Электролитическое никелирование: Полное техническое руководство

Безэлектродное никелирование можно считать одним из самых точных, универсальных и надежных процессов в области инженерии поверхности и отделки металла, позволяющих улучшить свойства поверхности множества материалов. В отличие от обычного гальванического покрытия, этот процесс не нуждается во внешнем электрическом токе. Вместо этого она основана на контролируемой химической реакции, которая наносит на поверхность равномерную пленку никеля-фосфора или никеля-бора путем их равномерного сплавления. Этот процесс обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость, износостойкость и постоянную толщину даже на сложных формах.

Благодаря своим эксплуатационным и косметическим преимуществам электролитическое покрытие часто выбирается производителями, инженерами и дизайнерами вместо других методов нанесения покрытий. Независимо от того, идет ли речь об аэрокосмической промышленности, автомобильных деталях, пресс-формах или промышленном оборудовании, этот процесс обеспечивает воспроизводимые результаты, способные продлить срок службы компонента и сократить расходы на его обслуживание.

В этом учебном пособии мы рассмотрим все тонкости и особенности безэлектродного никелирования, его положительные качества, способы применения, этапы работы и его сравнение с другими процессами, такими как никелирование, жесткое анодирование литой алюминий, и никель-хромовое покрытие, используемое в современном производстве.

Что такое электролитическое никелирование?

Безэлектродное никелирование - это осаждение никелевого сплава на металлическую или неметаллическую поверхность, поскольку происходит автокаталитическая реакция. Химическая ванна включает соли никеля и восстановитель, обычно гипофосфит натрия, который превращает ионы никеля в металл, и они способны прилипать к подложке.

В отличие от гальванического процесса осаждения, называемого никелированием, где никель осаждается с помощью электрического тока, при электробезнике процесс не требует внешнего источника питания. Это позволяет добиться равномерной толщины покрытия даже в углубленных участках, резьбе или внутренних полостях. В результате получается непористое, твердое покрытие, устойчивое к коррозии и способное работать в сложных промышленных условиях.

Основные преимущества никелирования без электролитического покрытия

1. Равномерная толщина покрытия

Осаждение происходит одинаково, независимо от формы и сложности детали.

2. Лучшие антикоррозийные свойства

Слой никель-фосфорного сплава обеспечивает превосходную защиту от окисления и воздействия химических веществ.

3. Лучшая твердость и износостойкость

После термической обработки электролитический никель приобретает твердость, близкую к твердому хрому.

4. Точность размеров

Однородность по толщине невелика, что позволяет использовать его в точном машиностроении.

5. Способность быть совместимым с другими материалами

Его можно использовать на стали, меди, алюминии, латуни, а также на некоторых видах пластмасс при незначительной подготовке поверхности. 

Виды электролитического никелирования

Безэлектролитные никелевые покрытия принято классифицировать по количеству фосфора в сплаве никеля и фосфора. К каждому типу предъявляются различные требования по твердости, коррозионной стойкости и износостойкости, что обуславливает его применение в отдельных областях.

1. Электролитическое никелирование с низким содержанием фосфора (от 2 до 5 процентов фосфора)

• Свойства: Самый сложный из всех типов, износостойкий и с высоким коэффициентом трения.
• Устойчивость к коррозии: В среднем, этот материал можно использовать только в местах с ограниченным воздействием факторов, способствующих быстрой коррозии.
• Приложения: Гидравлические компоненты, пресс-формы, детали точного машиностроения, где важна твердость.

2. Электролитическое никелирование Med-Phos (6-9 процентов фосфора)

• Свойства: Умеренные характеристики, хорошая твердость, износостойкость и защита от коррозии.
• Устойчивость к коррозии: Этот металл применим в условиях низкого и умеренного климата.
• Приложения: Автомобильные детали, авиационное оборудование и приложения, а также компоненты общего машиностроения.

3. Высокофосфорное электролитическое никелевое покрытие (10-13% фосфора)

• Особенности: Не поддается коррозии в особо кислых или морских средах, имеет более гладкую, латексную поверхность и обладает повышенной пластичностью.
• Твердость: Не такие твердые, как покрытия с низким содержанием фосфора, хотя термическая обработка может увеличить твердость.
• Аксессуар: Оборудование для морской, нефтяной и газовой промышленности, химической обработки.

Применение электролитического никелирования

Электролитическое никелирование популярно во всех отраслях промышленности, поскольку обеспечивает толстое, равномерное покрытие, коррозионную стойкость и защиту от износа. Оно универсально и может применяться во многих инженерных и покрасочных работах.

