Никелирование металлических поверхностей

Никелирование металла

[no_toc]

Что такое никелирование это нанесение слоя никеля металла с целью предотвратить коррозию железа, в этом случае он применяется как подслой при хромировании, в химической промышленности от действия щелочных растворов и т.д.

Процесс никелирования в зависимости от применения может происходить в несколько этапов: удаление посторонних материалов (ржавчина, масло и т.д.), электрохимическое осаждение никеля на катоде.

В лабораторных условиях процесс осаждения производят с помощью электролиза.

Никелирование широко применяется в гальванотехнике при защитно-декоративной отделке изделий машиностроения, приборостроения, а также предметов широкого потребления. Подобное распространение никеля объясняется тем, что хотя никель и относится к числу электроотрицательных металлов (φ°_Ni/Ni²⁺ = —0,23 в), однако в обычных атмосферных условиях, благодаря пассивированию, он длительное время сохраняет свой блеск. В гальванической паре никель—железо он является катодным покрытием и, следовательно, может защищать железо лишь при условии отсутствия оголенных участков и пор. Поэтому необходимо получать никелевые покрытия с минимальной пористостью. Это условие может быть соблюдено при правильном ведении процесса никелирования и определенной толщине слоя никеля.

Для никелевого покрытия без подслоя на стали она колеблется в пределах 12—36 мк в зависимости от условий эксплуатации. Для уменьшения пористости на стали осаждают сначала слой меди, а затем уже слой никеля. В некоторых случаях наносят трехслойное покрытие никель — медь — никель, не требующее применения медного цианистого электролита. В этих условиях, а также при покрытии деталей из меди и сплавов меди никелевые покрытия наносят меньшей толщины. Суммарная толщина никеля и меди при этом не должна быть меньше положенной толщины никеля. Толщина же наружного слоя никеля должна составлять не менее 50% от суммарной толщины. Никелевое покрытие хорошо полируется и может быть легко доведено до зеркального блеска.

Никелирование применяют также для защиты химической аппаратуры от действия щелочных растворов, в полиграфическом производстве для повышения поверхностной твердости и сопротивления износу гартовых стереотипов и клише, в гальванопластике, а также в качестве подслоя при хромировании. Никелирование можно осуществить как электрохимическим, так и химическим методом.

По химическому методу восстановление сульфата никеля до металла происходит с помощью гипофосфита натрия:

NiSO₄ + NaH₂PO₂ + Н₂O → Ni + NaH₂PO₃ + H₂SO₄

Одновременно происходит также выделение фосфора, образующего с никелем соединение с содержанием от 4 до 10%Р. Основным преимуществом химического никелирования является возможность осаждения никеля равномерным слоем на изделиях любой конфигурации, в том числе и на внутренних стенках полых изделий. Однако этот метод дорог и осаждение никеля в основном производят электрохимически.

В качестве электролитов для никелирования можно применять сернокислые, хлористые, борфтористоводородные, сульфаминовые и другие.

Хлористый электролит дает менее светлые осадки, чем сернокислый, поэтому последний более предпочтителен. Сульфамат никеля обладает высокой растворимостью, и следовательно позволяет работать с большей плотностью тока, но более дефицитен.

При электрохимическом осаждении никеля на катоде протекает два основных процесса:

Ni²⁺ + 2е → Ni

2Н⁺+2e → Н₂

В результате разряда ионов водорода концентрация их в прикатодном слое может снизиться до значений, отвечающих образованию гидратов. Основные соли никеля существенно влияют на процесс электроосаждения никеля, его структуру и свойства.

Никель осаждается с заметной химической поляризацией.

Сернокислые никелевые электролиты

Основным компонентом никелевых электролитов является NiSO₄ • 7Н₂O. Для повышения электропроводности вводят сульфаты натрия, магния и аммония.

