Чем химическое никелирование отличается от твердого хромирования для защиты поверхности нагревательной пластины?

Голая металлическая поверхность нагревательной пластины подвержена коррозии, износу или прилипанию. Химический никель и твердый хром являются двумя распространенными альтернативами покрытия, которые создают защитный и функциональный поверхностный слой. У каждого есть свои качества, которые лучше подходят для определенных целей. Для инженеров, выбирающих нагревательные пластины для пищевой промышленности, химических реакторов, формовочного оборудования или лабораторных устройств, понимание компромисса между химическим никелированием и твердым хромированием может гарантировать, что выбранное покрытие обеспечит необходимый срок службы и производительность.

Обзор двух технологий нанесения покрытий
Химическое никелирование (EN)
Химическое никелирование представляет собой метод автокаталитического химического осаждения. Металлический компонент погружают в водный раствор, содержащий ионы никеля и восстановитель (обычно гипофосфит натрия). Покрытие сплавом никеля-фосфора на всех поверхностях, контактирующих с раствором, без внешнего электрического тока. Покрытие выполнено из сплава никеля-фосфора, обычно с содержанием фосфора 5–12 % (высокое содержание-фосфора EN обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость).

EN-покрытие характеризуется:

Однородная толщина - Геометрия детали не влияет на скорость наплавки. Сложные формы, глухие отверстия, резьба и внутренние каналы покрыты той же толщиной, что и открытые поверхности. Это большое преимущество перед гальванопокрытием.

Коррозионная стойкость - Химический никель с высоким содержанием фосфора (10-12% Р) обладает превосходной стойкостью к хлоридам, едким растворам и многим кислотам. Аморфное покрытие не имеет границ зерен и, следовательно, каналов для коррозионного воздействия.

Твердость. Твердость покрытия составляет около 50-55 HRC (по шкале Роквелла C). Термическая обработка после нанесения покрытия (обычно 1 час при температуре 400 градусов) увеличивает твердость до 65-70 HRC, что сравнимо с твердым хромом.

Смазывающая способность. EN имеет низкий коэффициент трения (0,1–0,15 по стали в сухом состоянии) и является самосмазывающимся-благодаря гладкой, не-искажающей поверхности.

Твердые хромированные покрытия
Твердое хромирование – это электрохимический метод. Металлический участок катода создается в ванне хромовой кислоты (CrO₃) и серной кислоты. Через раствор пропускают электрический ток. Этот ток понижает ионы хрома, и на поверхности осаждается покрытие из элементарного хрома. В отличие от химического никеля, скорость осаждения зависит от плотности тока, что приводит к образованию более толстых покрытий на внешних углах и более тонких отложений в углублениях.

К основным особенностям твердого хромирования относятся:

Чрезвычайная твердость - Твердые хромовые отложения обычно имеют твердость 65–72 HRC и не требуют термической обработки. Эта твердость обеспечивает превосходную стойкость к истиранию, истиранию и адгезионному износу.

Низкий коэффициент трения - Хром имеет очень низкий коэффициент трения в сухом состоянии (0,1–0,15 по стали), что делает его идеальным для скольжения.

Плохая коррозионная стойкость - Слой хрома является катодным по отношению к стали и имеет микроскопические трещины (из-за внутренних напряжений). Эти трещины обнажают основную сталь в присутствии электролитов и вызывают гальваническую коррозию. Твердый хром не рекомендуется использовать для предотвращения коррозии, если под ним нет никелевого покрытия или уплотнения.

Диапазон толщины - Твердый хром можно наносить более толстыми слоями (до 0,010 дюйма / 250 микрон), чем обычный никель, полученный химическим способом, что делает его пригодным для восстановления изношенных деталей.

Большая разница в применении нагревательных пластин
Выбор химического никеля или твердого хрома для нагревательных пластин зависит от основных опасностей для поверхности пластины, коррозии или износа. Нагревательные пластины могут подвергаться воздействию едких производственных жидкостей, чистящих химикатов или влажной атмосферы. Или они механически истираются скользящими деталями, контактом деталей или инструментами.

Устойчивость к коррозии
Для нагревательных пластин, работающих в суровых условиях-химической обработки, пищевых санитарных условиях, морской атмосфере или при контакте с кислотными или едкими растворами- решающее значение имеет коррозионная стойкость.