1. Аэрокосмическая промышленность

• Применение: Для покрытия лопаток турбин, деталей шасси и деталей топливной системы.
• Преимущество: Он способен выдерживать большие перепады температур, минимизировать абразивное воздействие и коррозию под воздействием влаги и авиационного топлива.

2. Автомобильная промышленность

• Применение: Детали двигателя, топливные форсунки и детали тормозной системы.
• Преимущество: Это повышает износостойкость, плавность работы и продлевает срок службы деталей.

3. Электронная промышленность

• Применение:  Печатная плата (PCB), разъемы и жесткие диски.
• Преимущество: Обеспечивает электропроводность, паяемость и устойчивость к окислению.

4. Нефтегазовый сектор

• Приложения: Клапаны, насосы, буровое оборудование и скважинное оборудование.
• Преимущество: Он защищает от истирания, химического воздействия и коррозии в соленой воде.

5. Производство пресс-форм и инструментов

• Применение: Плакетки, пресс-формы для литья под давлением, экструзионные штампы, прецизионная оснастка.
• Преимущество: Улучшает разжим, уменьшает прилипание и продлевает срок службы инструмента.

6. Морское применение

• Применение: Пропеллер, валы, морской крепеж.
• Преимущество: Высокий уровень устойчивости к коррозии в морской воде и биообрастанию.

Процесс электролитического никелирования шаг за шагом

1. Очистка поверхности - После этого деталь тщательно очищается от масла, грязи, смазки и окисления. Это может быть обезжиривание с помощью растворителей, щелочных ванн, ультразвуковой очистки или легкого кислотного травления. Лучший способ добиться хорошей адгезии покрытия - очистить поверхность.
2. Активация поверхности - После очистки деталь погружают в кислотную или каталитическую среду, которая оказывает легкое травящее действие, а также удаляет оставшуюся непрореагировавшую оксидную пленку. На неметаллы можно нанести тонкий слой катализатора, чтобы обеспечить реакцию гальванизации.
3. Гальваническая ванна - При этом материал погружается в ванну с регулируемой температурой (8595C °C) с солями никеля, гипофосфитом натрия (восстановитель), стабилизаторами и комплексообразователями. При постоянном движении концентрация химических веществ остается неизменной.
4. Реакция осаждения - Восстановитель вызывает металлическую реакцию, в результате которой никелевый сплав равномерно ложится на поверхность, покрывает чрезвычайно сложные формы и внутренние оболочки без использования электричества.
5. Ополаскивание и сушка - Ополаскивание означает протирание покрытого компонента в чистой или деионизированной воде, чтобы удалить все невпитавшиеся химические вещества, а сушка компонента осуществляется с помощью теплого воздуха или нагревателей, чтобы не допустить образования пятен или ржавчины на компоненте.
6. Термообработка (опционально) - В случаях, когда требуется высокая износостойкость, плакированная деталь подвергается термообработке при температуре 300-400 о С. Это придает ей твердость, почти как у твердого хрома, и улучшает защиту от коррозии.

Сравнение с никель-хромовым покрытием

Никель-хромовое покрытие - это фактически ступенчатое гальваническое покрытие, т.е. сначала наносится слой никеля, а затем хрома. При этом образуется великолепная зеркальная поверхность, которая очень хорошо противостоит коррозии.

Безэлектродное никелирование, напротив, наносит равномерный никель-фосфорный слой с помощью неэлектрического процесса. Это позволяет металлизировать сложные структуры, углубленные участки и тонкие допуски, которые не могут быть равномерно покрыты при использовании никель-хромового покрытия.

Хотя никель-хромовое покрытие обеспечивает лучшую эстетику, электролитическое никелирование имеет лучшую равномерность толщины, превосходную износостойкость и более широкую совместимость с подложками. Безэлектролитная никелировка широко используется во многих отраслях промышленности на деталях, которые критически важны для работы, а никель-хромовое покрытие применяется для декоративных элементов.

Электролитическое никелирование в сравнении с электролитическим никелированием

Несмотря на то, что оба этих процесса относятся к категории покрытий для никеля, принципы их работы имеют существенные различия:

Таблица сравнений Твердое анодирование

Как уже говорилось, в частности, об алюминиевых деталях, никелирование часто рассматривается как замена твердого анодирования литого алюминия. Тем не менее, при анодировании образуется оксидный слой, а не осадок.

Сравнение с никель-хромовым покрытием

Процесс никель-хромового покрытия представляет собой двухступенчатую гальваническую обработку, где первым слоем является никель для предотвращения коррозии, а вторичным защитным покрытием - тонкий слой хрома.

