Регион:

Никелирование и его электролиты

Никелирование и его электролиты

Никелирование является распространенным методом для предохранения поверхности деталей от воздействия коррозии. Никелированию подвергают как малонагруженные детали, так и высоконагруженные, а также используют для отделки деталей с декоративными целями.

При никелировании деталей происходит снижение их сопротивления усталости (примерно на 30 %). Следовательно, никелирование деталей, работающих на усталость, нужно применять с большой осторожностью. Понижение сопротивления усталости объясняется большими растягивающими напряжениями. Никелирование не влияет на прочность, определяемую статическими нагрузками. Особо ценным для металлов, подвергнутых никелированию, является то, что у них не наблюдается снижения ударной вязкости.

Никель - металл серебристо-белого цвета, плотность - 8,9 г/см3, температура плавления - 1452 °С. Микротвердость гальванически осажденных никелевых покрытий зависит от состава электролита и режима работы и может колебаться от 2000-3000 до 7000-8000 МПа.

Никель имеет атомную массу 58,69, валентность - II, электрохимический эквивалент - 1,095 г/А-ч, стандартный потенциал - 0,25 В.

В гальванической паре железо-никель последний, как более электроположительный металл является катодом по отношению к железу и, следовательно, электрохимически не может защищать железо от коррозии. Однако, в качестве защитно-декоративного покрытия никель способен надежно защитить железо от коррозии в атмосферных условиях при условии полной беспористости покрытия. Для уменьшения толщины никеля, так как он является дефицитным и дорогостоящим металлом, его наносят на подслой меди.

Кроме защитно-декоративной отделки никелирование получило широкое применение в химической промышленности для защиты рабочих поверхностей оборудования от воздействия различных агрессивных сред. В этих случаях толщина осажденного никеля без подслоя меди достигает 200-300 мкм. Для защиты хирургических инструментов толщиной покрытия 9-12 мкм никелирование также производится без подслоя меди.

В пищевой промышленности никель может заменить покрытие оловом. Высокая твердость и износостойкость никелевых покрытий используется в полиграфической промышленности для повышения стойкости клише и стереотипов, мерительного инструмента и, особенно для деталей, эксплуатируемых в условиях сухого трения.

Виды электролитов и режимы осаждения

При никелировании используются как кислые, так и щелочные электролиты. К ним относятся борфтористоводородные, кремнефтористоводородные и сульфаминовые электролиты.

Электролиты для никелирования весьма чувствительны к отклонениям от принятого режима и наличию посторонних примесей. Особенно сильно на них влияет понижение температуры и при снижении ее до 10 °С они фактически непригодны для эксплуатации. Для ускорения процесса никелирования необходимо проводить постоянное перемешивание раствора, для чего ванны оснащают автоматическими устройствами, обеспечивающими покачивание катодных штанг. Фильтрация электролита повышает качество получаемого покрытия. Ускорение процесса и улучшение качества покрытия создаются также при помещении деталей в ультразвуковое поле.

При эксплуатации никелевых электролитов необходимо соблюдать следующие правила:

  1. Ванны никелирования к моменту загрузки деталей должны быть полностью подготовлены, катодные и анодные штанги тщательно вычищены;
  2. Воспрещается корректирование электролитов по составу и величине рН во время процесса покрытия;
  3. Загрузку деталей следует производить быстро, при включенном токе с постепенным повышением силы тока до заданной величины;
  4. Не допускается выключение тока в процессе никелирования или изъятие подвесок из ванны для осмотра, так как это приводит к отслаиванию покрытия;
  5. Поворачивание деталей в приспособлениях для перемещения точек контакта и прочие исправления в расположении деталей в ванне следует производить только в резиновых перчатках, так как если касаться деталей незащищенными руками, в местах касания образуются непокрытые участки;
  6. Для подвесных крюков к анодам и проводников к внутренним анодам не следует применять медь, так как при анодном растворении медь загрязняет электролит, более пригодно железо, электроизолированное пластмассой. В качестве изоляционных материалов применяют резину, эбонит, эпоксидные смолы, пер-хлор-виниловые лаки, фторлон 4 и лаки из суспензий фторлонов 3М и 4Д.