Химический никель (с высоким содержанием фосфора) обеспечивает исключительную коррозионную стойкость. Покрытие не-пористое, аморфное и химически инертное. При испытаниях в солевом тумане EN с высоким содержанием фосфора противостоит образованию красной ржавчины в течение 500-1,000+ часов (в зависимости от толщины и подготовки основания). Он устойчив к воздействию разбавленной серной кислоты, соляной кислоты, каустической соды и многих органических соединений.

Твердый хром имеет низкую врожденную коррозионную стойкость. Сеть микротрещин (10–1000 трещин на погонный сантиметр) позволяет агрессивным электролитам достигать стальной подложки. Когда сталь начинает ржаветь, верхний слой хрома может отслаиваться. Поэтому твердый хром редко используется как единственное средство защиты от коррозии. Если требуется устойчивость к коррозии, то перед хромированием ставится никелевая нижняя пластина или хром герметизируется последующей обработкой.

На практике в ситуациях, когда преобладает коррозия, очевидным выбором является никель химического восстановления. EN-покрытие будет надежно работать на нагревательной пластине на предприятии пищевой промышленности, которую ежедневно очищают хлорированными или кислотными дезинфицирующими средствами. В той же атмосфере на твердой хромированной пластине через несколько недель, вероятно, появятся пятна ржавчины.

Твердость и износостойкость
Износостойкость важна для нагревательных плит при механическом контакте (например, нагреваемые плиты при компрессионном формовании, прессах для ламинирования или оборудовании для термосварки).

Твердый хром обладает высокой устойчивостью к износу. Твердость покрытия составляет 70 HRC и устойчива к царапинам, выдавливанию и адгезионному износу. Хромированные нагревательные пластины могут выдерживать многократный скользящий контакт с полимерными пленками, тканью или металлическими инструментами без значительного разрушения поверхности.

химический никель с-покрытием (50-55 HRC) мягче твердого хрома. Однако твердость по EN после термообработки (400 градусов, 1 час) составляет 65–70 HRC, что близко к хрому. Термически обработанное EN-покрытие обладает хорошей износостойкостью, хотя его характеристики трения немного отличаются.

Обратите внимание, что термообработку EN необходимо проводить после нанесения покрытия и до установки любых чувствительных к температуре компонентов (например, встроенных нагревателей или датчиков). Если у вас есть собранная нагревательная пластина с включенными в комплект картриджными нагревателями, термообработка может быть недоступна. В некоторых случаях твердость-покрытия EN может быть недостаточной для использования в условиях повышенного-изнашивания.

Одним из больших преимуществ химического никеля является его однородность. Если нагревательная пластина имеет сложные характеристики (канавки для термопар, резьбовые монтажные отверстия или фасонные поверхности), EN равномерно покроет все участки. Твердый хром находится на прямой видимости и откладывается тоньше в углублениях и толще в углах, что приводит к неравномерному износу и возможной коррозии на тонких участках.

Охват и единообразие
Никакой другой процесс нанесения покрытия не может обеспечить такую ​​сложную геометрию покрытия, как химический никель. Процедура химического осаждения обеспечивает одинаковую толщину покрытия на всех смачиваемых поверхностях. Это очень полезно для нагрева плит с:

Просверлены отверстия для нагревателей датчика или картриджа.

Обработанные каналы циркуляции жидкости

Резьбовые отверстия для крепления оборудования

Поверхности с узорами или текстурой

Поскольку более твердый хром представляет собой электролитический процесс, необходимы сложные крепления и дополнительные аноды, чтобы обеспечить равномерное покрытие любых поверхностей, кроме самой простой формы. Углы и края покрываются более толстыми отложениями («собачья-кость»), а глубокие отверстия и углубления могут иметь мало покрытия или вообще не иметь покрытия. Химический никель обеспечивает лучшее покрытие, чем большинство конструкций нагревательных пластин, и решает проблему коррозии на непокрытых участках.

Смазывающая способность и антипригарные свойства-
Оба покрытия обеспечивают минимальное трение, хотя есть и различия:

Химический никель обеспечивает гладкую, устойчивую к истиранию поверхность, препятствующую прилипанию многих материалов. В частности, ЭН с высоким содержанием фосфора имеет стекловидную структуру, которая предотвращает прилипание полимеров, остатков пищи и химических отложений.

