Химическое никелирование алюминиевых сплавов

    Содержание 

1 Анотация           2

2 Введение             3

3 Характеристика детали        4

4  Выбор способа никелирования       5

4.2 Электролитический способ       5

4.2 Химический способ         5

5 Требования к покрытию и выбор его толщины    6 

6 Выбор осуществления технологического процесса    7

7 Теория процесса химического никелирования    8

8 Выбор раствора                10

9 Выбор основных технических операций                                       12

9.1 Обезжиривание химическое              12

9.2 Обезжиривание электрохимическое             13

9.3 Травление                 13

9.4 Осветление                 14

9.5 Декапирование                14

9.6 Химическое никелирование              14

9.7 Промывки                 14

10 Схема технологического процесса                       16

11 Составы растворов и режимы их работы            17

12.1 Расчет размеров подвесок и ванны химического

никелирования                 19 

12.2 Расчет фондов времени работы оборудования           21

12.3 Годовой объем производства одной ванны химического

никелирования                 22

12.4 Расход химикатов                22

12.5 Корректировка растворов              24

12.6 Расход воды                 28

12.7 Расход воды на промывки              30

13 Список литературы                33

 

     2 Введение 

     Применение  алюминиевых сплавов для изготовления деталей машин с каждым годом  возрастает, что обусловлено рядом специфических свойств алюминия (лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. Но алюминий имеет существенный недостаток – низкую твердость (100-150 МПа), вследствие чего поверхность деталей, работающих на трение, быстро срабатываются. Поэтому большое практическое значение представляет упрочнение поверхности деталей из алюминиевых сплавов путем нанесения более твердого слоя другого металла. В этом отношение большой практический интерес представляет никелевое покрытие, обладающее высокой твердостью и адгезией к основе, особенно после термической обработки[3].

     Никелевые покрытия применяют в различных  отраслях промышленности как в качестве подслоя, так и самостоятельно для защитно-декоративных и специальных целей. Они характеризуются твердостью, значительной коррозионной стойкостью и хорошей отражательной способностью (58 — 62%), удельным электросопротивлением 8,3-10 ^-2 Ом·м[4].

     Никелевые покрытия применяют в промышленности для защитно-декоративной и декоративной отделки изделий и деталей машин, аппаратов, приборов; для защиты от коррозии при повышенных температурах и в специальных средах (щелочах, некоторых кислотах), как промежуточный подслой для нанесения других покрытий на сталь с целью обеспечения прочного сцепления покрытий с основой, для повышения износостойкости трущихся поверхностей[8].

     В настоящее время применяют два  способа нанесения никелевого покрытия: электрохимический и химический. Только с помощью химического никелирования можно получить покрытие сложнопрофилированных деталей. За счет введения неорганических добавок, содержащих фосфор и бор, можно регулировать твердость получаемого покрытия, что является немаловажным для деталей из алюминиевых сплавов. При этом нужно учитывать, что покрытие, полученные химическим никелированием, обладают высокой коррозионной стойкостью[3]. 
 

 

     3 Характеристика детали 

    В качестве детали для нанесения покрытия выбран корпус радиоэлектронного прибора, изготовленный фрезерованием и из сплава алюминия Д16

    Деталь  покрывается как с внешней, так  и с наружной стороны, характерным  является наличие различных отверстий  для вывода проводов, болтовых соединений.

    Данный  корпус с радиоэлектронным прибором  впоследствии подвергается герметизации с помощью болтового соединения или низкотемпературной пайке. Для обеспечения надежности работы прибора наносимое на корпус покрытие должно обеспечить коррозионную стойкость, износостойкость, оптимальную твердость и быть равномерным по толщине.

    Обычно  корпуса из сплавов алюминия подвергают операции никелирования с последующим нанесением других функциональных покрытий, например покрытия олова, висмута, серебра.

    Размеры детали:

l=5.4см², h=8.8см², b=1.3см²

    Так как деталь покрывается как с  внешней, так и с внутренней стороны, то площадь покрытия одной детали будет равна:

S_покр=168 см² 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    

    4 Выбор способа никелирования 

    Возможно  два способа нанесения никелевых  покрытий: 

    4.1 Электролитический способ 

    Электролитический способ - нанесение никелевых покрытий на поверхность изделия из электролита под действием электрического тока. Преимущество способа – четко контролируется толщина покрытия, минимальный расход покрывающего металла. Кроме того, подбирая вид электролита и режим осаждения, можно получать осадки нужной структуры, внешнего вида и с различными механическими свойствами. Недостатком электролитического никелирования является неравномерность осаждения никеля при нанесении на рельефную поверхность, а также невозможность покрытия узких и глубоких отверстий и полостей. [4] 

    4.2 Химический способ 

    При химическом способе покрываемое изделие помещают в водный раствор, содержащий растворенную соль металла и восстановитель. На поверхности изделия высаживается слой металла. [1]

    Осаждаемое  в процессе химического никелирования покрытие не является чистым никелевым, как при гальваническом никелировании, а состоит из сплава никеля с фосфором. Покрытие этим сплавом не имеет ничего общего с покрытием чистым никелем как по физико-механическим, так и по химико-коррозионным свойствам.

