Значок сайта Алюдекастинг

Электролитическое никелирование алюминия: Исчерпывающее руководство

Стив Янг
Алюминиевое покрытие без электролитического никелирования

Алюминий довольно часто используется в различных отраслях промышленности благодаря своим преимуществам - легкости, устойчивости к коррозии и прочности. Однако его поверхность реактивна, и в некоторых случаях ему может не хватать износостойкости или твердости для выполнения некоторых задач в промышленности. Именно здесь и возникает термин "электролитическое никелирование алюминия" - процедура обработки поверхности, которая значительно улучшает эксплуатационные свойства алюминия.

В статье рассматриваются наука, преимущества, методы и проблемы процесса электролитического никелирования алюминия, научная основа этого процесса, преимущества процесса, методы, используемые в процессе, и промышленное применение процесса. Для профессионала-производственника, которому необходимо знать, как эффективно никелировать алюминий, или, может быть, любопытного инженера, существует большой эффект долговечности и производительности продукта, просто потому, что вы знаете, как это сделать.

Что такое электролитическое никелирование?

Безэлектродное никелирование - это метод химической обработки, при котором никель-фосфорный сплав или никель-бор осаждаются на поверхность без применения внешнего электрического тока. По сравнению с традиционным гальваническим покрытием, это происходит в результате поддерживаемой химической реакции, что позволяет получить ровное и устойчивое покрытие, независимо от геометрии или формы детали.

Применяемый к алюминию, продукт входит в состав так называемого никелированного алюминия, обладающего всеми повышенными показателями: износостойкостью, твердостью и коррозионной стойкостью. Благодаря надежности и универсальности технология получила широкое распространение в автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности, а также в электротехнике.

Какова причина использования электролитического никелирования алюминия?

Алюминий склонен к образованию оксидной пленки на своей поверхности, и это может препятствовать точному нанесению покрытия на материалы. Однако с помощью ряда процессов предварительной обработки и активации можно добиться того, что алюминий станет кандидатом, подходящим для осаждения никеля в процессе электролитического покрытия.

Ниже перечислены преимущества использования электролитического никелирования алюминия:

Промышленные предприятия, заинтересованные в процессе никелирования алюминия, обычно используют электролитические процессы из-за их стабильности и предсказуемости.

Процесс нанесения никелевого покрытия на алюминий

Никелирование алюминия - это процесс химического осаждения, который требует точной подготовки поверхности и хорошо отрегулированной химии для обеспечения долговечного никелевого покрытия. Алюминий естественным образом создает пассивирующее оксидное покрытие, поэтому необходимо обеспечить правильную адгезию никелевого покрытия. Вот последовательность шагов, которые необходимо выполнить:

1. Очистка и обезжиривание

Алюминиевый компонент промывается с помощью ткани, чтобы удалить масла, пыль и другие загрязнения. Обычно это достигается с помощью щелочных очистителей или ультразвуковой системы очистки. Поверхность должна быть чистым металлом, на ней не должно быть никаких остатков, так как это может нарушить адгезию покрытия.

2. Поверхность вытравлена

Деталь, на которую наносится покрытие, может быть обезжирена, а затем протравлена в щелочном растворе (например, гидроксида натрия). При этом удаляется естественно образовавшийся слой оксида алюминия, а также остается слегка шероховатая поверхность, что обеспечивает превосходное механическое сцепление никеля.

3. Десмуттинг

При травлении могут оставаться неметаллические остатки [оксиды и интерметаллиды], иначе называемые "шматом". Для удаления таких загрязнений используется раствор азотной или серной кислоты, оставляющий чистую химически чистую поверхность алюминия.

4. Обработка цинкатом

Это очень важный этап при электролитическом никелировании алюминия. Алюминиевая деталь пропитывается раствором цинката, в результате чего оксидная пленка вытесняется тонкой пленкой цинка. Это связующее вещество, которое находится между алюминием и будущим никелевым покрытием в виде слоя цинка. Обычно, особенно при работе с большими токами, используется операция двух цинкатов: первый слой цинка снимается и наносится повторно для увеличения адгезии.

