Блестящее никелирование

                                                         Введение

  Потребность в значительном  росте производства продукции  машиностроения, товаров широкого потребления, повышении качества продукции, сокращении материально-энергетических и трудовых ресурсов при изготовлении промышленных изделий диктует необходимость увеличить объёмы тех производств, которые обеспечивают надежную защиту изделий от коррозии, снижают их металлоёмкость и улучшают товарный вид.

В решении этих вопросов существенная роль отводится гальванотехнике. Нет ни одной отрасли промышленности, где бы электрохимические покрытия не находили самого широкого применения.

  Гальванические покрытия используются  для повышения поверхностной  твёрдости, для восстановления изношенных деталей, облегчения пайки. Они во многих случаях позволяют заменить цветные металлы чёрными, дефицитные - распространёнными. По механическим свойствам, чистоте, коррозионной стойкости и экономичности гальванические покрытия превосходят все остальные.

  Процесс нанесения покрытия включает в себя ряд операций. От качества выполнения каждой из них зависит качество наносимого покрытия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные к  работе

 

1.1  Номенклатура изделий,  годовая программа

 

Пряжка – типовая деталь, поступающая на покрытие. Деталь выпускается на ОАО «Кировский завод «Маяк». Годовая  производственная программа составляет 10000 квадратных метров в год.

 

1.2 Характеристика детали, поступающей на покрытие

 

            Деталь-пряжка изготовлена из конструкционной качественной углеродистой стали  Ст 10 ГОСТ 1050-88 методом штамповки.  Средняя массовая доля углерода-0,07-0,14%, марганца-0,35-0,65 %, кремния-0,17-0,37 %. Массовая доля вредных примесей не более: серы-0,04 %, фосфора-0,035 %, мышьяка-0,08 %.

Масса одной детали составляет 0,0056 кг. Величина покрываемой поверхности одной детали составляет 0,18 дм². Класс шероховатости поверхности до покрытия – Rz 40. Класс шероховатости поверхности после покрытия –Rz 25. На поверхности детали имеются жировые загрязнения: следы от индустриального масла И2СА, захваты от рук. Эскиз детали и габаритные размеры представлены на рисунке 1.1.

 

 

Рисунок 1.1 – Эскиз детали пряжка

 

1.3 Условия эксплуатации  детали, выбор и обоснование вида  покрытия и его толщины

 

Изделие - пряжка предназначено для эксплуатации в макроклиматическом районе с умеренным и холодным климатом - УХЛ (по ГОСТ 15150-69). Средняя температура воздуха из ежегодных абсолютных максимумов равна или ниже плюс 40°C, а средняя температура воздуха из ежегодных абсолютных минимумов равна или выше минус 45°C. Относительная влажность 80% при 15 °C. Содержание коррозионно активных  агентов в атмосфере на открытом воздухе составляет: сернистый газ не более 20 мг/м²сут ( не более 0.025 мг/ м³ ) ; хлориды – менее 0.3 мг/м²сут. Концентрация озона в приземном слое воздуха составляет ( верхнее рабочее значение ) 40 мкг/ м³. Перепады температур от 5 до 10 °C.

Для покрытия изделия пряжка курсовой работой предписывается выбрать  двухслойное блестящее никелевое покрытие. Такое покрытие является не только защитно-декоративным, но и износостойким, что немаловажно для данного изделия, поскольку оно является элементом детской коляски в данных условиях эксплуатации. Последовательно осаждённые два слоя никеля (полублестящий и блестящий), обладающие различными физико-химическими свойствами, имеют несравненно более высокую коррозионную стойкость, чем однослойное покрытие. Толщина покрытия согласно /9/ для УХЛ-1: минимальная -24, максимальная-33. Тогда толщина покрытия составляет для первого (полублестящего) слоя – 18 мкм, для второго (блестящего) – 6 мкм. Такая толщина покрытия обусловлена условиями эксплуатации изделия и его назначением.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологическая  часть

 

2.1 Характеристика покрытия 

 

  Никель - металл серебристо-белого цвета с желтоватым оттенком: валентность 2. Удельное сопротивление никеля равно 0.07*10^-3мкОм/м. Осадки характеризуются значительной коррозионной стойкостью, хорошей отражательной способностью (58-62 %). Никелевые покрытия хорошо полируются до зеркального блеска и приобретают красивую декоративную внешность, стойкую во  времени благодаря образованию тончайшей  поверхностной пассивной плёнки. В зависимости от температуры и продолжительности нагрева поверхность никелевых покрытий при высоких температурах покрывается твёрдой и эластичной плёнкой оксида никеля NiO с изменением оттенков от жёлтого и фиолетового до тёмно-зелёного.

  Сильно выраженная способность  никеля к пассивированию обуславливает его стойкость в атмосфере, во многих органических кислотах, слабую растворимость в минеральных кислотах и устойчивость в щелочах при всех температурах и концентрациях. Никель отличают также высокая гидростойкость и значительная износостойкость.

  Никелевые покрытия нашли  широкое распространение в различных  отраслях промышленности в качестве самостоятельных защитно-декоративных  покрытий.

В гальванической паре никель-железо никель является катодным покрытием, т.к. электродный потенциал никеля (-0,25) положительнее, чем железа (-0,44)  , следовательно, никель может защищать железо от коррозии только при условии полной беспористости покрытия. Поэтому  никелирование как защитно-декоративное покрытие применяют обычно с подслоем меди, т.к. осажденные на медь никелевые покрытия имеют значительно меньшую пористость и наиболее прочно сцеплены с основой.

Кроме защитно-декоративного назначения 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 0,20-0,30 мм. Высокая твёрдость и износостойкость никелевых покрытий используется в полиграфической промышленности для повышения стойкости клише и стереотипов, для покрытия медных матриц при изготовлении граммофонных пластинок и особенно для деталей, эксплуатируемых в условиях сухого трения.

Основные физико-химические свойства никеля:

плотность, г/см³……………………………………………8,9

температура плавления, °С………………………………1450

твердость, кгс/мм²……………………………………...…450

атомная масса……….…………………………………….57,7

стандартный потенциал, В………………………………-0,25

валентность………………………………………………..2

электрохимический эквивалент………………………….1,08

  Существуют различные способы  нанесения никелевого покрытия: электрохимический, химический, напыление, механический, горячий и другие. В силу своей универсальности и отработанности технологии широкое распространение получили только химический и электрохимический способы нанесения никелевого покрытия. По сравнению с другими способами нанесения металлопокрытий электрохимический способ является более универсальным. Основные его преимущества: возможность получения покрытий строго определённого состава, свойств и толщины; повышенные механические и антикоррозионные свойства покрытий; отсутствие хрупкого промежуточного сплава; возможность механизации и автоматизации процесса; меньшие потери материалов по сравнению с химическим.

  К основным недостаткам электрохимического  метода следует отнести:  необходимость применения внешнего источника тока; возможный разброс толщины покрытий на наружной и внутренней поверхностях профилированных деталей; необходимость применения дополнительного оборудования и химикатов для регенерации и нейтрализации отработанных электролитов и сточных вод.

  Химические способы осаждения металлопокрытий имеют следующие преимущества перед электрохимическим: равномерность распределения покрытия независимо от профиля детали, практическая беспористость осадков, возможность осаждения металлопокрытий на неметаллические изделия и другие. Однако применение в качестве восстановителей дорогостоящих и дефицитных препаратов делают химический процесс не всегда экономически оправданным.

  Учитывая всё выше сказанное, рекомендуется выбрать электрохимический способ нанесения никелевого покрытия.

 

 

^{2.2 Выбор  и обоснование типа и состава электролита для нанесения покрытия}

  Для электроосаждения никеля применяют сернокислые, борфтористые, сульфаминовые электролиты. Наибольшее распространение в промышленности получили сернокислые электролиты. Они весьма чувствительны к отклонениям от принятого режима и к наличию посторонних примесей, поэтому при эксплуатации никелевых электролитов, особенно сернокислых, необходимо соблюдать следующие правила:

1. ванны никелирования к моменту загрузки деталей должны быть полностью подготовлены; катодные и анодные штанги должны быть тщательно вычищены, исправность реостатов и амперметров должна быть проверена, а системы перемешивания и фильтрования, если таковые имеются, должны быть включены;
2. корректировка электролитов по составу и показателю рН во время процесса покрытия исключается;
3. загрузку деталей следует производить быстро, при включенном токе с постепенным повышением силы тока до заданных значений;
4. выключение тока в процессе никелирования ;
5. поворачивание деталей в приспособлениях для перемещения точек контакта и прочие исправления в расположении деталей в ванне следует производить при включенном токе, только в резиновых перчатках, так как, если касаться деталей незащищенными руками, в местах касания образуются непокрытые участки.

   Для скоростного осаждения никеля можно использовать борфтористые и сульфаминовые электролиты. Осажденный никель получается светлым, эластичным, электролит пригоден для использования в колокольных и барабанных ваннах. Широкому  распространению его препятствует более высокая стоимость химикатов. При низких плотностях тока (порядка 5 А/дм²) получают весьма пластичные покрытия без внутренних напряжений, особо пригодные для гальванопластики.

  В данной работе для получения  блестящего никелевого покрытия  используется многослойное двойное никелирование. Осаждение никеля на детали производят последовательно из двух сульфатных  электролитов никелирования, составы которых должны иметь слои никеля, различающиеся структурой, т.е. слой полублестящего никеля и слой блестящего никеля. Таким образом, целесообразно выбрать следующие электролиты:

 

 

 

 

Электролит полублестящего никелирования:

 

NiSO47H2O                           230-320 г/дм³

N_iCl₂6H₂O                               40-60 г/дм³

H₃BO₃                                                         25-40 г/дм³

Формальдегид                         0.7-1.2 г/дм³

1,4-бутиндиол(100%-ный)       0.1 г/дм³

 

pH=4-5

i_к=2-7 А/дм²

t=45-55 °C

 

Электролит блестящего никелирования:

 

NiSO47H2O                           250-300 г/дм³

N_iCl₂6H₂O                               40-60 г/дм³

H₃BO₃                                                         25-40 г/дм³

Сахарин                                   1.0-2.0 г/дм³

Формальдегид                         0.02-0.04г/дм³

1,4-бутиндиол(100%-ный)      0.18-0.3 г/дм³

 

pH=4-5

i_к=3-8 А/дм²

t=47-55 °C

 

В качестве блескообразующих добавок  можно ещё использовать такие  как  хлорамин Б, НИБ-3 и НИБ-12, каолин, дисульфонафталиновую кислоту. Но  в данной работе выбор блескообразователей зависит от того, что покрытие двухслойное и осаждение никеля ведётся из двух электролитов, состав которых должен быть примерно одинаковым, поэтому и выбраны соответствующие  блескообразователи.

 

 

2.3 Обоснование режимов  процесса нанесения покрытия 

 

   Поскольку выбранные электролиты  примерно одинаковы по составу и по режимам проведения электролиза, поэтому обоснование режимов процесса нанесения покрытия можно рассматривать сразу для обоих электролитов.

   Сульфат никеля -  основная  соль, применяется благодаря хорошей  растворимости и низкой стоимости, является поставщиком ионов никеля. Концентрация сульфата никеля в электролите составляет 250-300 г/дм³. Снижение этой концентрации приведёт к необходимости снижения катодной плотности тока, что ведёт к уменьшению производительности данного производства. Если же увеличивать данную концентрацию, то это может привести к пассивации анодов (они будут покрываться солью NiSO4), что тоже не желательно. Кроме того, высокие концентрации солей обеспечивают высокую электропроводность электролита, что положительно сказывается на рассеивающей способности.

     Хлористый никель  поставляет в раствор ионы  хлора, которые предупреждают  пассивацию анодов и несколько увеличивают электропроводность. Концентрация этого компонента в электролите никелирования составляет 40-60 г/дм³. Т.к. хлорид никеля дорогая и более дефицитная соль, то его вводят в минимальном количестве, обеспечивающем депассивацию анодов. Чем выше анодная плотность тока, тем выше должна быть концентрация ионов хлора. Иногда с целью удешевления электролита взамен хлористого никеля вводят эквивалентное количество более дешевого хлорида натрия.

  Оптимальное значение рН  никелевых электролитов составляет  примерно 4-5 . Чем ниже рН, тем ниже рассеивающая способность и выход по току никеля, и тем выше анодный выход по току. Увеличение рН ведёт к необходимости снижения катодной плотности тока, в противном случае происходит подщелачивание прикатодного слоя, гидроксиды никеля обволакивают осадок и покрытие становится хотя и блестящим, но с мутным беловатым налётом. Для поддержания рН электролита в качестве буферной добавки вводят борную кислоту в количестве 25-40 г/дм³. Уменьшение концентрации борной кислоты приведёт к увеличению рН электролита, что в свою очередь приведёт к образованию гидроксихлоридов (NiOHCl) , которые вызывают почернение и помутнение поверхности детали. А увеличивать концентрацию борной кислоты не целесообразно, т.к. это не приведёт к положительному эффекту.

  1,4-бутиндиол и формальдегид служат блескообразующей добавкой второго класса, т.е. являются сильными блескообразователями. Они придают блеск и увеличивают внутреннее напряжение, поэтому кроме этих добавок вводят ещё сахарин (блескообразователь первого класса). Он снижает внутреннее напряжение осадков и в сочетании с бутиндиолом расширяет диапазон получения блестящих осадков.

  Необходимо строго соблюдать  режимы работы. При температуре  выше 55°C происходит большое испарение с поверхности электролитов, что неблагоприятно сказывается на атмосфере в цехе. При температуре ниже 45°C снижается блеск осадков, образуется питтинг и увеличивается хрупкость осадков.

 

Влияние хлор-иона показано на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Влияние добавки хлорида  в сульфатный электролит никелирования  на кривые анодной поляризации: 1-с добавкой хлорида; 2- без добавки.

 

 

   Оптимальная плотность тока  находится в пределах 3-7 А/дм².   Снижение катодной плотности тока ведёт к уменьшению производительности и снижению блеска получаемого покрытия. А если увеличивать плотность тока, то это приведёт к дендритообразованию.

  Ещё одним обязательным условием проведения электролиза является непрерывное перемешивание растворов электролитов, их фильтрация и селективная очистка. Кроме этого, никелевые ванны весьма чувствительны ко всякого рода загрязнениям, поэтому на чистоту исходных реактивов следует обращать особое внимание. Для этого обычно аноды помещают в чехлы, а детали перед никелированием хорошо очищают от  жировых загрязнений.