Никелирование: методы и доступные материалы

Что это такое? Никелирование – процесс покрытия заготовки никелем, который защитит от воздействия внешней среды. Технология представлена двумя методами: химическим и гальваническим.

На что обратить внимание? Не каждый материал пригоден для никелирования – нанести покрытие не получится на свинец, олово, кадмий. Однако на сталь, медь, алюминий и титан никель ложится без проблем.

Суть технологии никелирования

В современной промышленности широко применяется нанесение никелевого покрытия на различные детали и конструктивные элементы из стальных сплавов и цветного металла. Никелирование позволяет добиться повышенной коррозионной стойкости, защиты от изнашивания, влагостойкости и устойчивости к воздействию агрессивных химических сред.

Никелированная поверхность приобретает высокую твердость, стойкость к окислению и отражательную способность.

Формируемое при никелировании защитное покрытие может иметь толщину от 0,8 до 55 микрон. Метод применяется для защиты:

• металлоконструкций, эксплуатация которых предусматривает воздействие неблагоприятных атмосферных условий;
• кузовных деталей автомобилей;
• деталей медицинских инструментов и оборудования;
• стальных или алюминиевых ограждений и опорных конструкций;
• металлических изделий, которые эксплуатируются в кислотной или щелочной среде.

Технология никелирования позволяет формировать матовые, глянцевые и черные защитные и декоративные покрытия.

Никелированию, которое представляет собой формирование тонкого защитного покрытия на поверхности деталей, не поддаются кадмий, свинец, олово, висмут и сурьма.

Гальваническое никелирование

При гальваническом никелировании для осаждения частичек, формирующих покрытие, используется электрический ток.

Среди преимуществ электрохимического никелирования специалисты выделяют:

• простоту метода – из-за этого он широко применяется для создания антикоррозионных покрытий на крупных производствах и в условиях домашних мастерских;
• экономичность, обусловленную тем, что никелирование не требует дорогого оборудования и сырья;
• отличное качество наносимых покрытий, высокая прочность которых позволяет надежно защитить поверхность от коррозии и повреждающих воздействий окружающей среды;
• эстетичность – никелевое покрытие делает поверхности гладкими и блестящими.

Никелирование металла позволяет создавать не только надежные, красивые, но и практичные покрытия, за которыми очень просто ухаживать – поверхность нужно просто периодически протирать мягкой ветошью.

Технология электрохимического никелирования имеет ряд недостатков:

• максимальный размер обрабатываемых изделий ограничен размерами ванны для никелирования;
• габариты технологического оборудования не позволяют никелировать стационарно закрепленные детали без их демонтажа;
• малая толщина никелирования (не больше 40 мкм).

Процесс гальванического никелирования вне зависимости от размеров обрабатываемых изделий выполняется в несколько определенных этапов, первый из которых – подготовка поверхности к нанесению покрытия. Существует несколько способов предварительной обработки:

• Механическая очистка – для подготовки поверхности лучше всего использовать пескоструйную обработку.
• Шлифовка – выполняется для выравнивания поверхности и улучшения сцепления защитного слоя с металлом.
• Обезжиривание – для удаления жира применяются растворители, а обработанные детали промывают проточной водой и сушат.
• Омеднение – необязательный вид обработки, который выравнивает поверхность и повышает адгезию защитного покрытия к металлу заготовок.
• Никелирование – обрабатываемые детали помещаются в ванну с никелевыми электродами и электролитическим раствором, в состав которого входят сульфаты никеля, магния, натрия, поваренная соль и борная кислота. Заготовки не должны касаться стенок и дна емкости. Напряжение рабочего тока достигает 6 В. Время никелирования составляет примерно 40 минут. После извлечения из раствора изделия промываются и высушиваются.

Химическое никелирование

Этот способ нанесения защитных покрытий применяют для деталей сложной конфигурации, так как он обеспечивает равномерное осаждение металла даже внутри отверстий малого диаметра. Такая обработка позволяет формировать на поверхности изделий устойчивый к изнашиванию никелевый слой, что особенно важно при выпуске деталей, которые в ходе эксплуатации взаимодействуют друг с другом без смазки. Также метод широко применяется при изготовлении различных элементов декора.

Термическая обработка, широко применяемая на промышленных производствах, повышает твердость никеля, нанесенного химическим осаждением. По сцеплению с поверхностью деталей никель-фосфорные осадки существенно опережают электролитический. Толщину слоя можно регулировать с точностью до около 10 %.