5. Никелевый удар (опционально)

В некоторых случаях, когда высокая адгезия очень важна, перед раствором для электролитического покрытия наносится тонкое электролитическое покрытие (также называемое никелевым ударом). Это позволит более прочно связать покрытие из никеля с поверхностью алюминия, покрытого цинком.

6. Безэлектродное никелирование

Компонент подвергается процессу нагрева в теплой ванне с электролитическим никелем (обычно 85-95 C). В ванне находятся:

Химическая реакция может обрабатывать ионы никеля и оставлять равномерный слой никель-фосфорного сплава на всех поверхностях внутренних отверстий, краев и мертвых зон без использования электричества.

7. Термообработка и промывка после нанесения покрытия (по желанию)

Деионизированная вода используется для очистки детали после нанесения покрытия. Некоторые детали подвергаются термической обработке (обычно 300-400 o C при 12 часах). Это укрепляет никелевое покрытие, делая его более твердым и износостойким, благодаря тому, что фосфор выпадает в осадок в виде фосфида никеля.

8. Инспекция и контроль качества

Наконец, алюминиевая деталь с покрытием будет проверена, и это может включать в себя:

Эти процессы выполняются для того, чтобы никелированный алюминий отвечал необходимым механическим, электрическим и эстетическим требованиям.

Какие материалы никелированы?

Никелирование - это модный способ улучшения характеристик поверхности различных материалов. Никелирование используется в различных отраслях промышленности для повышения коррозионной стойкости, увеличения твердости и износостойкости деталей. Однако не все материалы хорошо совместимы с никелированием. Материалы, которые можно никелировать, подвергаются подробному анализу, который классифицируется и объясняется самым простым способом, как показано ниже.

1. Никелирование металла

a. Сталь (углеродистая сталь, легированная сталь, нержавеющая сталь)

Самым распространенным никелированным металлом является сталь. Она очень клейкая и подходит для электролитического и безэлектролитического никелирования. Такие детали из стали получают преимущества повышенной износостойкости, защиты от ржавчины и твердости поверхности. Процесс обычно проходит через линию обезжиривания, кислотной очистки и активации для достижения оптимальных характеристик покрытия.

b. Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий также легкий, прочный и устойчивый к окислам, хотя окисный слой представляет собой проблему для нанесения покрытия. Чтобы никелирование алюминия было эффективным и обеспечивало надежное закрепление покрытия, проводятся специальные операции предварительной обработки, такие как цинкование или двойное цинкование. Электроосаждение никеля используется благодаря его способности равномерно покрывать сложные формы, когда речь идет о нанесении покрытия на алюминиевые детали.

c. Медь и медные сплавы (латунь, бронза)

Никелирование применимо к меди и ее сплавам, которые являются хорошими подложками. Они благоприятны с точки зрения электропроводности, а также обеспечивают хорошую адгезию никелевых слоев. Это делает их декоративными и полезными в функциональном использовании, например, в качестве сантехнических приборов, электрических разъемов и музыкальных инструментов. Медная подложка При нанесении покрытия на пластик или сталь обычно используется медная подложка.

d. Цинк и цинковые сплавы

Для литья под давлением обычно используется цинк, а также замак, сплав на основе цинка. Эти материалы иногда никелируются, чтобы сделать их устойчивыми к коррозии и долговечными на поверхности. Но они реактивны и требуют соответствующей подготовки поверхности, например, очистки и последующего нанесения слоя медного страйка (для усиления первого сцепления).

e. Никелевые сплавы

Никельсодержащие сплавы, в свою очередь, могут быть никелированы, особенно если требуется особый эффект поверхности, повышенная твердость или коррозионная стойкость. В аэрокосмической и морской технике, где требуется обеспечить дополнительную защиту в суровых условиях, применяется никелирование никелевых сплавов.

f. Титан

Титан - очень устойчивый к коррозии металл, который используется в таких важных областях, как аэрокосмическая и медицинская. Однако он трудно поддается пластинам из-за естественного пассивного оксидного слоя. Никель приходится осаждать в специализированных процессах активации, обычно связанных с использованием травления на основе фторидов, чтобы обеспечить осаждение никеля.

g. Магний

Магний обладает высокой реакционной способностью, а также небольшим весом. Возможно нанесение никелевого покрытия, но в этом случае требуется множество предварительных слоев обработки, таких как травление поверхности, цинкование и даже медное напаивание. Этот процесс более сложен и обычно применяется только в аэрокосмической отрасли и вооруженных силах.

