ВИДОВЕ НИКЕЛОВИ ПОКРИТИЯ И ОБЛАСТИ НА ПРИЛОЖЕНИЕ

ВИДОВЕ НИКЕЛОВИ ПОКРИТИЯ И ОБЛАСТИ НА ПРИЛОЖЕНИЕ Станислав Гьошев Резюме: През последните години интересът към electroless никел покрития се е увеличил значително. Това се дължи на свойството да се отлага по повърхността, както и способността му да се нанася равномерно и да влиза в добър контакт с нея. Свойствата на electroless никел покрития се определят от начина на отлагане, химичен състав и структура на сплавта. Разгледани са по-важните свойства на различните видове никелови покрития, както и различните области на приложението им. Ключови думи: никелово покритие, твърдост, износоустойчивост, плътност. 1. Въведение Основната идея е замяна на дебелото, нанасяно по галваничен път, вредно и забранено в ЕС хромово покритие на валовете с нанасяно по химичен път тънко никелово покритие с включени микро- или нано- частици (дисперсоиди), например нанодиаманти, силициев карбид, двуалуминиев триокис и др. 2. Същност на процеса еlectroless никелпокритие Electroless никел обшивка е химически процес, който е повлиян от забавяне на каталитичния процес, свързан с намаляване на никелови йони във воден разтвор и последващото нанасяне на никел метал, без да се използва на електрическа енергия. Поради своята изключителна устойчивост на корозия и висока твърдост, процесът намира широко приложение в получаване на продукти като клапани, части за помпи и др; за подобряване на живота на компонентите, изложени на тежки условия на работа, особено в областта на петрола и морски сектор. Контролът върху процесите се прилага с правилна последователност върху точна предварителна обработка на металната основа. За получаване на добро сцепление и отличен резултат на покритието се използва електро-никел покритие върху всякакви метални и неметални субекти. Основната движеща сила за протичане на еlectroless никел процес е намаляване на никеловите метални йони и отлагането им. Тя е основана на намаляване на химическия агент в разтвора във ваната. Потенциалът е постоянен във всички точки на повърхността на компонента, за да се осигури еднаквa концентрация на метални йони и редуциращи агенти. Основно предимство на този процес е, че се предлага като покритие върху различни обекти с неправилна форма, труднодостъпни отвори, вътрешните повърхнини или резбовани части. 166

Този метод за нанасяне на покрития се използва за предотвратяване на корозия и износване на основата.чрез промяна на процента на фосфор и бор в покритието, могат да се получат депозити с немагнитни и високо устойчиви на корозия характеристики или твърди депозити с отлична износоустойчивост. За разлика от галваничните методи, тук не е необходимо преминаване на електрически ток през разтвора, за да се образува депозитен слой. Тъй като електрическият ток, не може да се разпредели равномерно по цялата повърхност, е много трудно да се получи еднакво покритие, чрез електролиза. 2.1. Предварителна обработка на детайлите за electroless никел обшивка Преди извършване electroless никел покритие, материалите за покритие трябва да бъдат почистени от серия почистващи химикали като основи и киселини. Този процес се нарича пред-инкубационен процес. Лошо почистената повърхност би довела до лошо покритие. Всяко предварително третиране с химикали трябва да бъде последвано от измиване с вода (обикновено два до три пъти) за премахването на химикала, който е прилепнал към повърхността. Провежда се обезмасляване на повърхността с киселина. Активирането на повърхността за нанасяне на покритие се извършва със слаба киселина. След предварителната подготовка на повърхността за нанасяне на покривен слой, детайлите трябва да бъдат обработени с анти-окисляване или анти-петно химикал (натриев фосфат, хромат и т.н.) след което се провежда изплакване с чиста вода,за да се предотвратят нежелани петна. Детайлите трябва да бъдат изплакнати старателно и подсушени добре, за да се получи равномерна твърдостта на повърхностния филм. Разнообразието на electroless никел покрития се демонстрира от широката гама приложения. По-долу са описани накратко някои видове покрития, използвани в практиката: Покрития с ниско съдържание на фосфор (1-4%) Специален разтвор във вана, осигуряващ покритие от никел с твърдост на покритието до 60 HRC. Този разтвор осигурява здраво покритие, подобно на покритията от хром, като предимство тук е получаване на еднаква дебелина по сложни контури на деталите. Ниското съдържание на фосфор в еlectroless никел обшивката предлага отлична устойчивост на алкални корозивни среди. Покрития със средено съдържание на фосфор (5-9%) Electroless никел покритията със с средно съдържание на фосфор, в повечето случаи се провеждат върху детайли от неръждаема стомана. При термична обработка, средното съдържание на фосфор в electroless никел обшивката позволява закаляване с постигната твърдост от 45 HRC до 68 HRC. Покрития с високo съдържание на фосфор (10-13%) Това покритие осигурява максимална устойчивост на корозия. Високото съдържание на фосфор в electroless никел покритията се прилага в отрасли, които изискват резистентност към силно киселинен корозивни среди, като 167

