Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Никелирование.

Лабораторная работа №4

Электроосаждение покрытий.

Никелирование.

Теоретическая часть

Слой или система слоев веществ, наносимых на поверхность металла с целью защиты от коррозии, — так по ИСО 8044 определяется термин «защитное покрытие». Современная техника требует от металлических и неметаллических неорганических покрытий не только выполнения защитных функций, одновременно они должны обладать определенной прочностью и износостойкостью, электро­проводимостью или электросопротивлением, диэлектрическими или магнитными свойствами, паяемостью и другими функциональными свойствами.

Наиболее распространенные покрытия электролитические достаточно полно стандартизованы в рамках ИСО/ТК 107. В после­днее десятилетие созданы комплексы международных стандартов на защитные и функциональные электролитические покрытия и пе­ресмотрены все ранее утвержденные международные стандарты на защитные покрытия цинком, кадмием, оловом и др. металлами.

На важность развития международной стандартизации в области электролитических покрытий указывает тот факт, что гальваническое производство является одним из крупных потребителей тяжелых металлов и других экологически вредных химических реактивов. Кроме того, для нанесения покрытий расходуется значительная доля стратегических металлов: золота, серебра, кобальта, хрома, никеля, олова. По литературным данным, только в России гальваническое про­изводство, размещенное на четырех тысячах заводов, ежегодно расходует не менее 25% олова, 15% никеля, 50% кадмия, десятки тысяч тонн кислот, щелочей, а также 0,65 км³ воды для промывки изделий. Общая площадь поверхности покрываемых изделий к 2000 г достигнет 2 млрд. м²/г.

Сегодня наступил новый этап в работах по стандартизации элек­тролитических покрытий - наряду с дальнейшим развитием комплекса стандартов необходимо создать стандарты, обобщающие обо­значения покрытий в технической документации. Чрезвычайная опасность для человека ионов шестивалентного хрома, кадмия, никеля ставит задачу международной стандартизации безотходных и ма­лоотходных технологий нанесения покрытий.

Параметры процесса электроосаждения

Ионы, образовавшиеся в результате электролитической диссоциации, движутся в электролите беспорядочно. Если же в электролит на некотором расстоянии поместить два токопроводящих электрода (катод «—», анод «+»), присоединенных к источнику постоянного тока (рис. 1), то под действием электрического поля ионы будут двигаться направленно. В цепи возникнет электрический ток. Положительно заряженные ионы (ионы металлов и водорода) перемещаются к катоду и поэтому называются катионами, отрицательно заряженные ионы (ионы металлоидов и кислотных остатков) движутся к аноду и называются анионами.

Рис. 1. Схема процесса электроосаждения металлов:

1 — источник тока; 2 — раствор электролита; 3 - анод; 4 - катод;

5 - осаждающийся металл, 6 – амперметр.

Достигнув поверхности электродов, ионы разряжаются, превращаясь в нейтральные атомы или группы атомов. На катоде выделяются металлы и водород, а анод растворяется, и на его поверхности возможно выделение кислорода. На электродах происходят и другие дополнительные процессы, окислительно-восстановительные реакции. Так, например, на катоде возможно не полное, а лишь частичное восстановление ионов трехвалентного железа до двухвалентного, т.е.

Fe³⁺ + e ® Fe ²⁺ (4.11)

При протекании тока через электролит на границах раздела между электродами и электролитом происходят химические реакции: на катоде — реакция восстановления, на аноде — реакция окисления, освобождающая электроны. Восстановлением называется процесс присоединения электронов Режим электролиза при заданном составе электролита характеризуется тремя основными показателями:

- катодной плотностью тока (А/дм²).

- кислотностью электролита (выражаемой в г/л или в единицах рН),

- температурой электролита (°С),

Плотность тока — сила тока, приходящаяся на единицу площади поверхности электрода, т. Е.

I = I/S, (4.12)

где I — сила тока, A;

S — площадь поверхности электрода, дм².

Плотность тока на катоде обозначают через i_к, на аноде i_a. Объемная плотность тока в ванне показывает отношение силы тока к объему ванны и измеряется в А/л.

Самым востребованным покрытием из этой группы является никелевое. Около 13% всего выпускаемого никеля используется для получения гальванических покрытий.

Покрытия никелем применяют на железе, цинке и других металлах для придания поверхности коррозионной стойкости, красивого декоративного вида, стойкости против эрозии и абразивного износа, в качестве подслоя под хромовое покрытие и для некоторых специальных целей, например, для уменьшения перенапряжения для выделения водорода в электролизёрах по производству водорода и кислорода. Очень трудно даже перечислить области применения никелевых покрытий. Условно можно разделить их на защитно-декоративные покрытия и покрытия технического назначения. Защитно-декоративные покрытия, часто в комбинации с хромовыми, применяют в автомобильной промышленности для отделки бамперов, ручек, втулок, решёток, затворов, антенн и многих других деталей внешней и внутренней отделки. Никелирование широко применяют для покрытий деталей велосипедов, детских колясок, различной фурнитуры строительного назначения (ручек, замков, ключей) механического инструмента, кухонного оборудования и другой бытовой техники. Такие покрытия имеют толщину 5-40 мкм, в некоторых случаях их покрывают хромом толщиной 0,5 мкм для придания поверхности блестящего вида. Покрытия никелем наносят и на детали из пластмасс для придания им декоративного металлического вида и блеска.