2. Никелирование неметаллических материалов

Никелевое покрытие также наносится на непроводящие материалы, такие как пластик и керамика; для того чтобы процесс нанесения покрытия мог происходить, их необходимо сначала сделать проводящими.

a. Пластмассы (ABS, поликарбонат и нейлон)

Некоторые пластики, в частности ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол), очень хорошо подходят для никелирования. Оно начинается с травления поверхности, затем сенсибилизации и активации, чтобы сделать ее проводящей. Обычно используется тонкий медный слой, а затем никелевый. Этот метод широко распространен в области отделки автомобилей, бытовой электроники и бытовой техники.

b. Керамика

Керамика может быть никелирована для специальных целей, таких как электромагнитное экранирование, повышение теплопроводности или медицинское применение. Перед проведением процедуры электроосаждения никеля поверхность керамики чаще всего шероховатая и покрыта проводящей пленкой.

c. Стекло

В редких случаях никелирование может быть выполнено на стекле, обычно на оптических приборах, научном оборудовании или в качестве декора. Перед нанесением никелевого покрытия стекло должно быть сначала покрыто проводящей пленкой, как правило, с помощью процесса осаждения из паровой фазы.

3. Никелирование композита

a. Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP)

Высокопроизводительные приложения, такие как прочность и снижение веса, являются важными характеристиками, поэтому в них используются композитные материалы, такие как пластики, армированные углеродным волокном. Никелирование таких композитов обеспечивает криогенное экранирование электромагнитных помех (EMI), повышенную механическую прочность и износостойкость. Перед процессом нанесения покрытия поверхность должна быть протравлена, а затем на нее наносится проводящий слой.

4. Указания перед нанесением никелевого покрытия

a. Подготовка поверхности

Для получения качественного никелевого покрытия подготовка поверхности является обязательным условием. Она включает в себя очистку, обезжиривание, травление и, в зависимости от материала, цинкование или нанесение ударного покрытия. Подготовка поверхности обеспечивает хорошее закрепление никеля и его надлежащую производительность.

b. Выбор метода нанесения покрытия

c. Вопросы безопасности и охраны окружающей среды

Никелирование опасно тем, что в нем используются некоторые опасные химические вещества, к которым следует относиться со всей определенностью. В современном процессе никелирования необходимо иметь надлежащие системы вентиляции и очистки отходов, а также следовать требованиям экологических норм (таких как REACH и RoHS).

5. Сводная таблица материалов, которые могут быть никелированы

Материал Никелевая платформа? Требования
Сталь Стандартная очистка и активация
Алюминий Перед нанесением покрытия требуется цинкование
Медь/латунь/бронза Отличная подложка для нанесения покрытия
Цинк/сплавы цинка Требуется тщательная очистка и медный удар
Никелевые сплавы Используется для обработки поверхности или защиты от коррозии
Титан Требуется агрессивная активация поверхности
Магний Сложный процесс с несколькими видами предварительной обработки
Пластмассы (ABS и др.) (с подготовкой) Требуется травление и нанесение проводящего покрытия
Керамика (с подготовкой) Требуется специальная обработка поверхности
Стекло (с подготовкой) Требуется обработка проводящей поверхности
Композиты из углеродного волокна (с подготовкой) Используется для экранирования электромагнитных помех; нуждается в грунтовке

Типы покрытий из электролитического никеля

Безэлектродное никелирование Безэлектродное никелирование - это химический процесс; по сравнению с никелированием, он наносит на подложку сплав никеля и фосфора или бора, и не требует электричества для управления процессом. Покрытия из электролитического никеля могут обладать различными свойствами благодаря регулировке в зависимости от концентрации фосфора или бора в гальванической ванне; на поверхности из электролитического никеля достигается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. 

1. Низкофосфорное покрытие из электролитического никеля (2-5 процентов фосфора)

Твердость, износостойкость и адгезия покрытий с низким содержанием фосфора чрезвычайно высоки. Низкое содержание фосфора приводит к образованию кристаллической структуры, которая делает покрытие очень твердым при нанесении в осажденном виде.