петрол сондиране и добив на въглища.. При такова съдържание на фосфор в тези покрития се наблюдава висока степен на спояване. Това свойство се запазва да за дълъг период, поради което това покритие е предпочитано за електронни части, като конектор кутии и полупроводникови опаковки. Electroless Никел / тефлонпокрития Добавянето на тефлон към electroless никел покритията дава изключително гладка повърхност, което води до намаляване на триенето. Този продукт е относително нов. Състои се от микроскопични перли с участие на тефлон отложени до 20% с еlectroless никел. Това покритие се използваза против залепване между триещи се части на машини, или при повърхности на детайли, работещи при високи температури. Electroless Никел покрития на цинкови отливки Electroless никел покрития могат да се прилагат директно върху цинкови отливки без меден слой. Този начин има много приложения, поради високата устойчивост на корозия. Изборът на определен вид еlectroless никел обшивката се прави в съответствие с естеството на приложение. При изисквания като висока твърдост и нисък коефициент на триене е желателно да се използва еlectroless никел покритие с ниско фосфорно съдърание (1-3%). За общи приложения, където покритието се вижда и условията на работа не са корозивни, се използват еlectroless никел покрития със средно съдържание на фосфор (6-8%). Например принтер валяци, машинни елементи и др. При детайли, работещи в условия на силна корозия, използваната еlectroless никел обшивка е с високо фосфорно съдържание (12-13%). С такова съдържание на фосфор обшивката проявява силно аморфен характер. Правилната последователност на работа и поддържането на работните параметри в граници, гарантират получаване на гладка повърхност. Този метод намира широко приложение в области като космическата индустрия, нефтената и газова, химическата промишленост и др. 3. Физико-механиични свойства на еlectroless никел покрития Electroless никел отлагането е химически процес, при който, чрез забавяне на каталитичния процес, контактната повърхност се покрива с равномерна обшивка, независимо от геометрията на детайла. Попълването с химични компоненти от разтвора на ваната към повърхността на детайлите трябва да бъде гарантирано. Това се различава от електролитното отлагане, където дебелината на слоя зависи от плътността на тока, разпределена върху повърхността. По този начин за нанасяне на покрития с по-голяма дебелина, като при външни ъгли и ръбове, се използва висока плътност на тока, а при нанасяне на тънкослойни покрития се използва ниска плътност на тока. Дебелината на electroless никел обшивката зависи единствено от отлагането в проценти и времето, през което детайла е бил потопен в разтвора. 168