    Покрытие  может быть нанесено на изделия сложной  конфигурации с высокой степенью равномерности. Его можно нанести на внутренние полости и каналы изделия, что практически невозможно реализовать при гальваническом нанесении.

    Широкий спектр применения химически осажденного никель-фосфорного покрытия объясняется впечатляющим набором его полезных свойств: твердостью от 6000 до 10000 МПа, высокой коррозионной стойкостью, антифрикционностью (низким износом при сухом трении), способностью экранировать высокочастотные электромагнитные излучения, низким переходным сопротивлением на электрических контактах, хорошей паяемостью.

    Механические свойства никелирования не зависят от толщины: например, покрытия толщиной 1 мкм и 100 мкм обладают одинаковой удельной износостойкостью. [2]  

    В данном случае целесообразнее использовать химическое никелирование. Это обусловлено  тем, что деталь имеет сложную  конфигурацию (наличие отверстий, углублений, полостей), а также требуется покрытие, как с внешней, так и с внутренней стороны.

    

    

    5 Требования к покрытию и выбор его толщины 

          Толщина покрытия устанавливается  в зависимости от условий эксплуатации, назначения покрытия по нормативно-технической  документации, а также способа  нанесения покрытия.

    Так как на нашу деталь необходимо нанести функциональное покрытие, то покрытия должно быть равномерным по толщине, а также обеспечивать коррозионную стойкость,  износостойкость и твердость основного металла в условиях эксплуатации. [15]

          По ГОСТ 9.303-84 минимальная  толщина покрытия должна составлять 9 мкм. Допустимая максимальная толщина покрытия составляет 15 мкм. Средняя толщина никеля, получаемая в ванне никелирования, составляет 15 мкм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    

    6 Выбор осуществления технологического процесса 

    Существуют три способа осуществления технологического процесса химического никелирования, различающихся в зависимости от вида реагента, выбранного в качестве восстановителя.

    1)  гипофосфитный способ, характеризующийся  совместным выделением фосфора в никелевое покрытие;

    2)  боргидридный способ, при котором  происходит выделение бора, входящего в состав покрытия;

    3)  гидразинный способ, при котором никель осаждается с наименьшим количеством примесей. [5]

    Промышленное  применение получил пока лишь гипофосфитный способ. Это обусловлено тем что, боргидридный способ нанесения покрытия характеризуется сильно щелочной средой (рН>13), что приведет к растворению алюминия.

    Несмотря  на то, что гидразинный способ позволяет получить никелевое покрытие высокого качества, его использование практически не распространено, ввиду маленькой скорости осаждения никеля, основной компонент (гидразин) практически отсутствует в продаже, данный способ очень требователен к соблюдению техники безопасности, т.к. при нарушении условий эксплуатации возможна детонация.

    Химическое  осаждение никеля на сплавы алюминия целесообразно проводить с помощью раствора с гипофосфитом натрия. Осажденное покрытие имеет полублестящий металлический вид, аморфную структуру и является сплавом никеля с фосфором.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    

    7 Теория процесса химического никелирования 

          Механизм восстановления ионов никеля с помощью гипофосфита  носит электрохимический характер, при этом на поверхности катализатора - основы одновременно (сопряженно) протекают анодная стадия окисления восстановителя (5.1) и катодная стадия восстановления никеля (5.6) и водорода (5.3).

          Анодная стадия окисления  гипофосфита – реакция взаимодействия гипофосфита натрия с водой –  представляется как присоединение  иона ОН¯ от молекулы воды к месту  разрыва связи

    Р – Н в молекуле гипофосфита  натрия. Эта реакция, протеканию которой  способствует каталитическое действие поверхности никеля, может быть выражена следующим уравнением: 

    Н₂О ↔ Н⁺ + ОН¯,      (5.1)     

    Н₂РО₂¯ + ОН¯→ Н₂РО₃¯ + Н + е.   (5.2)   

          Освобожденный от аниона гипофосфита электрон через металлическую поверхность может передаваться иону водорода и превращать его в атомарный: 

    Н⁺ + е → Н.       (5.3)   

          Два атома водорода, один из которых образовался из связи  Р – Н анион гипофосфита, а  другой – из воды, соединяясь между собой образуют молекулярный водород: 

    Н + Н → Н₂.       (5.4)   

          Тогда  суммарная  реакция взаимодействия гипофосфита  натрия с водой соответствует  уравнению: 

    Н₂РО₂¯ + Н₂О → Н₂РО₃¯ + Н₂.    (5.5)   

          Если в растворе присутствуют ионы никеля, то электроны, образующиеся по реакции (5.2), восстанавливают их до металла: 

    Ni²⁺ + 2е → Ni.      (5.6)   

          И тогда суммарная  реакция восстановления ионов никеля гипофосфитом натрия представляется в виде следующего ионного уравнения: