Химическое никелирование алюминиевых сплавов

    Ni²⁺ + 2Н₂РО₂¯ + 2Н₂О → Ni + 2Н₂РО₃¯ + 2Н⁺ + Н₂,     

    При использовании щелочных растворов: 

    2NiCl + NaН₂РО₂ + Н₂О → 2Ni + NaН₂РО₃ + 2HCl + Н₂  (5.7) 

    При использовании кислых растворов: 

    NiSO₄ + 2NaН₂РО₂ + 2Н₂О → Ni + 2NaН₂РО₃ + Н₂SO₄ + Н₂ (5.8)

    

    

          Таким образом, восстановление никеля сопровождается выделением водорода, образующимся из связи Р – Н, причем на один Ni²⁺ затрачивается два иона Н₂РО₂¯.

          Одновременно с  реакцией (5.6) происходит восстановление анионов гипофосфита до элементарного фосфора и восстановление ионов водорода (5.3). Предполагается, что восстановление фосфора до элементарного состояния происходит из ионов Н₂РО₂¯, обращенных к каталитической поверхности двумя атомами водорода; при таком расположении расстояние между атомами фосфора и поверхностью будет наименьшим.

          Протекание этой реакции может быть представлено уравнением: 

    Н₂РО₂¯ + е → Р + 2ОН¯,       (5.9)   

    или 

    NaН₂РО₂ → Р + NaOH.       (5.10) 

          Суммарная реакция, включающая реакции (5.2) и (5.7): 

    2Н₂РО₂¯ → Н₂РО₃¯ + Р + ОН¯ + Н,     (5.11) 

    или 

    2NaН₂РО₂ → NaН₂РО₃ + Р + NaOH + Н.    (5.12)

    [17] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    8 Выбор раствора

    

    

    В зависимости от требований к полученному  покрытию и предварительной обработки  поверхности детали различают два  типа растворов химического никелирования.

    1. Кислые растворы

    2. Щелочные растворы

    Кислые  растворы (рН 4,0—6,5) применяются в случаях когда  рабочие поверхности детали должны иметь высокие твердость, износостойкость и коррозионнозащитные свойства. Кислые растворы (по сравнению с щелочными) на полированной детали дают более гладкую (зеркальную) поверхность, у них меньшая пористость.

    Состав  кислого раствора химического никелирования:

Никель  сернокислый - 20-30 г/л

Натрий  уксуснокислый - 10-20 г/л

Натрия  гипофосфит - 20-25 г/л

Тиомочевина 0,003 г/л

Кислота уксусная (ледяная) - 6-10 мл/л

рН = 4,3-5,0

Температура = 85-95°С

Скорость  осаждения = 10-15 мкм/ч 

Плотность загрузки 1,5 дм²/л

    У щелочных растворов основное преимущество – более надежное сцепление никелевой  пленки с основным металлом. Благодаря наличию в составе щелочных растворов таких комплексообразователей, как лимоннокислый натрий и аммиак, они могут при корректировании работать длительное время. Щелочные растворы характеризуются устойчивостью в работе и почти полным отсутствием явления саморазряда - мгновенного выпадения губчатой массы никеля из раствора, сопровождающегося выбросом кипящего раствора из ванны.

    Состав  щелочного раствора химического  никелирования:

Никель  хлористый – 20 г/л

Натрия  гипофосфит - 25 г/л

Натрий  лимоннокислый - 45 г/л

Аммоний хлористый -30 г/л

Аммиак  до рН=8,0-8,2

рН = 8-9

Температура = 80-85°С,

Скорость  осаждения = 10-15 мкм/ч

Плотность загрузки 1,0-1,5 дм²/л   [21]

    Таким образом из сравнения режимов  нанесения покрытий в кислых и  щелочных растворах видно, что интервал температур и скорость осаждения никеля в обоих случаях практически не отличаются, то выбор оптимального раствора будет заключаться в следующем:

    1) Кислый раствор, несмотря на  то, что дает более гладкую  (зеркальную) поверхность,  покрытие  менее пористое, требуется  дополнительная обработка поверхности детали для лучшего сцепления покрытия (например дополнительная цинкатная обработка). Также стоит отметить что в нашем случае рассматривается никелевое покрытие как функциональное, поэтому зеркальная поверхность не является определяющим фактором. Также кислотные растворы в большей степени подвержены явлению саморазряда, что требует дополнительного контроля за ходом процесса (соблюдение температурных режимов)

    2) Щелочные растворы позволяют  обеспечить более надежное сцепление покрытия с поверхностью детали, что позволяет существенно сократить процесс подготовки детали к химическому никелированию (исключается процесс нанесения дополнительных покрытий, например цинкатных). Также стоить отметить что щелочные растворы  обладают более длительным сроком службы, что снижает затраты на процесс нанесения покрытия.