Микроструктурата на electroless никел-фосфорните покрития силно зависи от химичния състав на сплавта. Нивото на фосфор варира от 1-14 %, като най-използвани разтвори са със съдържание на фосфор от 3-12%. При ниски нива на фосфор, (по-малко от 7%), electroless никел покритието има е микрокристална структура, състояща се от множество малки зърна, с размери приблизително от 2-6 микрона. С повишаване съдържанието на фосфор в сплавта, микроструктурата се променя от механична смес, съдържаща микрокристални и аморфни фази, до изцяло аморфна (при съдържание на фосфор повече от 10%). Плътността на electroless никел-фосфорните сплави, зависи от процентното съдържание на фосфор, както е показано на фигура 1. С увеличаване съдържанието на фосфор, плътността на депозита намалява. Това се дължи на проникване на фосфорните атоми в кристалната решетка на никела. Фиг.1. Съдържаниенафосфор (%) Фиг.2. Електрическисвойства Точка на топене. Диапазона на топене на electroless никел депозити, също варира в зависимост от съдържанието на фосфор, като намалява с увеличаване на нивата на фосфор. Electroless никел покритията нямат точка на топене, а по-скоро диапазон на топене. Чист никел има точка на топене на 1445 C. Ниско фосфор electroless никел се топи при около 1300 C, а средно-и високо-electroless фосфор никел се топи при около 890 C.Електрическите свойства на electroless никелови сплави са показани в фиг.2.участието на елементи в сплавта, като фосфор, както и наличието на аморфни фази, увеличават електрическото съпротивлвние на покритието. Якост на опън. Достигнатата якост на опън на тези покрития се равнява до тази на високо закалени стомани и позволява на покритието да се запази дори и след голяма експлоатация, без да бъде разрушено. Участието на фосфор в химическия състав на сплавта позволява получаване на electroless никел депозити с якост на опън над 700 [Мра]. 169

Пластичност. Пластичността на electroless никел покрития също се променя в зависимост от химичния състав на сплавта. Пластичността на покритията е по-малка от тази на повечето материали, използвани в практиката, но е достатъчна за да намери широко приложение. В покрития съдържащи ниско ниво на фосфор или сяра, пластичността на депозита значително намалява и може да достигне нулeви стойности. Твърдост и износоустойчивост. Едno от най-важните свойства на много приложения е твърдостта на покритието. Измерената микротвърдост на electroless никел покритията е около 500 до 700 HK100. Тази твърдост е приблизително равна на 45 до 58 HRC, близка до твърдостта на високо закалена стомана. След термична обработка, твърдостта на тези сплави се повишава и може да достигне стойности от 1100 HK100, което се доближава до твърдост получена при покрития с хром. В някои области на приложение не се препоръчва вискока температура на нагряване, поради факта че се получава, оцветяване на повърхността, както и неблагоприятно въздействие върху основта. В тези случаи понякога е възможно да се провеждат няколко последователни нагрявания при по-ниски температури до получаване на желаната твърдост. За получаване на покрития от electroless никел, се провежда нагряване при температура от 340 C (650 F) за време от 4-6 часа, или при температура 290 C (550 F) за 10-12 часа. При такава обработка се постигат твърдостти от 950 до 1000 HK100. Използват се и термични режими, достигащи температура на нагряване до 260 C (500 F), но в резултат на това и получената твърдост е по- ниска. Такива режими се препоръчват при изисквания към повърхността за по-добро сцепление. Electroless никел покритията имат отлични твърдост при нагряване. До около 400 C (750 F) твърдостта на топлинно обработено electroless никел покритие е по-добро от това, получено с участие н хром. Electroless никел покрития имат отлична устойчивост на износване и триене, при тежки услови на експлоатация. Лабораторните изследвания са показали, че износоустойчивостта, както и смазочните свойства на такива покрития, са еднакви с тези на покритията, направени с участието на хром. Отличната устойчивост на износване на electroless никел обшивката, често позволява тя да замени висококачествените материали и сплави с участието на хром. Направени тестове с electroless никел покритие върху V-образни двигатели в лаборатории на в Falex, са потвърдили, че съществува връзка между топлинната обработка и износване. Полученото покритие е поустойчиво и има по-добри смазочни свойства от покритията, съдържащи хром. Тестовете още показват, че след топлинна обработка, съдържанието на висок процент фосфор в сплавта, осигурява най-добра устойчивост на залепване.в характеристиките на триене electroless никел покритията са отлични. Съдържанието на фосфор в сплавта, спомага да се намали натрупването на 170

