Никелирование: основы процесса, области применения и сравнения.

Изображение, демонстрирующее никелирование.

Никелирование — это электрохимический процесс, при котором слой никеля осаждается на медь, цинк, сталь или другие подходящие материалы. Как правило, это улучшает внешний вид и эксплуатационные характеристики основного материала. 

Никелирование — ценное решение для инженеров в ключевых отраслях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника. Оно позволяет добиться лучшего внешнего вида и характеристик без использования другого базового материала. Это значительно экономит средства, поскольку базовый материал не обязательно должен быть дорогим. 

При выполнении квалифицированным специалистом никелирование обеспечивает превосходную износостойкость и коррозионную стойкость. Кроме того, оно позволяет изделию соответствовать требованиям рынка по внешнему виду, и всё это по более низкой цене по сравнению с никелированием без покрытия. 

В этом руководстве рассматриваются основы процесса никелирования, используемое оборудование, обслуживаемые отрасли и проводится сравнение с альтернативными технологиями. 

Что такое никелирование?

Никелирование

Никелирование — это процесс электролитического осаждения никеля на другие поверхности. Этот инженерный и декоративный процесс обычно применяется для основных металлов, таких как медь, сталь и цинк. При специальной обработке никелирование также может быть выполнено на пластмассах, магнии и нержавеющей стали. 

Как происходит никелирование?

Процесс никелирования начинается с подготовки подложки. Другие этапы включают активационную обработку, предварительное покрытие, основное покрытие и последующую обработку.  

Подготовка субстрата – Подложка обезжиривается, очищается и подвергается травлению для удаления оксидов. Для достижения однородной поверхности может потребоваться механическая обработка, например, шлифовка. 

Активация лечения – Активационная обработка включает удаление тонкой оксидной пленки, образовавшейся в процессе промывки. Ее основная функция – повышение химической активности. Для медных и стальных подложек используется метод активации кислотным травлением. 

Предварительное покрытие – Предварительное покрытие, также называемое импульсным покрытием, предназначено для предотвращения коррозии во время основного процесса нанесения покрытия. Импульсное покрытие создает очень тонкое покрытие с превосходной адгезией. 

Основная обшивка – Это основа процесса никелирования. Различные типы растворов для никелирования приводят к различным типам никелирования – блестящее никелирование, полублестящее никелирование, матовое никелирование, никелирование по методу Уоттса и так далее. 

Лечение после – После никелирования подложка подвергается промывке, пассивации, сушке и полировке. Эти действия улучшают внешний вид и эксплуатационные характеристики покрытия. 

Каковы функции и преимущества никелирования?

Никелирование широко используется для повышения ценности и улучшения физических свойств изделий. 

Повышение ценности продукции – повышает привлекательность и улучшает внешний вид потребительских товаров и другой продукции. 

Улучшение физических свойств – Он используется для улучшения таких свойств, как износостойкость, коррозионная стойкость и термостойкость. 

Эти функции приносят такие преимущества, как:

• Улучшенный внешний вид
• Качественная основа для дальнейшей покраски или нанесения покрытия.
• Проводящие и магнитные свойства 
• Размерная однородность 
• Экономически эффективная отделка поверхности

Промышленное применение никелированных деталей  

Никелированные детали широко используются в автомобильной, монетной, пластмассовой, аэрокосмической и электронной промышленности. Подробнее об этих областях применения см. ниже.

Никелирование в автомобильной промышленности

Никелирование в автомобильной промышленности обеспечивает столь необходимую термостойкость и коррозионную стойкость. Это тонкое, но надежное покрытие используется на деталях тормозных систем, крепежных элементах и ​​болтах. 

В автомобильной промышленности никелирование применяется, в частности, в стояночных тормозах, гильзах цилиндров, осушительных цилиндрах и гидравлических системах.  

Никелирование для чеканки монет 

В монетной индустрии для изготовления блестящих и привлекательных монет часто используется никелированная сталь. Покрытие повышает прочность монет при низких затратах. Когда монеты становятся непригодными для использования, сталь и никель легко поддаются переработке. 

