Что такое химическое никелирование?

Химическое никелирование — это процесс осаждения, при котором используется восстановление гипофосфитом для формирования покрытия из сплава никеля и фосфора, обеспечивающего улучшенные эксплуатационные характеристики. В данной статье представлен полный технический обзор этого метода обработки поверхности.

Обзор химического осаждения

Химическое покрытие — это передовой процесс обработки поверхности металла. В отличие от гальванопокрытие, который использует внешний источник питания для восстановления и осаждения ионов металла на катоде (заготовке), химическое осаждение использует самоподдерживающуюся химическую реакцию восстановления в гальванической ванне для обеспечения необходимых электронов для восстановления ионов металла.

Процесс химического никелирования

Химическое никелирование включает восстановление и осаждение ионов никеля на каталитически активную поверхность подложки с помощью восстановителя. Наиболее распространённым восстановителем является гипофосфит-ион. Восстановитель восстанавливает соль никеля до металлического никеля, одновременно внедряя определённое количество фосфора в осаждённый слой металла. Осаждённая никелевая плёнка обладает автокаталитическими свойствами, что позволяет реакции протекать самопроизвольно.

Существует множество теорий, описывающих механизм реакции химического осаждения, включая теорию атомарного водорода, теорию гидридного переноса, электрохимическую теорию и теорию координации гидроксильных ионов никеля. Наиболее распространённая теория – теория атомарного водорода – используется для иллюстрации фундаментального принципа:

№ 1. Генерация водорода. При нагревании ион гипофосфита (восстановитель) подвергается каталитической дегидрогенизации в водном растворе с образованием ионов фосфита и выделением атомарного водорода.

H₂PO₂^– + H₂О → НРО₃²⁺ + H⁺ +2[Н]

№ 2. Восстановление никеля. Атомарный водород адсорбируется на каталитически активной поверхности металла, активируя её. Эта активированная поверхность затем способствует восстановлению катионов никеля (Ni²⁺) из электролита, осаждая металлический никель.

Ni²⁺ + 2[H] → Ni + 2H⁺

№ 3. Соосаждение фосфора. По мере дальнейшего разложения ионы фосфита восстанавливаются до фосфора.

H₂PO₂^– + [Н] → Н₂О + ОН^– + Р

№ 4. Формирование сплава. Атомы никеля и фосфора осаждаются совместно, образуя сплав никель-фосфор (Ni-P).

Таким образом, фундаментальный механизм химического никелирования заключается в совместном осаждении никеля посредством ионного восстановления и включения атомов фосфора, образующихся при разложении гипофосфита. Образующийся осадок представляет собой пересыщенный твердый раствор никеля и фосфора, часто называемый просто никель-фосфорным (Ni-P) покрытием.

Материал, используемый при химическом никелировании

Основные компоненты, из которых состоит типичная ванна для химического никелирования, включают в себя:

• Основная соль (источник никеля). В первую очередь, это соль никеля (например, сульфат никеля), используемая для получения ионов никеля для процесса гальванизации.
• Восстановитель. Соль, содержащая два или более активных атома водорода (чаще всего гипофосфит), которая инициирует реакцию восстановления посредством каталитического дегидрирования.
• Комплексообразующие агенты: обычно гидроксикарбоновые кислоты (например, молочная кислота, яблочная кислота, аминокислоты). Эти агенты повышают стабильность электролита, увеличивают скорость осаждения и улучшают качество осадка.
• Стабилизаторы. Компоненты, добавляемые для предотвращения спонтанного разложения электролитической ванны. Они обеспечивают контролируемое и упорядоченное протекание реакции, предотвращая неконтролируемый или чрезмерный распад, который может негативно сказаться на сроке службы ванны и качестве покрытия.
• Ускорители. Используются для увеличения скорости химического осаждения.
• Буферы: используются для стабилизации скорости осаждения с течением времени, обеспечивая стабильное качество пленки.
• Поверхностно-активные вещества (смачивающие агенты). Небольшие добавки способствуют выделению водорода, образующегося в ходе реакции, тем самым уменьшая пористость пленки и улучшая общее качество покрытия.

Свойства химического никелирования

Внешний вид

Химически никелевые плёнки обычно имеют блестящий, полублестящий или слегка желтоватый оттенок. Содержание фосфора влияет на конечный цвет и блеск, начальную шероховатость подложки, толщину плёнки, скорость осаждения и конкретные параметры процесса гальванизации.

Механические свойства

Покрытие, полученное методом химического никелирования, обычно классифицируется как хрупкое. Обладая высокой прочностью на разрыв, оно обладает низким модулем упругости и минимальной пластичностью. Такое механическое поведение обусловлено аморфной или микрокристаллической структурой покрытия, которая эффективно препятствует пластической деформации. Прочность на разрыв увеличивается с увеличением содержания фосфора; например, покрытие Ni-P с содержанием фосфора от 1% до 3% может иметь прочность на разрыв от 150 до 200 МПа, тогда как покрытие с высоким содержанием фосфора от 10% до 12% может достигать 650–900 МПа. Однако соответствующее удлинение обычно остаётся менее 1%.

Коррозионная стойкость

Отличная коррозионная стойкость химического никеля является основной причиной его широкого промышленного применения. Ключевыми факторами, обеспечивающими стойкость, являются толщина и целостность плёнки. Исследования показывают, что слой Ni-P с содержанием фосфора около 11% обеспечивает оптимальную коррозионную стойкость при толщине 30 мкм. Исследования показывают, что более высокое содержание фосфора, как правило, коррелирует с лучшей кислотостойкостью, поскольку пассивирующая плёнка, образующаяся в кислых средах, представляет собой прочный слой фосфида металла.

Важно отметить, что только полное, неповреждённое покрытие обеспечивает превосходную коррозионную стойкость. Если покрытие локально повреждено или нарушено, коррозия подложки ускоряется. Это происходит, поскольку покрытие Ni-P является катодным (более инертным) по сравнению со стальной подложкой. При повреждении покрытия образуется электрохимическая ячейка, и основной металл (анод) подвергается преимущественной и быстрой коррозии.

Твердость

Покрытие, полученное методом химического никелирования, представляет собой пересыщенный твердый раствор, характеризующийся высокой степенью искажения кристаллической решетки. Увеличение содержания фосфора способствует измельчению зерна, что обуславливает изначально высокую твердость пленки. Последующая термообработка вызывает диффузию и осаждение фосфидных фаз в покрытии. Это фазовое превращение может значительно повысить твердость покрытия, при этом твердость дисперсионно-твердеющих пленок часто достигает 1100 HV.

Износостойкость

Благодаря высокой достигаемой твёрдости, покрытие Ni-P обладает превосходной износостойкостью по сравнению с чистым электроосаждённым никелем. Этот профиль характеристик обуславливает широкое применение этого процесса в аэрокосмической, химической, нефтегазовой, горнодобывающей и военной технике. Для применений, требующих как износостойкости, так и коррозионной стойкости, таких как насосы и импеллеры, могут быть рекомендованы покрытия толщиной более 75 мкм. Высокофосфорные покрытия толщиной от 25 до 75 мкм обычно используются на таких деталях, как шламовые и нефтяные насосы, для решения проблем, связанных с комбинированным износом и коррозией.

Применение химического никелирования

Аэрокосмическая промышленность и авиация

Аэрокосмическая отрасль является одним из наиболее активных потребителей. Одним из наиболее заметных применений является ремонт и капитальный ремонт рабочих колес реактивных двигателей. Например, технология химического никелирования с высоким содержанием фосфора используется для восстановления рабочих колес некоторых моделей реактивных двигателей (например, серии 778D в США) для обеспечения их безопасного повторного использования в лётной эксплуатации.

Чтобы минимизировать вес, аэрокосмическая промышленность активно использует алюминиевые сплавыПосле химического никелирования и последующей поверхностной закалки эти алюминиевые детали приобретают повышенную коррозионную стойкость и износостойкость, сохраняя свариваемость. Кроме того, химическое никелирование используется в космических системах для изготовления прецизионных металлических зеркал. В качестве подложки используется высокопрочный и лёгкий алюминий, а на поверхность наносится специально разработанное химическое никелевое покрытие с высоким содержанием фосфора (12.2–12.7% фосфора) и полируется для достижения зеркальной чистоты поверхности, соответствующей уровню 9А.

Автомобильная

В автомобильной промышленности для защиты критически важных компонентов используется химическое никелирование, часто заменяющее устаревшие процессы. Стандартная отраслевая практика предполагает использование химического никелирования для защиты цинка. литье под давлением, например, карбюраторов, от коррозии. Химическое никелирование — стандартный метод защиты поверхности систем подачи топлива, включая карбюраторы и топливные насосы. Равномерность слоя химического никелирования особенно важна для деталей сложной геометрии, таких как шестерни и топливные форсунки, где традиционное гальваническое покрытие не позволяет добиться равномерной толщины.

Поставщик

В химической промышленности химическое никелирование часто используется как экономичная альтернатива дорогостоящим коррозионно-стойким сплавам. Это позволяет повысить чистоту химической продукции, снизить воздействие на окружающую среду, а также повысить эксплуатационную безопасность и надежность транспортировки, обеспечивая конкурентное экономическое преимущество. Химическое никелирование широко применяется для защиты внутренних поверхностей корпусов крупногабаритных реакторов от агрессивного химического воздействия.

О Getzshape

Компания Getzshape — опытный производитель металлических и пластиковых деталей, обработанных на станках с ЧПУ. Мы предлагаем такие виды обработки поверхности, как химическое никелирование, хромирование, цинкование и другие. Если вы ищете производителя, предлагающего как механическую обработку, так и постобработку, свяжитесь с нами.