вътрешна енергия. Методът се прилага успешно при производството на пластмасови корнизи. Корозионна устойчивост на electroless Никел. Устойчивостта на корозия на electroless никел покритията зависи от химичния състав на покритието. Повечето депозити са естествено пасивни и много устойчиви на атака в агресивни среди. Степента на тяхната пасивност (и устойчивост на корозия), обаче, е силно засегната от съдържанието на фосфор. Често присъствието на съпътващите съставки в electroless никел разтвора придават по-силна устойчивост на корозия на покритието, отколкото влиянието на фосфор. Повечето покрития се прилагат в бани с разтвор на олово, калай, кадмий, или сяра. Участието на тези елементи причинява силен спад в пасивността на покритието, като придава устойчивост на корозия. Една от най-важните характеристики, засягащи корозията на electroless никел покритието, е неговата топлинна обработка. Намаленото съдържанието на фосфор, намалява корозионна устойчивост на покритието. Друг ефект при топлинна обработка е, че покритието се свива, т.к. се втвърдява, което може да доведе до напукване и да изложи основата на атака. Въпреки че electroless никел е устойчиво на корозия покритие, има много фактори, които влияят върху способността му да предпазва основата. Те включват: Състав, структура и повърхностно покритие на основта. Предварителна обработка. Свойства на основата. Дебелина на основата. Процеси, свързани с топлинна обработка или пасивиране. Корозивния характер на околната среда, на който е подложена основата. 4. Области на приложение Electroless никел покритията са използвани главно за изработване на части с висока устойчивост на корозия, устойчивост на износване при триене, с мазилна и спояваща способност, или за нанасяне на слой върху вече износени повърхности. В различна степен, тези свойства са използвани от всички звена на индустрията, самостоятелно или в комбинация. Благодарение на своите уникални свойства на отлична устойчивост на корозия, съчетана с висока устойчивост на износване и равномерност на покритието, electroless никел обшивката намира широко приложение в редица области: нефтена и газова промишленост (части на клапани, помпи, тръбопроводи, цистерни и др.); химическа промишленост (топлообменници, ротори и др.); в производството на пластмаси (екструдери, валяци и др.); в текстилната промишленост; автомобилостроенето (амортисьори, зъбни колела, цилиндри, спирачни бутала др.); авиацианната и космическа промишленост 171

172 (сателитни и ракетни компоненти и др.); в хранителната и фармацевтична промишленост (форми за производство на шоколадени изделия, и др.) Най-често срещаната форма на electroless никел покритие, която се произвежда е сплав с участието на фосфор. Както беше споменато по- горе, съдържанието на фосфор в electroless покрития никел могат да варира от 2% до 13%. Често се налага използването на покрития в електрониката, при направата на печатни платки. За предотвратяване на корозията, обикновено в състава на покритието участва злато. Този метод е известен още като ENIG ( потопяване в злато electroless никел покритие ). 5. Изводи От направения анализ на видовете никелови покрития и тяхната област на приложение могат да се направят следните изводи: Колкото съдържанието на фосфор в сплавта е по-високо, толкова поголяма е устойчивостта на корозия. Защитата от корозия намалява с увеличаване престоя на разтвора във ваната. По-високата температура на изпичане, води до повишена зашита от корозия. Литература: 1. Карастоянов, Д., Управление на роботи и на други мехатронни системи, Академично издателство Проф. Марин Дринов, С. 2010г. 2. Гаврилов, Г, Николов Ив., Химическо никелиране и дисперсни покрития, София, 1985 3. Маслов Е. П., Теорияшлифованияматериалов., Москва, машиностроение, 1978 TYPES OFNICKELCOATINGS ANDAPPLICATION AREAS Stanislav Gyoshev Abstract: In recent years,interest in the"electroless"nickelcoatingshas increasedsignificantly.this is due tothe ability tobedeposited onthe surfaceas well asits ability tobe appliedevenly andenter intogood contact with it. The features of the"electroless"nickelcoatings weredetermined by themethod ofdeposition, chemical composition andstructureof the alloy.are consideredthe most importantfeatures of the varioustypes ofnickelcoatings,as well asdifferent areas ofapplication. Данни за автора: СтаниславДимитровГьошев, маг. инж., ИИКТ-БАН, ул. Акад. Г. Бончев, блок 2, 1113 - София, Р. България, e-mail: stanislavgyoshev@mail.bg