Влияние на качество покрытия

Существует ряд факторов, которые оказывают непосредственное влияние на качество исполнения, внешний вид и долговечность покрытия из электролитического никеля. Регулирование этих параметров приведет к стабильным результатам и снижению количества дефектов.

• Химия для ванн - Количество солей никеля, гипофосфата натрия, стабилизаторов, рс и комплексообразователей должно быть строго в пределах этого соотношения. Размазывание, неравномерная адгезия, толщина или минимальная устойчивость к коррозии - все это может быть вызвано дисбалансом.
• Контроль температуры -  Ванны для нанесения электролитического покрытия обычно поддерживаются при температуре 85-95 о С. При более низкой температуре осаждение замедляется, а перегрев может вызвать неконтролируемые реакции и сократить срок службы ванны.
• Уровень PH - Уровень PH должен быть слегка кислым при pH от 4,55 до 5,5. Дефекты могут изменить твердость, содержание фосфора и качество покрытия.
• Агитация и циркуляция - Перемешивание обеспечивает полное распределение химикатов и предотвращает появление на поверхности детали участков, обедненных ионами никеля в результате недостаточного перемешивания.
• Подготовка поверхности - Неполная очистка или активация приведет к отслаиванию, образованию волдырей или низкой адгезии. Это особенно важно при нанесении покрытия на алюминий или пластик.
• Возраст и загрязнение ванны - Со временем в ванне образуются побочные продукты, которые снижают эффективность. Частая фильтрация и частичная замена ванны помогают избежать образования твердых отложений и пятен.
• Время нанесения покрытия - Длительное время нанесения покрытия, скорее всего, приведет к образованию слишком толстых слоев, которые будут разрушаться при приложении нагрузки, в то время как слишком короткое время приведет к образованию тонких и хрупких покрытий.

Материалы для электролитического никелирования

Источник никеля

В гальванической ванне присутствует соль никеля, либо сульфат никеля, либо хлорид никеля. Они дают ионы никеля, из которых в результате реакции образуется покрытие.

Редуцирующий агент

Наиболее популярным восстановителем является гипофосфит. Он также восстанавливает ионы никеля до металлического никеля химическим путем, но не требует электричества.

Стабилизаторы

Для того чтобы ванна не разлагалась и не уходила слишком быстро, в нее добавляют совсем немного металлических солей или органических стабилизаторов.

Комплексообразующие агенты

Некоторые из органических кислот включают молочную или лимонную кислоту, используемые для удержания ионов никеля в растворенном состоянии и поддержания надлежащего химического баланса в ванне.

Адаптеры pH

Такие вещества, как слабые кислоты или гидроксид аммония, используются для регулирования pH ванны, чтобы обеспечить стабильное качество покрытия.

Химикаты для подготовки поверхности

Щелочные очистители растворяют масла и жир, а кислотные активаторы растворяют окислы и протравливают металл, чтобы он хорошо сцеплялся с металлом.

Деионизированная вода

Она использовалась для промывки между операциями, чтобы избежать загрязнения минералами обычных источников воды.

Экологические соображения

Хотя электролитическое никелирование, по сравнению с процессами, в которых используются такие опасные вещества, как шестивалентный хром, более безопасно, его все же следует выполнять с жестким экологическим контролем. В гальванической ванне присутствуют соли никеля, гипофосфит натрия и другие соединения, с которыми следует обращаться осторожно, чтобы не допустить загрязнения почвы и воды.

Основными факторами окружающей среды будут:

1. Очистка сточных вод - Соединения никеля и фосфора содержатся в воде и используются в ваннах для нанесения покрытий. С ними следует бороться с помощью химического осаждения, ионного обмена или мембранной фильтрации, а затем утилизировать.
2. Обращение с химикатами и их хранение -Химикаты должны храниться в контейнерах, не подверженных коррозии, и должны быть предусмотрены меры по борьбе с разливами.
3. Качество воздуха - Несмотря на то, что в процессе гальванического покрытия не выделяется большого количества загрязняющих воздух веществ, по сравнению с гальваникой, необходимо обеспечить хорошо проветриваемую среду, чтобы избежать химических испарений.
4. Соблюдение нормативных требований - Кроме того, предприятия следуют экологическим нормам, таким как RoHS (Restriction of Hazardous Substances), и политике управления отходами, принятой в их регионе, чтобы вовремя устранить или свести к минимуму образование любых видов отходов.
5. Зеленые варианты - Современные исследования направлены на производство ванн с биоразлагаемыми стабилизаторами, хлорид-редуцирующими менее токсичными агентами и низким содержанием тяжелых веществ. Применение этих мер помогает промышленным предприятиям получать высококачественную отделку и оказывать меньшее воздействие на окружающую среду. Этот факт является одной из причин, почему электролитическое покрытие является лучшим вариантом по сравнению с другими веществами, такими как никель-хромовое покрытие.

