Durezza della nichelatura chimica: i trattamenti termici

Durezza della nichelatura chimica: i trattamenti termici

La nichelatura chimica è un trattamento superficiale che riveste il pezzo in modo uniforme con una lega di nichel e fosforo. Cambiando la composizione del bagno di trattamento si ottengono tipi di nichel chimico con diverse percentuali di fosforo e conseguenti diverse caratteristiche. Si possono distinguere tre tipi di rivestimento di nichelatura chimica:

Nichel chimico basso fosforo – P tra 1 e 4%
Nichel chimico medio fosforo – P tra 5 e 9% – NIPLATE® 600
Nichel chimico alto fosforo – P > 10% – NIPLATE® 500
Maggiore è il tenore di fosforo in lega, maggiore è l’effetto di impedimento alla formazione della strutturazione cristallina della lega durante la deposizione. Si passa così da una struttura parzialmente cristallina e parzialmente amorfa per il nichel chimico medio fosforo, ad una completamente amorfa per il nichel chimico alto fosforo.

La suscettività magnetica tipica del nichel metallo si riduce all’aumentare del fosforo fino ad essere prossima allo zero per il nichel chimico alto fosforo (oltre il 10% di P).

All’aumento del fosforo in lega corrisponde anche una leggera riduzione della durezza dello strato che passa da 650 HV circa per il medio fosforo, a 550 HV circa per l’alto fosforo.

Si possono distinguere 2 classi di trattamenti termici effettuati dopo nichelatura chimica:

Deidrogenazione: 150-180°C
Indurimento: 260-280°C o 340°C

Trattamento termico di deidrogenazione

Sui pezzi rivestiti con nichel chimico viene abitualmente effettuato un trattamento termico a 150-180°C, denominato deidrogenazione, che permette di eliminare l’idrogeno che può essersi diffuso all’interno della matrice metallica durante il trattamento. L’idrogeno, che può essere inglobato durante la nichelatura e il decapaggio acido preliminare alla nichelatura, può diffondersi negli acciai e creare il fenomeno denominato infragilimento da idrogeno. Tale trattamento termico permette l’evoluzione in aria dell’idrogeno presente nel materiale base o nell’interfaccia con il rivestimento.

Lo strato di nichel chimico, appena depositato, possiede tensione interne che possono essere compressive o estensive e che possono limitarne l’aderenza soprattutto sugli acciai di elevata durezza o trattati termicamente. Porre in temperatura i particolari rivestiti crea una distensione e un annullamento delle tensioni interne tra rivestimento e metallo base, aumentandone anche l’aderenza.

A seconda del tipo di lega su cui viene depositato il nichel chimico si procede ad utilizzare una temperatura prossima ai 160°C se si tratta di leghe di alluminio, per un tempo oscillante tra 2 e 4 ore, mentre per leghe di ferro o di rame la temperatura potrà essere superiore, circa 180°C, sempre per 2-4 ore di trattamento termico.

Trattamenti termici di indurimento

I trattamenti termici di indurimenti tipici della nichelatura chimica sono 2 e avvengono a temperature differenti:

260-280°C per 8 ore: permette di incrementare la durezza fino a circa 800 HV.
340°C per 4 ore: permette di raggiungere 1000 HV di durezza.
Essendo la fase amorfa Ni-P una fase instabile, quando il nichel chimico viene ricotto a temperatura superiore a 260°C, si ha il primo picco di attivazione dell’energia di cristallizzazione, sufficiente a creare un dislocamento degli atomi di fosforo dispersi nella matrice di nichel. I due elementi si riorganizzano passando attraverso fasi cristalline metastabili intermedie Ni7P3, Ni5P2, fino alla fase cristallina stabile Ni3P che avviene a partire dai 280-290°C.

Per raggiungere la massima durezza pari a circa 1000 HV viene effettuato un trattamento termico a 340°C per almeno 4 ore. La struttura finale del rivestimento è una fine rete di cristalli duri di fosfuro di nichel Ni3P dispersi nella restante matrice metallica di nichel.

La durezza di 1000±50 HV, ottenibile con il trattamento di indurimento, permette di utilizzare la nichelatura chimica in alternativa alla cromatura, avvantaggiandosi del fatto che il deposito è uniforme su tutte le superfici, anche nelle parti interne, e non deve essere rilavorato come invece avviene per il deposito di cromo.

Con i trattamenti termici di indurimento del nichel chimico viene migliorata molto anche l’aderenza del rivestimento al metallo base. Addirittura, per garantire una aderenza adeguata su acciai nitrurati o carbonitrurati o su acciai inossidabili, diventa necessario il trattamento in forno a temperature superiori ai 260°C dopo la nichelatura.

Colorazione superficiale

Intorno alla temperatura di 270°C il nichel chimico tendere a reagire con l’ossigeno, creando alonature giallo-oro. Più si alza la temperatura e più la superficie del nichel chimico, per interferenza della luce con gli strati nanometrici di ossido di nichel che si vengono a formare, può prendere colorazioni blu-iridescenti, come avviene quando si scotta l’acciaio inossidabile con la fiamma.

Trattando il nichel chimico in forni con atmosfera controllata si evita l’ossidazione superficiale e si può raggiungere la massima durezza mantenendo la colorazione bianca metallica del nichel.

Magnetismo

Il nichel chimico è ferromagnetico quando il contenuto di fosforo è inferiore al 10%. Bisogna però ricordare che con trattamenti termici superiori a 250°C viene ripristinata la suscettività magnetica dell’alto fosforo a causa della trasformazione da struttura amorfa a struttura cristallina. Se si necessita di assenza di magnetismo bisogna scegliere la nichelatura chimica alto fosforo Niplate 500 ed è possibile effettuare solamente il trattamento di deidrogenazione.

Resistenza a usura

A durezza maggiore corrisponde una maggiore resistenza ad usura secondo una curva incrementale. La capacità di resistere a usura abrasiva si misura con il “Taber Abraser Tester” dove un campione rivestito viene fatto ruotare contro due ruote di gomma contenenti abrasivo a grana stabilita. Ogni 1000 cicli di rotazione viene verificata la perdita di peso del rivestimento e dopo 10.000 cicli si ha un indice di usura definito come Taber Index. Per i valori di usura dei vari rivestimenti Niplate® si rimanda alle schede descrittive dei rivestimenti:

Niplate® 600
Niplate® 500
Niplate® 600 SiC
Si può incrementare la resistenza a usura abrasiva di almeno 10 volte rispetto al nichel chimico indurito utilizzando il NIPLATE® 600 SiC che contiene particelle carburo di silicio. Con questo rivestimento la durezza raggiunta è di circa 1100 HV ma la grande prerogativa del rivestimento composito NIPLATE® 600 SiC è la sua eccezionale resistenza ad abrasione poiché la controparte in scorrimento incontra in superficie le particelle di carburo di silicio che hanno una durezza elevata, inferiore solo al diamante.

Fonte: collaborazione con Micron Coatings Group – www.microncoatings.it

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