Еще одним свойством твердого хрома является его низкое трение, и он обычно используется в пресс-формах и штампах для предотвращения прилипания формованных деталей.

Химический никель часто выбирают для пищевой и фармацевтической промышленности из-за его не-токсичности и отсутствия опасного химического вещества шестивалентного хрома. Для твердого хромирования используются опасные ванны с Cr(VI), и покрытие может вызывать опасения по поводу выделения хрома во время износа.

Химический никель и твердый хром (сравнительная таблица) для нагревательных пластин
Химический никель (с высоким содержанием фосфора) Твердый хром
Метод осаждения Авто-каталитический (химический) Электролитический (электрический ток)
Однородность покрытия Отличная - одинаковая толщина на всех поверхностях Плохая - толще по краям/углам, тоньше в углублениях
Типичный диапазон толщины 0,0005–0,010 дюйма (12–250 мкм) 0,001–0,003 дюйма (25–75 мкм)
Твердость, HRC покрытия 50 – 55 65 – 72
Твердость после термообработки-(HRC) 65–70 (после 400 градусов/1 час) Не подходит (термическая обработка разрушает хром)
Коррозионная стойкость (солевой туман) Отличная (500 – 1000+ часов до красной ржавчины) Плохая (обычно < 100 часов без нижней пластины)
Устойчивость к хлоридам От хорошей до превосходной (высокий-P EN) Плохая (микротрещины приводят к образованию язв на подложке)
Устойчивость к едким растворамХорошоСправедливо
Коэффициент трения (сухой по стали) 0,10 – 0.15 0.10 – 0,15
Максимальная рабочая температура ~400 градусов (выше твердость падает) ~400 градусов (начинается окисление)
Токсичность/опасность для окружающей среды Умеренная (соли никеля, но без Cr(VI)) Высокая (канцерогенный шестивалентный хром)
Относительные затраты (на единицу площади) От умеренных до высоких (в зависимости от содержания фосфора) От низких до умеренных (хотя обработка отходов увеличивает расходы)
Типичные области применения нагревательных пластин Формовочные плиты, быстроизнашиваемые поверхности, штампы для формования металла, зоны скользящего контакта. Химические реакторы, пищевая промышленность, полупроводниковое оборудование, морская среда.
рекомендации для конкретных приложений-.
Где сияет химический никель
Химическое никелирование рекомендуется для нагревательных пластин, когда основными факторами являются устойчивость к коррозии и однородность покрытия. К конкретным ситуациям относятся:

Нагревательные пластины для химической обработки - Воздействие кислоты, щелочи или органических растворителей. Наивысшая защита от коррозии была получена для EN с высоким содержанием фосфора 10–12 % P.

Пищевое и фармацевтическое оборудование – EN соответствует требованиям FDA (при правильном изготовлении) и устойчив к воздействию моющих средств. Это позволяет избежать проблем с токсичностью шестивалентного хрома.

Морские и береговые установки Незащищенная сталь или плохо хромированное покрытие быстро ржавеет от солевых брызг и влажности. EN обеспечивает длительную-защиту.

Сложная геометрия нагревательных пластин EN обеспечивает равномерную обработку обработанных каналов, глухих отверстий и резьбовых элементов, обеспечивая защиту всех поверхностей.

Применение в полупроводниках и чистых помещениях. - EN не содержит-твердых частиц и устойчив к химическому воздействию технологических газов и чистящих растворов.

В условиях-преобладания коррозии предпочтительным выбором является никель, полученный химическим способом.

Когда Hard Chrome — правильный выбор
Когда наиболее важными требованиями являются износостойкость и твердость поверхности, лучшим решением является твердое хромирование. Примеры:

Плиты для компрессионного формования. Постоянный контакт с абразивными составами форм или армированными волокнами материалами требует максимальной износостойкости.

Пластины для ламинирования - Истирание происходит, когда скользящие листы материала трутся о поверхность пластины. Твердый хром может продлить срок службы пластин.

Термосварочные стержни - Они должны иметь прочную поверхность с низким коэффициентом трения для постоянного контакта с упаковочной пленкой и воздействия механического давления.

Восстановление изношенных нагревательных пластин - Твердый хром можно нанести намного толще (от 0,005 до 0,010 дюйма), чтобы восстановить размеры перед окончательной шлифовкой.

