke-metalliske substrater kan også pletteres når de er utstyrt med riktig overflaterengjøring / aktivering. Oftest kombineres det med en kombinasjon av hard anodisering og trykkstøpt aluminium, slik at gjenstandene blir sterke.

4. Hva er fordelen med varmebehandling ved plettering?

Nikkellaget varmebehandles for å gjøre det hardt, slitesterkt og korrosjonsbeskyttende. Avhengig av fosforinnholdet kan det gjøres like hardt som industriell hardkrom.