Никелирование в производстве пластмасс  

Изделия из АБС-пластика (акрилонитрилбутадиенстирола) обычно покрывают никелем для повышения прочности деталей, используемых в электронике, товарах народного потребления, автомобильных деталях и кранах. 

Никелирование в аэрокосмической промышленности  

Это покрытие помогает соответствовать строгим требованиям аэрокосмической отрасли к равномерной толщине, превосходной коррозионной стойкости, непревзойденной долговечности и надежной адгезии. Многие производители аэрокосмической продукции все чаще используют никелевое покрытие для повышения эксплуатационных характеристик и обеспечения безопасности. 

Электронная промышленность и никелирование

Никелирование широко применяется в микропроцессорах, разъемах и электронных схемах. Оно повышает коррозионную стойкость и паяемость. 

Виды методов никелирования

Существует два основных типа никелирования: электролитическое никелирование и химическое никелирование. Каждая из этих категорий включает в себя определенные методы никелирования, как показано в разделе ниже. 

Электролитическое никелирование

-Яркое никелирование

-Сатинированное никелированное покрытие

-Покрытие из черного никеля

Никелирование

Высокофосфорное химическое никелирование

- Химическое никелирование в среде среднего фосфора

-Низкофосфорное химическое никелирование

Никелирование без электролита

Ниже приведена дополнительная сравнительная таблица для электролитического и химического никелирования. 

Что следует учитывать при выборе метода никелирования

Выбор идеального метода никелирования зависит от желаемого внешнего вида и геометрии детали, а также от требований к сопротивлению, необходимому для надежной эксплуатации. 

Внешний вид 

Что касается внешнего вида, компоненты, предназначенные для использования потребителями, лучше всего покрывать блестящим никелем для зеркального блеска. Если вы хотите, чтобы деталь скрывала отпечатки пальцев и царапины, хорошим выбором будет матовая поверхность. 

Геометрия детали

Для сложных деталей со глухими отверстиями лучше использовать метод химического никелирования, поскольку он не зависит от протекания тока. Плотность тока при электролитическом никелировании концентрируется на кромках, поэтому на сложных деталях может образовываться неравномерное покрытие. 

Гальванически осажденная сложная деталь

Требования к сопротивлению 

Детали с высоким содержанием фосфора, покрытые методом химического никелирования, демонстрируют наилучшие характеристики в агрессивных средах, в том числе в морской среде. Марки с низким содержанием фосфора могут быть менее устойчивыми, но они более твердые. 

Никелирование различных металлов

Никелирование алюминия, латуни, стали, меди, цинка и других конструкционных металлов является распространенной практикой. 

Оборудование, используемое при никелировании.

Основное оборудование для никелирования включает анод, катод, источник постоянного тока и гальваническую ванну. Также используются нагревательные элементы, системы перемешивания, средства защиты и химические ванны. 

Установка для никелирования

Анод и катод – Эти клеммы проводят необходимый постоянный ток для электролитического осаждения. Никелевый анод подает ионы никеля. 

Источник питания постоянного тока – Это электрический ток, используемый для электрохимического осаждения. 

Гальваническая ванна – Это резервуар с химической ванной. В нем находится деталь во время нанесения покрытия. 

Нагревательные компоненты – Эти компоненты обеспечивают протекание процесса при оптимальной температуре. 

Системы перемешивания – Эти системы обеспечивают циркуляцию химического раствора, гарантируя равномерное и гладкое никелирование. 

Оборудование для обеспечения безопасности – Они защищают оператора от опасных паров и химических веществ, связанных с процессом гальванического покрытия.  

Химические ванны – Это растворы для никелирования, содержащие такие химические вещества, как соли никеля и борная кислота. 

Ванна для никелирования

Каковы основные параметры никелирования?  

В процессе нанесения покрытия существует шесть основных переменных: сила тока, перемешивание, уровень pH, температура, толщина покрытия и состав ванны. 

Текущий – Плотность тока должна быть сбалансирована на уровне 2–7 А/дм².

Агитация – Раствор для ванны должен быть прозрачным и однородным. 

уровень рН – Уровень pH должен находиться в пределах установленных границ – 3.5 – 4.5. 