Конкретная производительность определяется составом рабочего раствора. Обработка может осуществляться с погружением в непроточные или проточные жидкости:

• В первом случае используются емкости со сменными чехлами из химически устойчивого пластика.
• Во втором – постоянная концентрация компонентов в растворе обеспечивается за счет использования замкнутого технологического цикла.

Жидкость циркулирует по цепочке: реактор – теплообменник – очистка – корректировочная емкость – реактор. Преимущество такой схемы состоит в равномерном осаждении никеля, снижении затратности и повышении производительности.

Пример никелирования некоторых металлов

Никелирование алюминиевых заготовок

Подготовка поверхности начинается с двукратного цинкования, что позволяет повысить прочность и плотность материала, а значит, обеспечить равномерность никелирования. Для нанесения цинкового покрытия необходимо:

• подготовить смесь, растворив в 1 л воды 250 г каустической соды и от 50 до 60 г оксида цинка (оптимальный диапазон температуры – от +18 до +20 градусов по Цельсию);
• погрузить обрабатываемое изделие в емкость с раствором примерно на 5 секунд (при большей выдержке возможно химическое повреждение), смесь оставить для повторной обработки;
• для равномерного распределения цинка обрабатываемую поверхность следует протравить 15%-ным раствором азотной кислоты;
• повторить цинкование, а затем промыть изделие горячей водой.

Никелирование можно выполнять, используя раствор, приготовленный по одной из приведенных ниже рецептур:

• Рецепт № 1. Растворите в 1 л воды, нагретой до температуры от +80 до +90 градусов по Цельсию, 20 г хлористого натрия, 40 г лимоннокислого натрия, 50 г аммония на основе хлора, 50 мл аммиака. После тщательного перемешивания в полученный однородный раствор добавляют 25 г гипофосфита натрия.
• Рецепт № 2. Растворите в 1 л воды, нагретой до + 95 градусов по Цельсию, 25 г уксуснокислого никеля и 20 г аминоуксусной кислоты. В тщательно перемешанный однородный раствор добавьте 30 г гипофосфита натрия.

Далее подвешенную на проволоке оцинкованную алюминиевую заготовку нужно опустить в емкость с раствором, приготовленным по одному из указанных рецептов, на 70–80 % таким образом, чтобы она не контактировала со стенками и дном. Затем рабочую жидкость необходимо нагреть до температуры от +350 до +380 градусов по Цельсию. Рекомендуемое время выдержки – 60 минут.

Процесс никелирования можно ускорить, повысив температуру раствора до +500 градусов по Цельсию. Однако при таком нагревании возникает риск появления на обрабатываемой поверхности желто-рыжих или фиолетовых пятен, которые крайне сложно удаляются, поэтому опытные мастера стараются избегать избыточного нагрева. После нанесения защитного никелевого слоя изделия следует обработать минеральным машинным маслом:

• разогреть на огне емкость с минеральным маслом, доведя его температуру до +250 градусов по Цельсию;
• обрабатываемое изделие извлечь из емкости с электролитным раствором и сразу же погрузить в масло;
• после выдержки в течение 60 минут достать обрабатываемую деталь из емкости с минеральным маслом, промыть теплой водой и обезжирить.

Никелирование медных и латунных деталей

Обычно используют стандартную схему никелирования меди и латуни. Однако имеются и небольшие различия. На первом этапе поверхность заготовок необходимо очистить от загрязнений, отполировать и обезжирить. Для удаления остатков грязи и оксидной пленки используется серная или соляная кислота. Далее детали промываются в теплой воде и вывешиваются на металлическую проволоку.

Для подвешивания заготовок из меди или латуни можно использовать только стальную или алюминиевую проволоку без изоляции иначе технические особенности материала обрабатываемых деталей могут сыграть злую шутку и процесс не пойдет. Дело в крайне высокой электропроводности этого металла. Без контакта со сталью или алюминием сцепление частичек никеля с поверхностью будет слишком низким.

При никелировании медных или латунных заготовок пользуются раствором, приготовленным по одному из приведенных ниже рецептов:

• Рецепт № 1. На 1 л воды: 50 г хлористого никеля, 55 г аммония на основе хлора, 50 г лимоннокислого натрия и 20 г гипофосфита натрия.
• Рецепт № 2. На 1 л воды: 30 г сернокислого никеля, 15 г уксуснокислого натрия, 10 г гипофосфита натрия.

Для приготовления рабочей жидкости необходимо развести в воде все ингредиенты (за исключением гипофосфита натрия) и тщательно перемешать. Затем в полученный однородный раствор, разогретый до температуры от +85 до +90 градусов по Цельсию, нужно добавить гипофосфит натрия. Далее следует выполнить никелирование, для чего поместить подвешенные на проволоке детали в емкость с раствором на 70–80 %, довести температуру до +350 градусов по Цельсию. Рекомендованное время выдержки составляет не более 60 минут.