Будущие тенденции в развитии электролитического никелирования

Область электролитического никелирования также будет меняться, потому что промышленности потребуются более высокие эксплуатационные характеристики, более высокий уровень устойчивости и более эффективный процесс. Некоторые основные тенденции определяют будущее:

1. Наноструктурные покрытия - Ведутся работы по созданию никель-фосфорного покрытия с размером зерна, равным нано. Такие покрытия более твердые, износостойкие и эффективно обеспечивают лучшую защиту от коррозии по сравнению с традиционными материалами.
2. Композитные покрытия - Добавление к никелевой основе PTFE, карбида кремния или нитрида бора, а также других материалов позволяет добиться особого эффекта, например, получить самосмазывающиеся, антипригарные поверхности или высокую стойкость к истиранию.
3. Экологически чистые составы для ванн - Разработка ванн для нанесения покрытий с использованием биоразлагаемых стабилизаторов, менее токсичных восстановителей и пониженного уровня тяжелых металлов для удовлетворения очень строгих экологических стандартов.
4. Автоматизация и робототехника - В автоматизированных линиях нанесения покрытий используются роботы, что позволяет повторять качество покрытия, исключить человеческий фактор и повысить производительность оборудования.
5. Технологии селективного покрытия - В настоящее время разрабатываются технологии, которые позволят выборочно наносить покрытие только на те поверхности детали, которые требуют покрытия, что позволит избежать потерь материала и последующей обработки.
6. Гибридная обработка поверхности - Использование других технологий в сочетании с электролитическим никелированием (гальванопокрытием) для получения многофункциональных поверхностей с характеристиками, удовлетворяющими очень специфическим требованиям в высокотехнологичных отраслях промышленности, например, "твердое анодирование литого алюминия" или "никель-хромовое покрытие".

Электролитическое никелирование будет оставаться полезной технологией обработки поверхностей по мере развития инноваций и расширения спектра применения в аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности, возобновляемых источниках энергии и медицинском оборудовании.

Заключение

Безэлектродное никелирование - это высококачественная технология нанесения покрытия, обеспечивающая непревзойденную однородность, защиту от коррозии и износа. В отличие от обычного никелирования, оно не основано на электрическом токе, что позволяет равномерно покрывать сложные формы и внутренние поверхности.

По сравнению с твердым анодированием литого алюминия, по крайней мере, способность электролитического никелирования наносить покрытие на широкий спектр других металлов, помимо алюминия, является отличительной особенностью этого процесса. В то же время, несмотря на то, что продукт никель-хромового покрытия имеет блестящую отделку, но не во всех случаях она может быть такой же равномерной и универсальной, как электролитическое покрытие.

Поскольку строительная отрасль обращается к высокоэффективным покрытиям, эта технология будет играть важную роль в аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности и производстве пресс-форм. Электролитическое никелирование по-прежнему остается одним из самых популярных вариантов благодаря постоянным инновациям, направленным на улучшение эксплуатационных характеристик и соблюдение экологических норм в ближайшие несколько десятилетий.

Вопросы и ответы

1. Что означает электролитическое никелирование?

Термин "электролитическое никелирование" относится к химическому процессу, при котором на поверхность без электричества наносится равномерный слой сплава никель-фосфор или никель-бор. Это повышает коррозионную стойкость, износостойкость и твердость поверхностей.

2. В чем разница между электролитическим никелированием и никель-хромовым покрытием?

В отличие от никель-хромирования, при котором никель и хром осаждаются под действием электричества, электролитическое никелирование является автокаталитическим и обеспечивает гладкое покрытие даже на изделиях неправильной формы и внутри пустот.

3. Поддается ли алюминий электролитическому никелированию?

Возможно. Алюминиевые и даже неметаллические подложки также могут быть покрыты гальваническим покрытием при условии правильной очистки/активации поверхности. Чаще всего оно сочетается с комбинацией твердого анодирования литого под давлением алюминия, поэтому предметы получаются прочными.

4. В чем преимущество термической обработки в случае гальванического покрытия?

Никелевый слой подвергается термообработке для придания ему твердости, износостойкости и защиты от коррозии. В зависимости от содержания фосфора его можно сделать таким же твердым, как промышленный твердый хром.