Температура Рекомендуемая температура для большинства ванн составляет 40-60°C, что основано на формуле Уоттса, разработанной профессором Оливером П. Уоттсом в 1916 году.2]

Толщина покрытия – Это зависит от интенсивности применения. Категории толщины покрытия функционально подразделяются следующим образом:

• Декоративный никель – Светлое покрытие, наносимое в качестве грунтовки или самостоятельно на предметы роскоши и сантехническое оборудование.
• Защита от коррозии – Покрытие образует прочный пассивный оксидный барьер равномерной толщины, обеспечивающий защиту от коррозии. 
• Инженерные/износостойкие покрытия (от 5 мкм до 125 мкм и более) – Коррозионно- и износостойкое покрытие, способное восстанавливать размеры.2]

Состав для ванны – Рассеивающая способность и проводимость никелевого покрытия зависят от соотношения борной кислоты (30–45 г/л), сульфата никеля (240–300 г/л) и хлорида никеля (30–90 г/л).2]  

Какие химические вещества используются при никелировании?   

К основным типам химических веществ, используемых при никелировании, относятся сульфат никеля, хлорид никеля, борная кислота и комплексообразующие агенты.  

Сравнение никелирования с другими процессами обработки металлов.

Никелирование часто сравнивают с другими процессами отделки, включая хромирование, цинкование, золочение и анодирование. Выбор между никелированием и этими вариантами зависит от таких факторов, как твердость, метод коррозии, износостойкость, стоимость и совместимость с материалами.

Никелирование против хромирования 

Хотя хромирование обходится дороже, оно более твердое и износостойкое. Контролируемый характер шестивалентного хрома также означает, что использование этого покрытия находится под более строгим контролем регулирующих органов. 

Детали с хромированным покрытием

Никелирование против цинкования 

Основное различие заключается в механизме коррозии. В случае никелевого покрытия оно служит барьером, тогда как цинковое покрытие вызывает жертвенную коррозию. Цинковое покрытие дешевле, чем цинковое. 

Никелирование против золочения

Золотое покрытие известно своей превосходной стойкостью к окислению и проводимостью. Однако его высокая стоимость означает, что большинство производителей могут использовать его только для контактных поверхностей. Обычно сначала наносится никель, чтобы создать барьер и продлить срок службы золота. 

Позолоченные контактные штыри

Никелирование против анодирования 

Никелирование — универсальный метод, позволяющий работать с широким спектром черных и цветных металлов. Анодирование возможно только для алюминия и некоторых цветных металлов. Еще одно важное отличие — электрическая проводимость никелевого покрытия. Если деталь требует проводимости, анодирование избегается, поскольку оно является изолятором. 

Черный анодированный алюминий

Более подробная информация об этих сравнениях представлена ​​в таблице ниже.

Проблемы никелирования

Помимо положительных сторон, никелирование сопряжено с такими проблемами, как сложная подготовка поверхности, поддержание ее состава, а также вопросы охраны здоровья и окружающей среды. 

Подготовка поверхности – Невозможно исправить беспорядок, который возникает после нанесения покрытия на поверхность, на которой остались следы. 

Поддержание состава – Концентрация и уровни компонентов меняются со временем, поэтому необходимо проводить непрерывное тестирование. 

Проблемы здравоохранения и окружающей среды – Дым, сточные воды и сульфат никеля должны обрабатываться и утилизироваться в соответствии с действующими производственными и экологическими стандартами.2]

Как ухаживать за никелированными поверхностями?

Никелированные компоненты сохраняют свои рабочие характеристики и внешний вид при регулярной чистке и защите от чистящих средств на основе аммиака и абразивных материалов. 

Контроль качества при никелировании

Для того чтобы никелированная деталь соответствовала техническим требованиям, необходимо провести четыре основных проверки качества: визуальный и оптический осмотр, испытание на коррозионную стойкость, испытание на адгезию и измерение толщины покрытия.

Никелирование по стандарту ISO

Существует несколько стандартов, регулирующих никелирование, в том числе ISO 4527 (или ASTM B733) для химического никелирования, ISO 1456 для декоративного электролитического никелирования, ISO 4525 для никелирования пластмасс и ISO 4526 для электролитического никелирования инженерного класса. 

Руководство по выбору материалов для никелирования 

Пять последовательных этапов выбора никелированного покрытия включают тип покрытия, основной материал, детали слоев, термообработку и финишную обработку:

Шаг 1: Выберите тип никелирования

• безэлектродный: сложный, точный, коррозионностойкий. Стандартным образцом является ISO 4527 или ASTM B733. 
• ГальваническиеЭкономически выгодный/большие объемы, декоративный. Стандарт соответствия: ISO 1458.
• Перед тем как выбрать тип никелирования, необходимо уточнить бюджет и требования к производительности.

Шаг 2: Определение основного материала

Требования к адгезии и предварительной обработке зависят от основного материала. Необходимо указать как тип материала, так и точное обозначение сплава. 

• Тип материала, обозначение сплава

Шаг 3: При необходимости укажите подробные характеристики слоя.

Здесь важны две переменные: содержание фосфора (при бесконтактном электролизе) и желаемая толщина. 

• Уровни содержания фосфора – это низкий уровень фосфора (от 1% до 3%), средний уровень фосфора (от 5% до 9%) и высокий уровень фосфора (более 10%).1)
• Толщина покрытия – более тонкие слои используются в декоративных целях, а более толстые – в условиях коррозии или интенсивного износа. Минимальная толщина для каждого уровня покрытия составляет: 
  • SC1 – 5 мкм
  • SC2 – 13 мкм
  • SC3 – 25 мкм
  • SC4 – 75 мкм (1)

Шаг 4: Укажите тип термообработки. 

Две основные цели термической обработки при никелировании — это упрочнение и дегидрирование. 

Закаливание – Это делается после нанесения покрытия для существенного повышения твердости при химическом никелировании.

дегидрогенизация – Термическая обработка, также называемая обжигом, минимизирует риск водородного охрупчивания.  

Следует отметить, что этап термообработки можно пропустить, если риск водородного охрупчивания минимален и деталь не является конструкционной. 

Шаг 5: Другие соображения 

Существует также еще один набор факторов, касающихся внешнего вида и допусков по толщине. В частности, это отделка, точки контакта с подставкой и допуски по толщине покрытия. 

• Отделка – светлая, полусветлая или матовая
• Точки контакта стойки
• Допуск на толщину покрытия

В заключение 

Никелирование — это ценный процесс, позволяющий повысить износостойкость, коррозионную стойкость и улучшить внешний вид компонентов в различных отраслях промышленности, включая электронику, автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность. 

Этот процесс давно используется в этих отраслях, обеспечивая экономически эффективные и адаптируемые результаты. Лучшие поставщики услуг по нанесению покрытий могут адаптировать никелирование в соответствии со спецификой вашего заказа. 

Независимо от того, улучшаете ли вы внешний вид продукции, завершаете ли производство крепежных изделий или повышаете эксплуатационные характеристики прецизионных деталей аэрокосмической отрасли, для никелирования необходимы правильное оборудование, процесс и химический состав. 

С помощью наших лучших услуги никелированияБлагодаря этому вы сможете быстрее получить желаемые результаты по доступной цене. Отправьте нам проектную документацию, и мы подготовим для вас индивидуальное ценовое предложение. Вы также можете связаться с нашей инженерной командой для более подробного обсуждения технических характеристик проекта.  

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Какова стоимость никелирования?

Стоимость никелирования зависит от геометрии детали, ее размера, метода нанесения покрытия, объема и желаемой толщины покрытия. Более жесткие требования к контролю параметров ванны при химическом никелировании делают этот процесс, как правило, более дорогим, чем электролитическое никелирование. 

Подходит ли медь для химического никелирования?

Да, медь можно покрыть химическим никелем. Для этого необходима соответствующая активация и очистка поверхности. 

Никель дороже хрома?

Нет, хромирование дороже никелирования. Этот процесс не только дороже, но и требует более высоких затрат на соблюдение нормативных требований. Следует отметить, что высокое содержание фосфора может значительно увеличить стоимость никелирования, почти до уровня хромирования. 

Ресурсы 

[1]https://store.astm.org/b0733-22.html

[2]https://nickelinstitute.org/media/lxxh1zwr/2023-nickelplatinghandbooka5_printablepdf.pdf