СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ НИКЕЛЕВОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF ELECTROCHEMICAL APPLICATION OF NICKEL COATING

Изобретение относится к области гальваностегии, в частности к процессам электрохимического нанесения никеля, и может быть использовано при изготовлении стальных деталей, которые эксплуатируются в агрессивных средах.
2
Известен способ нанесения защитно-декоративного покрытия, включающий декапирование с последующей промывкой, обезжиривание с последующей промывкой, никелирование с последующей промывкой и сушкой. Декапирование, то есть обработку поверхности металлов для удаления грязи, ржавчины, окалины и окислов производят раствором соляной кислоты из абгазов хлорорганических производств, обезжиривание с использованием раствора кусковой полировальной извести, а никелирование ведут при температуре 20°C, током 0,23±0,07 А/дм в течение 50 минут с использованием никеля сернокислого, магния сернокислого и кислоты борной, при этом рН электролита поддерживают в пределах 4-5,5 [1].
2
Недостатком описанного выше способа электрохимического никелирования является низкая скорость осаждения никеля, вследствие чего увеличивается время технологического процесса, так как используется достаточно низкое значение плотности тока (0,23±0,07 А/дм) при его осаждении, кроме того, осуществление данного способа является трудоемким процессом.
2
Известен способ нанесения гальванических покрытий никелем, включающий осаждение никеля из электролита, содержащего сульфат никеля 0,322-0,889 моль/л, молочную кислоту (80%-ную) 20-30 мл/л и воду при рН 3,0-4,0, температуре электролита 20-25°С, при катодной плотности тока 1,0-3,0 А/дм с использованием графитового анода [2].
Однако использование известного способа не обеспечивает высокое значение выхода по току никеля (88,0%), и поэтому необходимы большие затраты электроэнергии. Также к недостаткам можно отнести содержание в электролите, помимо катионов никеля, органических веществ, которые заметно увеличивают трудоемкость утилизации отработанного электролита и очистку сточных вод с участка никелирования. Отсутствие буферной добавки усложняет процесс контроля значения рН электролита на требуемом уровне. Использование графитового анода ведет к обеднению электролита ионами никеля, что отрицательно сказывается на выходе по току.
2
Из применяемых в настоящее время способов электрохимического никелирования наиболее близким является способ электрохимического нанесения никелевого покрытия, включающий осаждение никеля на предварительно подготовленную стальную поверхность из электролита, содержащего: 300 г/л кристаллогидрата сульфата никеля (II), 45 г/л кристаллогидрата хлорида никеля (II), 38 г/л борной кислоты, воду до 1 л; рН 1,5-4,5. Диапазон рабочих температур 45-65°С. Катодная плотность тока 2,5-10 А/дм [3].
Высокая рабочая температура электролита (45-65°С) создает дополнительные трудности в эксплуатации, так как происходит испарение раствора, в связи с чем пары электролита оказывают токсическое, раздражающее, канцерогенное воздействие на организм работников гальванического участка, также необходим дополнительный расход электроэнергии на нагрев электролита, воды для восполнения необходимого объема электролита в гальванической ванне, на приточно-вытяжную вентиляцию помещения участка никелирования и возможен выход из строя элементов гальванической ванны, чувствительных к высокой температуре. Также получаемое никелевое покрытие из данного электролита имеет низкое значение микротвердости.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение экологической чистоты процесса, получение никелевых покрытий с большим значением выхода по току и микротвердости.
2
Поставленная задача решается предлагаемым способом электрохимического нанесения никелевого покрытия, включающим электрохимическое осаждение никеля из электролита, содержащего кристаллогидрат сульфата никеля (II), кристаллогидрат хлорида никеля (II), борную кислоту и воду, на предварительно подготовленную стальную пластину. Дополнительно перед электрохимическим осаждением никеля проводят выдержку предварительно подготовленной стальной пластины в электролите при температуре 20-25°С и потенциале -0,45 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения. В качестве электролита используют электролит, содержащий: 140 г/л кристаллогидрата сульфата никеля (II), 70 г/л кристаллогидрата хлорида никеля (II), 25 г/л борной кислоты, воду до 1 л. Электрохимическое осаждение никеля проводят при температуре 20-25°С, катодной плотности тока 3,5-5,5 А/дм, рН 5,5, причем температура электролита при проведении выдержки предварительно подготовленной стальной пластины перед электрохимическим осаждением никеля совпадает с температурой электрохимического осаждения никеля или не совпадает.
Предлагаемый способ реализован в лабораторных условиях на установке электрохимического никелирования с использованием потенциостата марки Р-8.
Электролит готовили на дистиллированной воде, применяемые химикаты имели марки «хч». В отдельных емкостях в горячей дистиллированной воде, из расчета на 1 литр воды, растворяли 25 г борной кислоты, а в холодной дистиллированной воде, из расчета на 1 л воды, растворяли 140 г кристаллогидрата сульфата никеля (II) и 70 г кристаллогидрата хлорида никеля (II). Затем в ванну - основную емкость заливали раствор кристаллогидрата сульфата никеля (II) и кристаллогидрата хлорида никеля (II), в этот раствор при перемешивании вливали раствор борной кислоты. Полученный электролит тщательно перемешивали. В этом электролите кристаллогидрат сульфата никеля (II) и кристаллогидрат хлорида никеля (II) являются источниками ионов никеля, борная кислота - это буферная добавка, стабилизирующая рН в значении 5,5.