Покрытия технического назначения наносят для улучшения свойств новых деталей, восстановления изношенных за счёт истирания, коррозии или других видов разрушения поверхностей металла, наращивания толщины из-за неточной машинной обработки детали, а также как подслой для толстых хромовых покрытий. Осадки, толщиной 25-250 мкм наносят на корпуса насосов, теплообменники, испарительные трубы, баки стиральных машин, щелочные батареи, ёмкости для пищевых производств. Покрытия, подвергаемые в дальнейшем механической обработке, достигают толщины 125-500 мкм. Их применяют в компрессорах, для арматуры в электромоторах, для оборудования в резиновой и бумажной промышленности. Механически обработанные покрытия для отремонтированных после износа деталей с хромовым покрытием толщиной 5-6 мкм, что диктуется экономической целесообразностью. Такие покрытия наносят на оси, шарнирные сцепления, гидравлические рамы, колонны, шестерни, подшипники, автомобильные детали и многие другие детали и конструкции.

Никелирование применяется в гальванопластике, где электроосаждение проводится в специальной матрице, от которой потом покрытие легко отделяется. Получившийся таким образом осадок имеет необходимую, заранее заданную матрицей форму. Разнообразие формы объекта может быть воспроизведено в этом случае с высокой точностью. Никель имеет то преимущество, что его внутренние напряжения, твёрдость и пластичность могут быть изменены в широких пределах и процесс гальванопластики даёт возможность получить прочное жесткое изделие, способное сопротивляться абразивному износу, эрозии и коррозионному воздействию.

Самым распространённым, простым и экономически выгодным является электролит Уоттса следующего состава, г/л:

Сульфат никеля NiSO ₄ ×7H2O - 240 –300;

Хлорид никеля NiCl₂ × 6H₂O - 40 – 60;

Борная кислота H₃BO₃ - 25 – 40;

Условия электроосаждения:

Температура - 25-50⁰С;

рН - 4,0-5,0;

Катодная плотность тока – 3-7 А./дм²;

Перемешивание воздушное;

Скорость осаждения - 40-90 мкм/час;

Аноды - никель

Состав электролита легко анализируется, корректируется и может работать годами. Основным поставщиком ионов никеля являются хлорид и сульфат никеля. Ионы хлора препятствуют пассивации никелевого анода и улучшают электропроводность раствора, борная кислота способствует стабилизации рН раствора в процессе электролиза.

Процесс электроосаждения никеля, также как и железа, и кобальта сопровождается высокой катодной поляризацией, то есть, для того, чтобы на катоде начался процесс кристаллизации необходимо приложить большое напряжение к катоду. Затруднение процесса обусловлено большой величиной гидратации ионов никеля, замедленностью их разряда, и перехода гидратированных ионов металла в промежуточные активированные комплексы, адсорбированные на катоде и т.д. Никель, вследствие высокой химической активности прочно удерживает на своей поверхности адсорбированные посторонние частицы, образуя пассивирующие слои. Затруднение восстановления ионов металла, возможно, связано с адсорбцией чужеродных частиц. Подтверждением этого является тот факт, что при высоких температурах и в автоклаве, когда скорость адсорбции очень мала по сравнению со скоростью обновления поверхности во время электролиза, ингибирующее влияние адсорбированных чужеродных частиц устраняется. Катодная поляризация резко снижается, токи обмена возрастают, оставшаяся небольшая поляризация является в основном концентрационной.

При высокой температуре осадки никеля становятся крупнозернистыми.

Мелкозернистые, твёрдые полублестящие осадки никеля можно получать из растворов простых солей никеля в обычных условиях электролиза. Такое качество осадков объясняется образованием коллоидных растворов основных солей никеля в околокатодном пространстве или образованием гелеобразной плёнки на катоде. Чем выше степень дисперсности коллоидного золя Ni(OH)₂, тем больше вероятность образования блестящих осадков никеля. Добавление в электролит блескообразователей стабилизирует коллоидную плёнку. При высокой температуре образуются крупнозернистые осадки из тех же электролитов, так как разрушается коллоидная плёнка около катода и снижается перенапряжение.

Атомарный водород, выделяющийся совместно с никелем на катоде, увеличивает внутренние напряжения и твёрдость, ухудшает пластичность осадка. Поэтому в электролит добавляют компоненты, увеличивающие перенапряжение при разряде ионов водорода, при этом возрастает выход никеля по току.

В настоящее время существуют десятки электролитов никелирования (см. табл. 4.3), в которых используются различные буферные добавки (борная, адипиновая, янтарная, глутаровая кислоты), поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как лаурилсульфат натрия, сахарин, паратолуолсульфамид и др., блескообразователи: сульфосоединения ароматического ряда 2,6 (2,7) - нафталиндисульфокислота и др.) ненасыщенные спирты и гликоли, содержащие двойную или тройную связь (1,4-бутиндиол, пропаргиловый спирт), азотсодержащие соединения и др.

Таблица

Для улучшения электропроводности растворов никелирования и устранения пассивности никелевых анодов в состав электролита вводят галоидные соединения щелочных металлов: NaCl, NaF, KF и др.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Исследовать процесс получения коррозионностойкого покрытия на стали, определить по заданным параметрам процесса электролиза выход по току никеля, удельный расход электроэнергии, оптимальные условия проведения процесса.