Важным компонентом кислых электролитов является, как уже отмечалось, борная кислота, препятствующая выпадению основных соединений никеля на поверхности катода. По-видимому, влияние борной кислоты не исчерпывается только буферным действием. Борная кислота образует с Ni(ОН)₂ сложные комплексы типа. Ni(OH)₂ • 2Н₃ВО₃, которые снижают скорость образования гидроокиси никеля в прикатодной зоне. Области получения качественных осадков никеля при различных рН приведены на рис. 2.

Однако следует иметь в виду, что электролиты с малой величиной рН, допуская более высокие плотности тока и, следовательно, интенсификацию процесса, чаще вызывают точечную пористость (питтинг) на осадках никеля, чем электролиты с высоким значением рН. Кроме того, имеет место сильное растворение анодов, что приводит к необходимости более частой корректировки электролита из-за неравенства катодного и анодного выходов по току (катодный выход по току значительно ниже анодного). Наконец, при использовании электролитов с низким рН блестящие никелевые покрытия можно получать только при низких температурах.

Рис. 2. Рабочие интервалы никелевых электролитов при различной кислотности. (Области выделения доброкачественных покрытий лежат между линиями с одинаковыми значениями рН.)

Никелевые аноды склонны к пассивированию. Для предупреждения пассивирования анодов в никелевый электролит вводят активаторы —ионы хлора в виде NaCl, КСl, NiCl₂. Плотность тока, вызывающая пассивирование анодов, зависит от соотношения концентраций ионов SO^2-₄ и Сl^— в электролите. При повышенных плотностях тока относительное содержание ионов Сl^—необходимо увеличивать. Нормально работающий анод имеет серый цвет и шероховатую поверхность; при полной пассивности на аноде происходит выделение кислорода совместно с хлором, а поверхность становится более гладкой и имеет желто-коричневый цвет (окись и гидроокись никеля).

Наиболее легко растворяются литые аноды, но дают много шлама; катаные растворяются хуже, но равномернее. Аноды из электролитического никеля также образуют значительные количества шлама. Для предотвращения попадания шлама в электролит никелевые аноды помещают в чехлы из ткани (льняное полотно, стеклянная ткань, найлон).

Рассеивающая способность никелевых электролитов значительно выше, чем рассеивающая способность медных и цинковых кислых электролитов, но уступает рассеивающей способности цианистых электролитов.

Плотность тока 0,5—1,0 а/дм². Температура электролита 18— 25° С. Выход по току 95—97%. При подогревании до 40° С и перемешивании плотность тока может быть повышена до 2,5 а/дм²; рН = 5,5.

Для скорого наращивания никеля рекомендуется повышение концентрации соли никеля, уменьшение концентрации или даже полное изъятие проводящих солей и замена щелочных хлоридов хлоридом никеля. Помимо того, снижается величина рН и повышается температура. Катодная плотность тока при этом может быть поднята до 10 а/дм².

В настоящее время разработаны составы электролитов, которые позволяют получать непосредственно блестящие никелевые покрытия. Это позволяет сократить затраты, связанные с механической полировкой.

Для блестящего никелирования в электролит вводят добавку натриевой соли 2,6 (2,7)-дисульфонафталиновой кислоты. Электролит с дисульфонафталиновой добавкой не исключает полностью полировки; от 30 до 50% деталей обычно требуют еще доглянцовки. Поэтому наряду с дисульфонафталиновокислым натрием вводят добавки формалина и сахарина. Еще больший эффект получается от добавки пропинола.

В последние годы получили применение электролиты с добавками паратолуолсульфамида и кумарина, а также сахарина и пропинола или бутиндиола; в этих электролитах осадки получаются с высоким зеркальным блеском и практически не требуют дополнительной глянцовки, при этом повышается чистота покрываемой поверхности, так как этот электролит обладает выравнивающими свойствами. Процесс ведут при непрерывной фильтрации и перемешивании.