Ключевые особенности:

Приложения:

2. Среднефосфорное покрытие из электролитического никеля (фосфор 5-9%)

Это наиболее широко применяемый формат электроосажденного никелевого покрытия, обеспечивающий компромисс между коррозионной стойкостью и твердостью. Оно является микрокристаллическим и может использоваться в большом количестве промышленных процессов.

Ключевые особенности:

Приложения:

3. Покрытие из электролитического никеля (от 10 до 13 процентов фосфора)

Структура высокофосфорных покрытий аморфна (в ней отсутствуют границы зерен), что в значительной степени обуславливает их превосходную коррозионную стойкость. Покрытия находят особое применение в химической промышленности, морском деле и электронике.

Ключевые особенности:

Приложения:

4. Электролитические никель-борные покрытия

В основе этих покрытий лежит легирующий элемент бор, а не фосфор. Никель-бор обладает исключительной твердостью даже без термообработки и обеспечивает хорошую износостойкость и абразивную стойкость.

Ключевые особенности:

Приложения:

5. Композитные покрытия из электролитического никеля EN + частицы

Композитные покрытия - это покрытия, состоящие из частиц, таких как PTFE (тефлон), карбид кремния (SiC) или алмаз в электролизе для придания электролизу свойств никеля.

Популярные композиты:

Приложения:

Запчасти для аэрокосмической техники

Сравнительная таблица

Тип Уровень фосфора/бора Твердость Устойчивость к коррозии Лучшее для
С низким содержанием фосфора 2-5% P Очень высокий Низкий Устойчивость к износу и истиранию
Средний фосфор 5-9% P Умеренный Умеренный Приложения общего назначения
С высоким содержанием фосфора 10-13% P От низкого до умеренного Очень высокий Коррозионные среды
Никель-бор 0% P / ~3-5% B Очень высокий От низкого до умеренного Чрезвычайная износостойкость
Композитные (EN + PTFE, SiC и т.д.) Варьируется Высокий Зависит от матрицы Специальные инженерные потребности

Трудности никелирования алюминия

Наряду с массой преимуществ, связанных с использованием термина "никелирование алюминия", существуют и определенные сложности с его применением:

Для успешного завершения процесса нанесения электролитического никелевого покрытия на алюминий, особенно в высокоточных отраслях промышленности, необходимы эффективные обученные операторы.

Термообработка для повышения твердости и эксплуатационных характеристик

Термообработка после нанесения покрытия обычно используется для улучшения механических характеристик материала, которым является никелированный алюминий. Твердость и внутренние напряжения могут быть значительно снижены путем нагрева покрытого компонента при высоких температурах (300 400 C).

Термически обработанный электролитный никель достигает твердости 8001000 единиц по Виккерсу, поэтому его можно использовать в таких областях, как пресс-формы для литья под давлением, детали двигателей и даже военное оборудование. 

Вклад химии в никелевое гальваническое покрытие

Гальваническое покрытие никелем - это вид отделки поверхности, при котором с помощью электрического тока на основу наносится тонкое покрытие из никеля. Характер никелевых покрытий, таких как твердость, яркость, коррозионная стойкость и пластичность, в основном зависит от реагентов в гальванической ванне.

1. Никелевая соль

Основными источниками ионов никеля в ванне являются соли никеля. Наиболее распространенными формами являются сульфат никеля, сульфамат никеля и хлорид никеля. Каждый тип оказывает различное влияние на покрытие, например, сульфамат никеля создает низкое внутреннее напряжение и используется в основном в машиностроении, в то время как сульфат никеля подходит для декоративных работ.

2. Буферы

Борные кислоты и другие типы буферов обеспечивают поддержание pH ванны на уровне от 3,5 до 4,5. Равномерное осаждение и предотвращение таких дефектов, как точечная коррозия или выгорание, достигается благодаря стабильному pH. Если уровень pH выходит из-под контроля, это приводит к появлению тусклых или хрупких никелевых покрытий.

3. Отбеливатели и выравнивающие агенты Отбеливатели и выравнивающие агенты

Осветлители и выравниватели - это органические добавки, улучшающие внешний вид никелевого покрытия. Они способствуют получению гладкой, зеркальной поверхности, задерживая мелкие дефекты и делая поверхность гладкой. Это обычное декоративное никелирование.