Твердый хром – отличный выбор для ситуаций,-преобладающих в отношении износа. Если в той же области применения дополнительно присутствуют хлориды или высокая влажность, рекомендуется использовать никелевую подкладку во избежание коррозии в микротрещинах.

Гибридные методы
В некоторых требовательных применениях необходимы как стойкость к коррозии, так и износостойкость. Популярный гибрид — это нижняя пластина из никеля, полученного химическим способом (0,0005–0,001 дюйма) поверх тонкого верхнего покрытия из твердого хрома (0,0002–0,0005 дюйма). EN обеспечивает защиту от коррозии и герметизирует стальную основу, а хром создает на конце твердую поверхность с низким-трением. Альтернативно, термически обработанный химический никель сам по себе дает твердость, близкую к хрому, с очень хорошей коррозионной стойкостью и является предпочтительной альтернативой однослойному покрытию.

Практические соображения по изготовлению нагревательных пластин
При выборе покрытия для нагревательной плиты необходимо учитывать несколько практических вопросов:

Водородное охрупчивание - Водород можно вводить в основы из высокопрочной стали (например, закаленную инструментальную сталь) как с помощью EN, так и с помощью процессов твердого хромирования. После нанесения покрытия требуется несколько часов обжига при температуре 190 градусов, чтобы выделить водород и предотвратить растрескивание из-за охрупчивания.

Воздействие температуры. Никель, полученный химическим способом, имеет пик твердости при 400 градусах, но может размягчаться при более высоких температурах. Будьте осторожны при нагревании пластин до температуры выше 350 градусов. Твердый хром тверд примерно до 400°C. Помимо этого он окисляется.

Толщина и теплопроводность - Покрытие увеличивает термическое сопротивление. Теплопроводность EN-покрытия толщиной 0,002 дюйма (50 мкм) составляет менее 1 % от теплопроводности голой стали и незначительна для большинства нагревательных пластин. Хром имеет меньшую теплопроводность, чем никель, однако разница невелика.

Подготовка поверхности. Обе процедуры необходимо тщательно очистить и активировать. Основание должно быть лишено масел, оксидов и посторонних веществ для EN. Для твердого хрома деталь часто подвергается обратному-травлению для активации поверхности. Это может повлиять на размерные допуски.

Следует отметить, что химический никель может применяться к более широкому спектру материалов подложек, чем твердый хром. EN-пластины из алюминия, меди, нержавеющей стали и даже из не-проводящих материалов (после соответствующей активации). Твердый хром требует проводящей поверхности и обычно используется в стали, нержавеющей стали или медных сплавах.

Экономические и экологические соображения
Химический никель и твердый хром – это не просто сравнение цен. Твердый хром менее затратен по химическим и энергетическим затратам на единицу толщины, но утилизация отходов шестивалентного хрома обходится дорого и строго регулируется. В некоторых странах (ЕС, Калифорния, Китай) твердое хромирование ограничивается или прекращается из-за канцерогенных выбросов Cr(VI) и сточных вод. Химический никель более дорог в химическом отношении, но имеет меньшую нормативную нагрузку и в целом экологически приемлем.

Для нагревательных пластин, которые должны соответствовать экологическим требованиям (например, RoHS, REACH или ограничениям на контакт с пищевыми продуктами), химический никель часто является единственным подходом.

Абстрактный
Выбор химического никелирования или твердого хромирования для защиты поверхностей нагревательных пластин зависит от доминирующего механизма отказа, ожидаемого при эксплуатации. Химический никель обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость и однородность покрытия для химической обработки, кулинарного оборудования, морской среды и пластин сложной геометрии. Твердый хром обладает превосходной твердостью и износостойкостью и поэтому подходит для применений с высоким износом, таких как формовочные плиты, ламинирующие прессы и скользящие контактные поверхности.

Для большинства нагревательных пластин общего назначения, где коррозия и износ умеренные, термически обработанный химический никель обеспечивает привлекательный баланс: твердость, приближающаяся к твердости хрома, отличная защита от коррозии, равномерное покрытие и соответствие экологическим требованиям. Если основным беспокойством является высокая абразивность, твердый хром (по сравнению с никелевой нижней пластиной, если коррозия также является проблемой) все еще является возможным выбором. Выбирайте покрытие в зависимости от преобладающего вида отказа нагревательной пластины – коррозии или износа, чтобы защитное покрытие продлевало срок службы и сохраняло целостность процесса.