    Исходя  из вышесказанного, следует, что для данного процесса целесообразнее использовать щелочные растворы химического никелирования

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

    

    9 Выбор основных технических операций 

    9.1 Обезжиривание химическое 

    На  поверхности изделий могут присутствовать жиры животного и растительного  происхождения. Загрязнения, не соединенные химически с самим материалом детали (замасливание, пыль и т.д.), удаляют обезжириванием. Такие загрязнения могут быть двух видов: минеральные масла, которые в растворах не взаимодействуют с компонентами и удаляются тяжело (смазочные материалы, соляровое масло, вазелин, парафин и т.д.); жиры животного и растительного происхождения, которые в растворах реагируют с компонентами (омыляются) и легко могут быть удалены. Процесс омыления жиров можно проиллюстрировать на примере реакции стеарина (одна из составных частей жира) с щелочью:

         

          (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH = 3C₁₇H₃₅COONa + C₃H₅(OH)₃  (9.1)  

          Лучшей моющей способностью обладают растворы тринатрийфосфата, несколько худшей - растворы жидкого  стекла и кальцинированной соды, еще  худшей – растворы едкого натра. Моющая способность щелочных растворов  значительно улучшается после введения в них синтетических моющих веществ (синтанол ДС-10, ОП-7 и ОП-10 – производные полиэтиленгликолевых эфиров и др.)

    Для обезжиривания  алюминия и его  сплавов следует применять растворы, содержащие, в основном гидролизующие  соли (соду, поташ, тринатрийфосфат, цианистый калий), концентрация которых не должны превышать 100-150 г/л. Повышенное содержание солей может вызвать растравливание поверхности деталей [3] 

    Состав  раствора химического обезжиривания  по ГОСТ 9.305-84, г/л : 

Тринатрийфосфат (Na₃PO₄·12H₂O)     15-35

Сода  кальцинированная техническая(Na₂CO₃)    15-35

Синтанол  ДС-10        3-5

Режим работы: температура 60÷80 ^оС, продолжительность 5÷10 мин. 

    9.2 Обезжиривание электрохимическое 

          Электрохимическое обезжиривание деталей осуществляют либо на катоде или аноде, либо комбинированным методом -  последовательным переключением полярности (катод - анод), причем анодную обработку ведут  кратковременно. Электрохимическое обезжиривание  -  более эффективный процесс по сравнению с химическим обезжириванием.

    

          В процессе электрохимического обезжиривания жиры эмульгируются выделяющимися пузырьками водорода (при катодном обезжиривании) или кислорода (при анодном обезжиривании). В первом случае вследствие интенсивного разряда ионов водорода на катоде в прикатодном слое электролита, граничащем с поверхностью обрабатываемых деталей, происходит обогащение гидроксильными ионами, которые омыляют жиры животного и растительного происхождения [19]

          Обезжиривание алюминия и его сплавов нужно вести  на катоде, так как анодная обработка сопровождается растворением металла либо образованием на их поверхности оксидных пленок. Состав раствора электрохимического обезжиривания по ГОСТ 9.305-84, г/л : 

Тринатрийфосфат (Na₃PO₄ ·12H₂O)                        20-40

Сода  кальцинированная техническая(Na₂CO₃)    20-40

Режим работы: температура 30÷80 ^оС

Продолжительность 2-3 мин.

Катодная плотность тока j_k=2÷10 A/дм². 

    Процессы, протекающие на:

катоде       2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^¯   

аноде                                  2ОН^¯ - 2е = 1/2О₂ + Н₂О                         

Суммарный процесс         Н₂О = Н₂ + 1/2О₂       

                                

    9.3 Травление 

    Для удаления остатков обезжиривающих веществ, продуктов коррозии и окисных  соединений с поверхности металла после обезжиривания проводят травление. Для этого требуемую деталь помещают в травильный раствор определенного состава. Выбор состава травильного раствора зависит от назначения детали

    Рассмотрим  два варианта травильных растворов:

    1)  NaOH концентрацией 50-100 г/л при температуре 60-80 ºС в течение 30-60 сек

    2) H₂SO₄ концентрацией 240-280 г/л при температуре 60-70 ºС  в течение 2-3 мин. [21]

    Для травления использовать первый раствор, т.к это наиболее быстрый и  качественный способ травления алюминия. Второй раствор обычно используется для травления деталей, нарушение размеров которых не допустимо.

    Реакции при травлении алюминия: 

    2Al + 6NaOH + 6Н₂О = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂    (9.2)

    Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O      (9.3)

    9.4 Осветление 

    Операцию  осветления проводят с целью удаления тонкого слоя шлама, который может образоваться на поверхности деталей во время травления.  

    Протекающие при осветление процессы: 

          3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O    (9.4) 

    Предлагается  следующий состав раствора по ГОСТ 9.305-84, г/л : 

    Кислота азотная концентрированная     300-400

    Режим работы: температура       15÷30 ^оС,

    продолжительность        1÷10 мин. 
 

    9.5 Декапирование (активация) 

    Декапирование проводят химическим или электрохимическим  способом для удаления тончайших  оксидных пленок с поверхности изделий. После активации поверхности детали качество сцепления покрытия значительно увеличивается.

    Декапирование алюминия поводится в 5% растворе соляной  кислоты в течении 20-30 секунд, после  чего деталь сразу переносится в  ванну никелирования. [21] 

    9.6 Химическое никелирование