4. Смачивающие агенты

Смачивающие агенты (также называемые поверхностно-активными веществами) снижают поверхностное натяжение и не дают пузырькам газа задерживаться на детали. Это уменьшает точечную коррозию и обеспечивает равномерное покрытие, особенно на деталях сложной формы или с углублениями.

5. Добавки для придания твердости и пластичности

Некоторые химические добавки повышают твердость никелевого осадка, в то время как другие улучшают гибкость. Например, кобальт добавляют, чтобы сделать его более твердым для использования в тех случаях, когда важна износостойкость, а ванны на основе сульфаматов используются для придания ему пластичности при изготовлении инженерных деталей.

6. Хлоридные ионы

Анод растворяется с высокой эффективностью и поддерживается в проводящем состоянии с помощью хлорид-ионов, чаще всего хлорида никеля или соляной кислоты. Однако слишком большое количество хлорида может вызвать напряжение в покрытии или грубую отделку.

7. Средства для снижения стресса

Чтобы предотвратить растрескивание/отслаивание, в ванну добавляют агенты, снимающие напряжение. Они используются для снижения внутреннего напряжения в покрытии и очень полезны для прецизионных деталей, где важно сохранить размеры.

8. Тип ванны, влияющий на конечные свойства Тип ванны

Различная химия в смесях химических веществ приводит к появлению различных ванн для никелирования. В качестве примера можно привести ванны Ватта, которые служат для декоративной отделки, и сульфаматные ванны, которые предпочтительно используются в технических целях благодаря своим низконапряженным отложениям.

Типы никелевых гальванических ванн и их химическое воздействие

Тип ванны Основные химические вещества Характеристики Типовые применения
Ванна Уоттса Сульфат никеля, хлорид никеля, борная кислота Хорошая яркость, умеренная твердость, легкость в управлении Декоративные элементы, автомобильная отделка
Сульфаматная ванна Сульфамат никеля, борная кислота Низкое внутреннее напряжение, высокая пластичность, отлично подходит для толстых покрытий Аэрокосмическая промышленность, точное машиностроение, электроника
Хлоридная ванна Высокое содержание хлорида никеля, без сульфата никеля Высокая эффективность анода, быстрое нанесение покрытия, более грубая обработка поверхности Покрытие стальных полос, быстрые производственные линии
Цельнохлоридная ванна Только хлорид никеля Агрессивное покрытие, плохая пластичность Специальное применение, неточное покрытие
Ванна из прочного никеля Добавки, такие как кобальт, выравнивающие агенты Высокая твердость, износостойкость, может снижать пластичность Инструменты, штампы, изнашиваемые поверхности
Ванна из яркого никеля Отбеливатели (например, сахарин, кумарин) Зеркальная отделка, гладкая, декоративная, пониженная коррозионная стойкость Ювелирные изделия, бытовая техника
Ванна из ковкого никеля Сульфамат + препараты, снижающие стресс Максимальная гибкость, низкая нагрузка, устойчивость к трещинам Пружины, соединители, гибкие детали

Использование электролитического никелирования на алюминии

Пластины из электролитического никеля на алюминии так распространены в промышленности, где требуются высокоэффективные материалы. Благодаря этому процессу мы можем повысить коррозионную стойкость алюминия, его твердость и долговечность, а значит, и ценность никелированного алюминия в самых разных областях применения.

Аэрокосмическая промышленность

Алюминий легче, однако он не всегда устойчив к аэрокосмическим условиям. Никелирование алюминия повышает коррозионную стойкость и твердость поверхности, что делает его пригодным для использования в авиационных изделиях, таких как приводы, клапаны и корпуса.

Автомобильная промышленность

Двигатели, корпуса коробок передач, декоративные элементы и т. д., изготовленные из никелированного алюминия, используются в автомобилях, особенно в тех, которые отличаются роскошью и производительностью. Никелевое покрытие устойчиво к высоким нагрузкам, а также к нагреву, трению и износу.

Электроника и электрика

Алюминий необходимо сделать токопроводящим и пригодным для пайки с помощью обработки поверхности. Электролитическое никелирование алюминия - это решение, поскольку оно обеспечивает высокое качество проводящих контактов, печатных плат и корпусов.