Подготовка стальной пластины заключалась в химическом обезжиривании и травлении по ГОСТу 9.305-84.
Выдержку предварительно подготовленной поверхности стальной пластины (марки Ст 3) осуществляют путем ее погружения в приготовленный электролит и выдерживания в нем в течение 1 минуты при температуре 20-25°С и потенциале -0,45 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения. В качестве электролита используют электролит, содержащий: 140 г/л кристаллогидрата сульфата никеля (II), 70 г/л кристаллогидрата хлорида никеля (II), 25 г/л борной кислоты, воду до 1 л.
2
Электрохимическое осаждение покрытия на стальную пластину (марки Ст 3) осуществляют в электролите при температуре 20-25°С путем подачи на нее тока. Катодная плотность тока составляла 3,5-5,5 А/дм. Используются никелевые аноды марки НПА1. Толщина осаждаемого никелевого покрытия составляла 15 мкм. Готовое покрытие промывают вначале холодной обессоленной водой, затем горячей обессоленной водой при температуре 70-90°С. Сушка покрытия проводится на воздухе.
Качество сцепления никелевого покрытия с основой проверяли по ГОСТ 9.302-88 методом нанесения сетки царапин. По методу нанесения сетки царапин на поверхность стальной пластины с никелевым покрытием стальным острием нанесли 5 параллельных царапин глубиной до основного металла на расстоянии 2 мм друг от друга и 5 параллельных царапин, перпендикулярных к ним на расстоянии 2 мм друг от друга.
Катодный выход по току определялся по привесу - увеличению массы образца и рассчитывался по формуле
практ
Привес массы (m) измерялся с точностью до 0,0001 г на аналитических весах марки Ohaus РА-64.
Микротвердость полученного никелевого покрытия измерялась методом вдавливания алмазных наконечников по ГОСТ 9450-81.
В течение всего срока эксплуатации электролита электрохимического никелирования самопроизвольное выпадение никеля в объеме электролита и на стенках ванны не наблюдалось. Следовательно, можно сделать вывод о высокой стабильности предложенного электролита никелирования при его работе и хранении.
Для пояснения описанного технического решения представлены примеры конкретного осуществления заявленного способа.
Пример 1
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 3,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно выдержку стальной пластины в электролите не проводили.
Пример 2
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 4,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно выдержку стальной пластины в электролите не проводили.
Пример 3
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно выдержку стальной пластины в электролите не проводили.
Пример 4
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 6,0 А/дм и температуре 23°С, предварительно выдержку стальной пластины в электролите не проводили.
Пример 5
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 3,0 А/дм и температуре 23°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 23°С.
Пример 6
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 3,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 23°С.
Пример 7
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 4,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 23°С.
Пример 8
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 23°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 23°С.
Пример 9
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 6,0 А/дм и температуре 23°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 23°С.
Пример 10
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 25°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 25°С.
Пример 11
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 20°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 20°С.
Осаждение никеля при температуре выше 25°С нецелесообразно, так как будет необходим подогрев электролита в гальванической ванне, что ведет к дополнительным расходам электроэнергии.
При температуре ниже 20°С осуществление заявленного способа невозможно, так как никель при низкой температуре электролита не осаждается.
Пример 12
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 20°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 22°С.
Пример 13
2
Электрохимическое осаждение никелевого покрытия на стальную пластину (марки Ст3) осуществляли из электролита при катодной плотности тока 5,5 А/дм и температуре 22°С, предварительно проводили выдержку стальной пластины в электролите при температуре 20°С.
Проведение выдержки стальной пластины в электролите и электрохимическое осаждение никеля нецелесообразно вести при разных температурах, так как увеличивается время технологического процесса за счет нагревания или охлаждения электролита между операциями выдержки и электрохимического нанесения никелевого покрытия.
Характеристика получаемых покрытий представлена в таблице 1.
Преимуществом заявленного технического решения перед прототипом является: экологическая чистота процесса за счет уменьшения испарения электролита с поверхности ванны. Заявляемый способ позволяет получить полублестящие никелевые покрытия с высоким значением выхода по току и микротвердости.
Источники информации
1. Патент 2202654, Российская Федерация, МПК C25D 3/12, C25D 5/34. Способ нанесения защитно-декоративного покрытия/заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Булат" (RU) 2001135357/02; заявл. 27.12.2001; опубл. 20.04.2003 // www.fips.ru.
7
2. Патент 2354756, Российская Федерация, МПК C25D 3/12. Способ нанесения гальванических покрытий никелем / Перелыгин Ю.П., Киреев С.Ю., Киреева С.Н., Липовский В.В., Ягниченко Н.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПТУ) (RU) 2007142436/02; заявл. 16.11.2007; опубл. 10.05.2009 // www.fips.ru.
3. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах. / Под ред. М.А. Шлугера. - М.: Машиностроение, 1985. - T.1. 1985. - С. 106-107.