Никелевый электролит очень чувствителен к примесям. Так, наличие железа в электролите приводит к отслаиванию и растрескиванию покрытия. Хрупкость никелевого покрытия может появиться также при наличии в растворе некоторых органических соединений. Примесь меди и цинка вызывает образование пятнистых, полосчатых темно-серых и черных осадков никеля. Допустимая концентрация металлов-примесей в электролите следующая: 0,1 г/л Fe, 0,02 г/л Сb, 0,01 г/л Zn и 0,007 г/л Рb.

Загрязнение электролита органическими соединениями, наличие в электролите взвешенных частиц, а также отклонения от режима электролиза (по температуре и рН) могут привести к образованию точечной пористости. Точечная пористость является следствием прилипания к покрываемой поверхности пузырьков водорода.

Которое экранируют поверхность основы и не дают осаждаться в этом месте никелю. При образовании «питтинга» следует произвести очистку раствора от железа и органических примесей и отфильтровать электролит. Рекомендуется также добавлять перекись водорода в количестве 1 см³ (10%-ный раствор) на 1 л электролита. «Питтинг» может быть удален при перемешивании электролита, а также путем изменения ре-жима электролиза. В последнее время в электролиты стали вводить

Специальные антипиттинговые добавки (например, моющее средство). На изделиях, покрытых никелем, иногда наблюдается расслоение покрытия (никель от никеля). Это может происходить, если процесс электролиза кратковременно прервался, и поверхность никеля успела запассивироваться.

Специфические трудности возникают также при осаждении никеля на алюминий и его сплавы (наличие окисной пленки, электроотрицательный потенциал). Для обеспечения прочного сцепления металлов используется цинкатная обработка с последующим меднением.

Другие электролиты для никелирования

В настоящее время промышленное применение получили сульфаминовые и некоторые другие электролиты. Сульфаминовый электролит применяют за рубежом. Он позволяет вести процесс на высокоинтенсивном режиме.

Для приготовления сульфамата никеля в сульфаминовую кислоту вводят карбонат никеля:

NiCО₃ + 2NH₂SО₃H → Ni (SО₃NH₂)₂ + CО₂ + H₂О

при содержании в электролизе до 600 г/л сульфамата никеля плотность тока может быть доведена до 40 а/дм².

Некоторые детали приборов (оптических и других) требуют от покрытия значительной коррозионной устойчивости в сочетании с малой отражательной способностью. Этим условиям удовлетворяют покрытий черным никелем, которые могут быть получены из электролита с добавками сульфата цинка и роданида аммония. Анализ осадка черного никеля показывает, что он содержит никель, цинк, серу, водород и кислород. Предполагается, что осадок состоит из свободных металлов — никеля и цинка, их сульфидов и гидроокисей.

Структура и механические свойства электролитического никеля

Структура и механические свойства никелевых осадков в сильной степени зависят от условий электролиза.

Для никеля характерно игольчатое строение кристаллов, расположенных своими длинными осями перпендикулярно плоскости катода. После отжига осадки имеют равноосные зерна средних размеров.

Механические характеристики никелевого осадка сильно зависят от рН электролита.

По данным А. Л. Ротиняна и Ю. П. Юсовой, микротвердость, предел прочности, относительное удлинение и другие свойства резко меняются при значении рН>5. Это объясняется образованием в катодном слое гидроокиси никеля, которая в сильной степени влияет на процесс кристаллизации, а следовательно, и на механические свойства осадков. Твердость никеля, полученного из электролитов без органических добавок, обычно колеблется в пределах 300—400 кга/мм². При введении добавок для повышения блеска микротвердость возрастает до 600-700 кгс/мм². Прочность на разрыв соответственно изменяется 60 до 175 кгс/мм^2.

Для никеля характерны высокие внутренние напряжения растяжения, достигающие 25—30 кгс/мм².

Как уже отмечалось, защитное действие никелевых покрытий на стали снижается при наличии оголенных участков и пор. Пористость никелевых покрытий зависит не только от толщины слоя, но и от условий электроосаждения. По данным А. Л. Ротиняна, минимальная пористость никелевых покрытий достигается в сернокислом электролите без добавок проводящих солей и при повышенной температуре (45—50°С).

Статья на тему Никелирование