Нефтегазовая промышленность

В нефтегазовой промышленности инструменты и компоненты подвергаются коррозии и сильному абразивному износу. Алюминий может быть никелирован для получения твердой коррозионностойкой поверхности; такие поверхности часто встречаются на клапанах, насосах и буровом оборудовании.

Промышленное оборудование

Никелированный алюминий встречается в оборудовании, которое должно быть легким и прочным. Его также можно встретить в печатных валах, пневматических инструментах и деталях машин, которые подвержены износу.

Медицинская лаборатория

Медицинское оборудование выгодно отличается чистыми и непористыми поверхностями. Хирургические инструменты, оборудование для визуализации и лабораторные инструменты могут быть покрыты никелем с помощью техники, известной как электролитическое никелирование алюминия: эта техника позволяет получить гладкую поверхность и высокую устойчивость к химикатам для стерилизации.

Оборона и военное дело

Компоненты военных систем должны работать в суровых условиях. Никелированный алюминий используется для изготовления прочных, жестких ракетных компонентов, разъемов, а также легких броневых деталей.

Экологические соображения

Химические процессы стали объектом пристального внимания, поскольку промышленность все больше стремится к экологичности. Система электролитического никелирования, как бы компетентна она ни была, содержит тяжелые металлы и фосфорные соединения, которые, если их не контролировать, могут оказывать влияние на окружающую среду.

В целях минимизации воздействия на окружающую среду:

Экологичность означает, что возможности никелирования алюминия по-прежнему соответствуют современным стандартам защиты окружающей среды.

Контроль качества и инспекция

Чтобы гарантировать работоспособность деталей из никелированного алюминия, необходимо строго следить за процессом производства. К таким методам относятся:

Будущие тенденции никелирования алюминия

Будущее материаловедения/производства определяет будущее никелирования алюминия:

Все эти усовершенствования направлены на то, чтобы обеспечить конкурентоспособность продукции, а именно электролитического никелирования алюминия, на меняющемся рынке.

Заключение

Электролитическое никелирование является эффективным средством дополнения преимуществ, присущих алюминию, что делает его применимым в жестких промышленных требованиях. При решении проблем адгезии, снятия оксидов и равномерности покрытия можно получить надежное и приемлемое осаждение такого финишного покрытия, как высококачественное никелирование алюминия.

Аэрокосмическая промышленность и электроника с возможностью никелирования алюминий альтернативным электролитическим процессом устанавливает новые границы инноваций и долговечности. Технологии продолжают развиваться, и то же самое относится к инструментам и методам, используемым для совершенствования электролитического никелирования алюминия.

Независимо от того, хотите ли вы повысить коррозионную стойкость, создать более прочную поверхность или сформировать воспроизводимые результаты, любая компания, стремящаяся добиться успеха продукта в долгосрочной перспективе, должна настаивать на совершенствовании науки и искусства никелирования алюминия.

Часто задаваемые вопросы

1. Зачем нужно электролитическое никелирование алюминия?

Целью лазерной обработки алюминия, электролитического никелирования алюминия, является реферат эффективный ремонт поверхностных характеристик алюминия, то есть его способности против коррозии, твердости и истирания. Необработанный алюминий мягок и восприимчив к химическим веществам, поэтому никелевый слой защищает его, продлевает срок службы и выдерживает суровые условия, которым может подвергаться эта деталь.

2. Отличается ли гальваническое покрытие от электролитического никелирования?

Да. Гальваническое покрытие осаждает никель с помощью внешнего электрического тока, в то время как процесс электролитического никелирования алюминия в большей степени основан на химической реакции. Это связано с более равномерным покрытием, получаемым при гальваническом покрытии, особенно на сложных или неправильных геометрических формах, поэтому оно хорошо подходит для точных инженерных компонентов из алюминия.

3. В каких областях используется никелированный алюминий?

Никелированный алюминий находит свое применение в самых разных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная, электронная, нефтегазовая. Наибольшее значение оно имеет в тех областях, где требуется прочность или коррозионная стойкость при использовании легких материалов, например, в топливных системах, электронных разъемах и механических корпусах.

Выход из мобильной версии