В отличие от алюминиевых заготовок, медные или латунные можно не обрабатывать минеральным маслом. Достаточно просто извлечь их из емкости с рабочим раствором, промыть в теплой воде и тщательно обезжирить. Если на стенках ванны, в которой выполнялось никелирование, осаждается небольшое количество никеля, удалить его можно, протерев емкость концентрированным раствором азотной кислоты.

Никелирование деталей из стальных сплавов

В современной промышленности широко применяется никелирование стали и чугуна. Этот технологический процесс имеет отличия, обусловленные физико-химическими свойствами железосодержащих сплавов. Главная особенность – рекомендованное двукратное нанесение покрытия одним и тем же способом.

Дело в том, что полученный одноразовой обработкой никелевый слой может растрескиваться – часто это происходит в течение нескольких месяцев эксплуатации изделий. Никелирование выполняется по стандартной схеме. После очистки и полировки поверхность декапируется серной или соляной кислотой, а затем детали подвешиваются на металлической проволоке.

Раствор для никелирования стали готовится по одной из приведенных ниже рецептур:

• Рецепт № 1. Растворите в 1 л воды, нагретой до +90 градусов по Цельсию, 30 г хлористого никеля, 50 мл 25%-ного аммиака, 100 г лимоннокислого натрия. После тщательного перемешивания в полученный однородный раствор добавьте 10 г гипофосфита натрия.
• Рецепт № 2. Растворите в 1 л воды, нагретой до +95 градусов по Цельсию, 30 г хлористого никеля, 50 г гликолята натрия. В тщательно перемешанный однородный раствор добавьте 10 г гипофосфита натрия.

Важно помнить, что при никелировании стальных деталей категорически нельзя допускать нагревания металла до температуры отпуска – это может стать причиной растрескивания и повреждения материала заготовок. Сам процесс никелирования – стандартный. После того как подвешенные на проволоке изделия помещены в емкость с рабочей жидкостью, последнюю разогревают до требуемой температуры (не больше температуры отпуска и не выше +350 градусов по Цельсию). Рекомендованное время выдержки – от 60 до 120 минут (чем выше температура, тем меньше время выдержки). Затем следует провести обработку повторно по такой же схеме.

Часто задаваемые вопросы о никелировании

В каких случаях необходима термообработка?

Обрабатываемые детали подвергаются термической обработке, когда требуется придать покрытию износостойкость и повысить его твердость. Под действием высокой температуры выпадает никельфосфорный осадок и формируется новое химическое соединение, которое делает защитное покрытие более твердым и прочным.

На каком оборудовании следует выполнять никелирование металлических деталей?

Данный технологический процесс не требует использования сложных и дорогостоящих агрегатов или материалов. В условиях домашней мастерской для нанесения никелевого покрытия на поверхность заготовок вполне подойдет стальная эмалированная ванна или посуда нужного объема и размеров.

В промышленных установках для нанесения никелевого слоя химическим методом применяются сменные чехлы из химически стойких полимерных материалов, благодаря которым отпадает необходимость защищать стенки и дно ванн специальными покрытиями. Входящие в конструкцию таких агрегатов корзины и подвески, которые изготавливаются из углеродистых стальных сплавов, существенно упрощают обработку мелких деталей.

Каковы главные недостатки технологии никелирования?

Среди минусов этого технологического процесса специалисты выделяют:

• Применение химических реагентов, опасных для здоровья людей. Сам никель – канцероген. Важно понимать, что, несмотря на опасность технологии для работников, выполняющих обработку, сами изделия с никелевым покрытием совершенно безвредны.
• Вред, который может наноситься окружающей среде. Токсичность химикатов, которые используются для приготовления рабочих жидкостей и обработки поверхности заготовок при несоблюдении специальных мер могут оказывать негативное влияние на экологию.
• Относительная дороговизна. Для крупных промышленных предприятий технология никелирования металлических деталей экономически эффективна, а вот для мелких производств и частных мастеров высокая стоимость расходных материалов может представлять проблему.

Никелирование – универсальная и экономически эффективная технология нанесения защитных и декоративных покрытий, которые отличаются высокой коррозионной стойкостью, долговечностью и эстетической привлекательностью. Однако при использовании данного метода (как в промышленности, так и в домашних мастерских) важно учитывать его потенциальный вред для здоровья и окружающей среды.