При электролитическом никелировании используются прутковые горячекатаные никелевые аноды. Для внутренних анодов применяют никелевую проволоку марок диаметром от 1 до 12 мм. Весьма рационально также применение никелевых анодов в форме пластинок с размерами 25x25x5 мм. Пластинки помещают в специальные анодные корзины в форме плоских рам, изготовленных из титана и винипласта.

Аноды должны быть предварительно очищены от шлама стальными щетками, заключены в чехлы из льняной ткани и погружены в электролит так, чтобы их подвесные крюки не касались электролита даже при перемешивании. Нормальное соотношение площади анодов к площади покрываемых деталей должно быть не менее 2:1.

Наибольшее применение в промышленности нашли сернокислые электролиты. Для приготовления сернокислых электролитов необходимы следующие химикаты:

  • сернокислый никель технический NiSO4*7H2O - это кристаллы темно-зеленого цвета, растворимость в воде - до 300 г/л;
  • сернокислый натрий Na2SO4*10Н2O - бесцветные кристаллы, растворимость при 18 °С - около 400 г/л;
  • сернокислый магний MgSO4*7H2O - бесцветные кристаллы, растворимость - до 300 г/л;
  • борная кислота Н3ВO3 вводится в качестве буферного соединения для поддержания величины рН на заданном уровне;
  • хлористый натрий NaCl и фтористый натрий NaF служат для активного растворения никелевых анодов, для этой же цели можно вводить добавки хлористого никеля NiCl2*6Н2O.

Все компоненты растворяют отдельно, фильтруют или декантируют и сливают в ванну никелирования. Затем доливают ванну водой до расчетного уровня, проверяют величину рН и приступают к эксплуатации. Ниже в табл. 5.10 приведены составы и режим работы для нескольких наиболее применяемых электролитов.

Электролиты устойчивы в работе и при правильной эксплуатации и систематической очистке от вредных примесей могут использоваться в течение нескольких лет без замены. Корректирование их состава по содержанию основных компонентов производится, главным образом, вследствие потерь электролита при выемке готовых деталей из ванны. Для деталей, покрываемых на подвесках, удельные нормы потерь электролита на унос колеблются в пределах 120-200 мл электролита на 1 м2 площади покрываемых деталей, а для мелких деталей, покрываемых в колоколах и барабанах, составляют от 220 до 370 мл/м2.

При пользовании электролитами, содержащими фтористый натрий, непрерывное фильтрование их затрудняется засорением фильтровальной ткани коллоидальными сгустками фторидов, содержащих продукты их гидролиза при высоких значениях рН. Для устранения этого явления следует необходимо снижение величины кислотности или ввод фтористых соединений в форме борфтористоводородных солей. Корректировку рН производят добавлением 3%-ного раствора NaOН или H2SO4 при интенсивном перемешивании электролита, которое продолжают после корректировки еще в течение 30-40 мин.

Таблица 5.10. Составы электролитов и режимы их работы.

Компоненты

Состав электролита (г/л) и режимы работы

I

II

III

Сернокислый никель

14-200

250-300

400-420

Сернокислый натрий

60-80

-

-

Хлористый никель

30-40

50-60

-

Борная кислота

25-40

25-40

25-40

Хлористый натрий

-

10-15

-

Фтористый натрий

-

5-6

2-3

Температура, °С

20-50

40-50

50-60

Плотность тока, А/дм2

0,5-2,0

3,0-5,0

5-10

Величина рН

5,2-5,8

5,8-6

2-3

Выход по току, %

95

90

85-90

При никелировании, имеющем своей целью защитно-декоративную отделку изделий, никель должен иметь зеркально блестящую поверхность. Механическое полирование, применяемое для этого, является трудоемкой операцией и требует высокой квалификации рабочих. Кроме того, при полировании никелевых покрытий безвозвратно теряется слой никеля толщиной 2-4 мкм. Поэтому широкое применение получили электролиты с блескообразующими добавками, обладающими способностью выравнивать всякие риски и шероховатости поверхности. Для этого в состав электролита дополнительно вводятся следующие компоненты:

  • 1,4-бутиндиол С4Н6O2 выпускается в виде 100%-ного водного раствора желтого цвета;
  • сахарин пищевой;
  • фталимид С8Н5O2N - белый порошок, растворимость в воде - до 0,4 г/л;
  • перекись водорода Н2O2 - бесцветная жидкость с концентрацией до 40 %. При работе с ней необходимы резиновые перчатки.

Приготовление электролита требует прежде всего применения конденсатной или дистиллированной воды для растворения всех компонентов. Сначала никелевые соли и борную кислоту растворяют в воде при 80-90 °С и доводят электролит водой до заданного объема, Затем электролит подвергают селективной очистке. Для этого доводят рН электролита до 5,0-5,5, подогревают электролит до 45-50 °С и вводят в него марганцево-кислый калий KМnO4 в количестве до 2 г/л или 3%-ный раствор перекиси водорода Н2O2 до 2 мл/л. Затем в электролит вводят активированный уголь в количестве 1-2 г/л и перемешивают сжатым воздухом в течение 3-4 ч. После этого дают отстояться в течение не менее 12 ч и фильтруют.

При этом удаляются органические примеси, железо и частично цинк. Для очистки от меди и следов цинка электролит подкисляют до рН 2,5-3,0, завешивают листы рифленого железа в качестве катодов и прорабатывают электролит при 45-50 °С при перемешивании сжатым воздухом. Проработку ведут при напряжении 0,8-1,0 В и плотности тока 0,1-0,2 А/дм2 до получения светлых покрытий, на что требуется около 2-3 смен. В очищенный электролит вводят блескообразователи, корректируют рН до рабочих значений и приступают к эксплуатации.

Состав одного из таких электролитов в г/л и режимы работы представлены ниже:

  • сернокислый никель - 280-300;
  • хлористый никель - 50-60;
  • борная кислота - 25-40;
  • 1,4-бутиндиол (100%-ный), мл/л - 0,15-0,18;
  • сахарин - 1,0-2,0;
  • фталимид - 0,02-0,04;
  • температура, °С - 50-60;
  • величина рН - 4,0-4,8;
  • плотность тока, А/дм2 - 3,0-8,0.

Электролит требует перемешивания сжатым воздухом и непрерывной фильтрации.

Скорость наращивания никеля ориентировочно можно оценить по табл. 5.11.

Таблица 5.11. Скорость осаждения никеля (мкм/ч).

Плотность тока, А/дм2

Выход по току, %

50

60

70

80

90

95

0,5

3,1

3,7

4,4

5,0

5,6

5,9

1,0

6,3

7,4

8,7

10,0

11,2

11,8

2,0

12,5

14,9

17,6

20,0

22,4

23,6

3,0

18,8

22,3

26,2

29,9

33,6

35,4

4,0

24,1

29,8

34,9

39,9

44,8

47,2

5,0

31,4

37,2

43,6

49,8

56,0

59,0

10,4

62,8

74,4

87,3

99,7

112,0

118,0

Последовательность технологического процесса никелирования

Типовой технологический процесс никелирования должен состоять из следующих операций:

  1. Обезжиривание в органическом растворителе.
  2. Сушка или обезжиривание химическое.
  3. Промывка в теплой воде.
  4. Обезжиривание электрохимическое.
  5. Промывка в теплой воде.
  6. Промывка в холодной воде.
  7. Декапирование.
  8. Промывка в холодной воде.
  9. Никелирование электрохимическое.
  10. Улавливание, промывка в холодной воде.
  11. Промывка в горячей воде.
  12. Сушка.
  13. Контроль.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments