Покрывая никелем детали из цветных металлов и стали, повышают их сопротивление воздействию коррозионных процессов и механического износа. Никелирование в домашних условиях доступно каждому и характеризуется несложной технологией.
Никелирование заключается в нанесении на поверхность обрабатываемого изделия тонкого никелевого покрытия, толщина которого, как правило, составляет 1–50 мкм.
Этой операции детали подвергают с целью их защиты или для получения характерного (матово-черного или блестящего) внешнего вида никелируемой поверхности.
Покрытие, независимо от оттенка, надежно предохраняет металлические предметы от коррозии на открытом воздухе, в растворах солей, щелочей, слабых органических кислот.
Как правило, никелируют детали, изготовленные из стали или таких металлов и сплавов из них, как медь, алюминий, цинк, реже – титан, марганец, молибден, вольфрам.
Нельзя обрабатывать химическим никелированием поверхности изделий из свинца, олова, кадмия, висмута, сурьмы.
Никелевые покрытия используют в различных промышленных отраслях для защитно-декоративных и специальных целей или в качестве подслоя.
Эту технологию применяют при восстановлении поверхности изношенных деталей различных механизмов и автомобилей, покрытия измерительного и медицинского инструментов, предметов и изделий домашнего обихода, химической аппаратуры, деталей, эксплуатируемых под незначительными нагрузками в условиях воздействия крепких растворов щелочей или сухого трения. Существует 2 метода нанесения покрытий из никеля – электролитический и химический.
Второй несколько дороже, чем первый, однако позволяет получать равномерное по толщине и качеству покрытие на всей поверхности детали, при условии, если обеспечен доступ раствора ко всем ее участкам.
Никелирование в домашних условиях является вполне осуществимой задачей.
Перед началом работ изделие тщательно очищают от загрязнений и ржавчины (если есть), обрабатывают мелкой наждачной бумагой, чтобы снять оксидную пленку, промывают водой, затем обезжиривают и еще раз промывают.
Перед никелированием стали желательно выполнять меднение изделия (покрывать подслоем меди). Эта технология используется в промышленности, как отдельный процесс, а также как подготовительный перед серебрением, хромированием, никелированием.
Меднение, предваряющее нанесение других слоев, позволяет выровнять дефекты поверхности и обеспечивает надежность и долговечность внешнего защитного покрытия. Медь держится на стали очень прочно, а другие металлы осаждаются на нее гораздо лучше, чем на чистую сталь.
Помимо этого, никелевые покрытия не сплошные и на 1 см2 имеют сквозные (до металла подложки) поры:
- несколько десятков – для однослойных покрытий никелем;
- несколько – для трехслойных.
В результате этого коррозионным процессам подвергается металл подложки, находящийся под никелем, при этом возникают условия, провоцирующие отслаивание защитного покрытия.
Поэтому, даже при предварительном омеднении, многослойном никелировании, а особенно при однослойном на чистую сталь, необходима обработка поверхности защитного покрытия из никеля специальными составами, которые закрывают поры.
При самостоятельной обработке в домашних условиях возможны следующие способы:
- протереть деталь с покрытием кашицеобразной смесью воды с окисью магния и сразу же погрузить ее на 1–2 минуты в 50 % состав соляной кислоты;
- протереть 2–3 раза поверхность детали легко проникающим смазочным составом;
- сразу после обработки еще не остывшее изделие погрузить в рыбий жир (невитаминизированный, лучше старый, который уже непригоден по прямому назначению).
В двух последних случаях излишки смазки (жира) удаляют с поверхности через сутки бензином. В случае обработки больших поверхностей (молдингов, бамперов автомашин) рыбий жир используют следующим образом. В жаркую погоду им протирают деталь 2 раза с промежутком в 12–14 часов, а через 2 суток удаляют излишки бензином.
Этот способ требует подготовки электролита, состав которого следующий:
- 140 г сернокислого никеля;
- 50 г сернокислого натрия;
- 30 г сернокислого магния;
- 5 г поваренной соли (хлористого натрия);
- 20 г борной кислоты;
- 1000 г воды.
Химикаты растворяют по отдельности в воде, полученные растворы фильтруют, после чего смешивают. Готовый электролит наливают в емкость.
Для гальванического никелирования необходимы электроды из никеля (аноды), которые опускают в ванну с электролитом (одного электрода недостаточно, так как полученное покрытие будет неравномерным). Между анодами на проволочке подвешивают деталь.
Медные проводники, идущие от никелевых пластин, соединяют в одну цепь и подключают к положительному выводу источника постоянного тока, провод от детали – к отрицательному.
Для управления силой тока в цепь включают сопротивление (реостат) и миллиамперметр (прибор).
Напряжение источника тока должно быть не больше 6 В, плотность тока необходимо поддерживать на уровне 0,8–1,2 А/дм2 (площади поверхности изделия), температура электролита комнатная 18–25 оC. Ток подают 20–30 минут. За это время образуется никелевый слой толщиной примерно 1 мкм.
Затем деталь вынимают, как следует промывают водой и просушивают. Полученное покрытие будет серовато-матового цвета. Чтобы слой никеля приобрел блеск, поверхность детали полируют.
Если нет сернокислого натрия и магния, то берут больше сернокислого никеля, доводя его количество в электролите до 250 г, а также борной кислоты – 30 г, натрия хлористого – 25 г. Никелирование в этом случае проводят при значениях плотности тока в пределах 3–5 А/дм2, раствор нагревают до 50–60 оC.
Недостатки электролитического метода:
- на рельефных, неровных поверхностях никель осаждается неравномерно;
- невозможность нанесения покрытия в глубоких и узких полостях, отверстиях и тому подобного.
Все составы для проведения химического никелирования универсальны – пригодны для обработки любых металлов. Готовят растворы, соблюдая определенную последовательность. В воде растворяют все химреактивы (исключая гипофосфит натрия). Посуда должна быть эмалированная.
Затем раствор нагревают, доводя его температуру до рабочей, после чего растворяют гипофосфит натрия. Деталь завешивают в жидком составе, температуру которого поддерживают на необходимом уровне.
В 1 л подготовленного раствора возможно провести никелирование изделия, площадь поверхности которого до 2 дм2.
Используют следующие составы растворов, г/л:
- Натрий янтарно-кислый – 15, никель хлористый – 25, натрия гипофосфит – 30 (кислотность раствора pH – 5,5). Рабочая температура смеси – 90–92 °С, скорость наращивания покрытия – 18–25 мкм/ч.
- Никель сернокислый – 25, натрий янтарно-кислый – 15, натрия гипофосфит – 30 (pH – 4,5). Температура – 90 °С, скорость – 15–20 мкм/ч.
- Никель хлористый – 30, кислота гликолевая – 39, натрия гипофосфит – 10 (рН – 4,2). 85–89 °С, 15–20 мкм/ч.
- Никель сернокислый – 21, натрий уксуснокислый – 10, свинца сульфид – 20, натрия гипофосфит – 24 (pH – 5). 90 °С, до 90 мкм/ч.
- Никель хлористый – 21, натрий уксуснокислый – 10, натрия гипофосфит – 24 (pH – 5,2). 97 °С, до 60 мкм/ч.
- Никель хлористый – 30, кислота уксусная – 15, свинца сульфид – 10–15, натрия гипофосфит – 15 (pH – 4,5). 85–87 °С, 12–15 мкм/ч.
- Никель хлористый – 30, аммоний хлористый – 30, натрий янтарно-кислый – 100, аммиак (25 % раствор) – 35, натрия гипофосфит – 25 (pH – 8–8,5). 90 °С, 8–12 мкм/ч.
- Никель хлористый – 45, аммоний хлористый – 45, натрий лимоннокислый – 45, натрия гипофосфит – 20 (pH – 8,5). 90°С, 18–20 мкм/ч.
- Никель сернокислый – 30, аммоний сернокислый – 30, натрия гипофосфит – 10 (pH – 8,2–8,5). 85 °С, 15–18 мкм/ч.
- Никель хлористый – 45, аммоний хлористый – 45, натрий уксуснокислый – 45, натрия гипофосфит – 20 (pH – 8–9). 88–90 °С, 18–20 мкм/ч.
По истечении нужного времени изделие промывают в воде, содержащей небольшое количество распущенного мела, затем просушивают и полируют. Полученное таким способом покрытие сталь и железо держат достаточно прочно.
В основе химического процесса никелирования лежит реакция, при которой никель восстанавливается из раствора солей на его основе в присутствии гипофосфита натрия и при помощи остальных химических реактивов.
Применяемые составы делят на щелочные (уровень pH превышает 6,5) и кислые (показатель рН составляет 4–6,5).
Последние лучше использовать для обработки черных металлов, меди, латуни, а щелочные предназначены для никелирования нержавеющих сталей.
Использование кислых составов позволяет получать на полированном изделии более гладкую, равномерную поверхность, чем с помощью щелочных.
У кислых растворов есть и другая немаловажная особенность – вероятность их саморазряда при превышении значений рабочей температуры меньше, чем у щелочных.
Никелирование, своими руками выполненное, с использованием щелочных составов гарантирует более прочное и надежное сцепление слоя никеля с металлом, на который произведено его нанесение.
Никелирование
Никелирование применяется для защиты металлических изделий от коррозии, повышения их сопротивляемости механическому износу и для придания металлоизделию декоративных качеств.
Никелевые покрытия легко полировать, их отличает стойкость и зеркальный блеск. Цвет никелевого покрытия – серебристый с желтоватым отливом, с течением времени может тускнеть.
Важным преимуществом никелирования является безопасность никеля и его соединений для человека.
Как правило, никелирование применяют для обработки изделий из стали, алюминия, цинка, меди, реже титана, вольфрама, марганца или молибдена.
Для обработки никелем конструкций из стали часто используют медный подслой. Предварительное меднение позволяет полностью закрыть все поры поверхности основного металла, что обеспечивает более качественную защиту от коррозии. В некоторых случаях используется трёхслойное покрытие никель-медь-никель.
На медные детали и конструкции из сплавов никель наносится без промежуточных подслоев. Иногда после нанесения никелевого покрытия производится последующее хромирование изделий.
Стандартная толщина никелевого слоя составляет от 1 до 50 микрон.
Никелевое покрытие может быть блестящим или матовым. Для достижения характерного блеска никелированные изделия подвергаются тщательной полировке.
В последнее время широкое распространение получила технология блестящего полирования, которая исключает трудозатратную процедуру механической полировки. Блеск получается путем добавления в электролит блескообразователей.
Однако, механическое полирование позволяет достичь лучшего результата в придании металлоизделиям декоративных свойств.
В некоторых случаях на никелированные изделия наносят декоративные тонировки, окрашивающие детали в определенный цвет. Нанесение тонировок осуществляется химическим или электрохимическим методом. В процессе тонирования металлоизделия обрабатываются в специальных растворах. В результате на поверхности изделий образуется тонкая пленка толщиной в несколько микрометров.
Наиболее распространенные методы никелирования –электролитическое (гальваническое) и химическое.
Электролитическое никелирование
Гальваническое никелирование используют для защиты стальных, цинковых, алюминиевых, медных и других изделий.
Нанесение никелевого покрытия гальваническим методом – это достаточно сложная процедура, требующая немало материалов и энергии.
В процессе гальванического никелирования изделия обезжиривают при помощи химических растворителей, декапируют (обрабатывают для удаления загрязнений, ржавчины, окислов и т.п.
), промывают в холодной и горячей воде, просушивают, а затем никелируют в стальных сварных ваннах, которые имеют внутреннюю кислотостойкую футеровку.
Подготовленные для никелирования покрытия завешивают на катод, в качестве анодов выступают никелевые пластины.
Среди распространенных электролитов для никелирования наиболее часто используются сернокислые электролиты. При контроле качества никелевого покрытия оценивается его внешний вид, толщина слоя, отсутствие пор и прочность адгезии с основным металлом.
Химическое никелирование
Помимо электролитического никелирования широкое распространение получил метод химического никелирования. В основе данного метода лежит реакция восстановления никеля из разнообразных водных растворов с использованием химических восстановителей (чаще всего используется гипофосфит натрия).
Химическое никелирование производят в фарфоровых, стеклянных ваннах или ваннах из эмалированного железа. В качестве материала для подвесок используется углеродистая сталь. Состав ванн для химического никелирования может быть кислым или щелочным. Компонентом для восстановления никеля выступает хлорид или сульфат никеля относительно низкой концентрации.
Химическое никелирование может использоваться для нанесения никелевого слоя на металлические изделия различных форм и размеров.
Метод химического никелирования позволяет сформировать никелевое покрытие с высокой прочностью, износостойкостью и способностью надежно защитить изделие от коррозии.
Еще одно важное преимущество химического никелирования заключается в способности сформировать никелевое покрытие однородной толщины по всей поверхности изделия независимо от его конфигурации.
Никелирование. Применение никелевых анодов и катодов при нанесении покрытий. Статья
Калькулятор металлопроката
| Статья «Никелирование. Применение никелевых анодов и катодов при нанесении покрытий» рассказывает о процессе никелирования, в результате которого на поверхность какого-либо изделия наносится тонкий слой металла никель. Рассмотрены 2 способа нкелирования: гальваническое и химическое. |
Целью данной статьи является обзор методов нанесения никеля на поверхности различных изделий
Никелированием называют обработку поверхностей путем их покрытия слоем никеля. Обычно никелевыйслой имеет толщину, варьируемую в пределах от 1 до 50 мкм. Никелированию подвергают, главным образом, стальные, а также другие металлические поверхности: медные, цинковые, алюминиевые, иногда молибденовые, марганцевые, вольфрамовые, титановые и поверхности металлов.
Существует и практикуется также никелирование неметаллических поверхностей – в частности, полимерных, стеклянных, керамических и т.д.
Никелирование отличается целым рядом преимуществ. С его помощью удается эффективно защищать поверхность от воздействия атмосферной коррозии, растворов органических кислот, солевых и щелочных сред.
Кроме того, никелированная поверхность имеет эстетичный внешний вид, являясь блестящей и гладкой на ощупь.
Положительным фактором здесь является также и то, что как никель, так и его соединения совершенно безопасны в экологическом отношении.
Известны два наиболее распространенных метода, посредством которых осуществляется никелирование. Это никелирование гальваническое (электролитическое) и никелирование химическое. Рассмотрим каждый из них несколько более подробно.
Для начала вспомним описание процесса электролиза, известного каждому по школьным учебникам физики.
Итак, электролиз представляет собой процесс упорядоченного движения в электролитах положительно и отрицательно заряженных ионов, происходящий под воздействием постоянного тока в электрическом поле, создаваемом между положительным (анод) и отрицательным (катод) электродами, соединёнными с соответствующими полюсами источника электроэнергии. При этом катионы (положительно заряженные ионы металлов, водорода, аммония и др.) — устремляются по направлению к катоду, анионы же (несущие отрицательный потенциал ионы гидроксильной группы и кислотных остатков) — движутся в сторону анода. В результате на поверхности анода происходит реакция электрохимического окисления, а на катоде – реакция электрохимического восстановления частиц химических элементов. Иными словами, ионы металла оседают на катоде, образуя металлическое покрытие. Анод, в свою очередь, постепенно растворяется.
Процесс гальванического никелирования происходит в полном соответствии с вышеописанными закономерностями, включая в себя ряд технологических операций: химическое обезжиривание при помощи органического растворителя, декапирование (декапирование — обработка поверхности металлов для удаления грязи, ржавчины, окалины и окислов), промывку в холодной, а затем в горячей воде, сушку, и, наконец, непосредственно никелирование в специальных гальванических ваннах, чаще стальных, имеющих кислотостойкую футеровку.
Методом гальваники осуществляют никелирование поверхностей из стали либо сплавов меди, цинка, алюминия и др.
В частности, данный вид никелирования используется при изготовлении химической аппаратуры, медицинских инструментов, деталей декоративной отделки автомобилей, а также конструктивных элементов, эксплуатируемых в условиях сухого трения.
Благодаря использованию новейших технологий сегодня методом гальваники производят и никелирование неметаллических поверхностей. Распространены два вида никелевых покрытий – неглянцевые (матовые) и глянцевые.
Существует множество разновидностей электролитов для гальванического никелирования, хотя в промышленных целях наиболее часто применяют электролиты сернокислые. Качество никелевых покрытий, нанесенных гальваническим методом, контролируют по их толщине, внешнему виду, а также на отсутствие пор и прочность сцепления с базовой никелируемой поверхностью.
Электроосаждение никеля всегда сопровождается значительной анодной и катодной поляризацией (поляризация электрохимическая — отклонение потенциала электрода от равновесного значения), на интенсивность которой влияют как состав электролита, так и режим ведения самого процесса. Поляризация негативно влияет на процесс никелирования.
Анодную поляризацию удается предотвратить путем введения в электролит ионов Cl, которые, разряжаясь на поверхности анода, растворяют образующуюся на ней пассивную пленку окислов. Однако следует помнить, что чрезмерная концентрация в электролите ионов Cl способствует увеличению растворимости анода, что приводит к повышению pH в катодном пространстве и дестабилизирует работу ванны.
Некоторые типы никелевых анодов подвержены пассивации – образованию на поверхности анода тонкой пленки окисла, имеющей высокое электрическое сопротивление и уменьшающей концентрацию ионов никеля в прикатодном пространстве, что приводит к снижению скорости процесса вплоть до его полного прекращения. Существуют марки никеля, которые не подвержены пассивации, например, НПАН.
Наряду с электроосаждением самого никеля, на никелевых катодах из кислых растворов выделяется также водород, способствующий повышению pH в прикатодном пространстве, и, как следствие, образованию в нем чрезмерной концентрации основных солей. В результате никелевое покрытие может стать недопустимо хрупким и шероховатым, утрачивая свои прочностные и декоративные свойства.
Вместе с тем, при увеличении кислотности электролита наблюдается снижение его рассеивающей способности и выхода по току, вследствие того, что восстановление водородных ионов сопровождается высоким расходом энергии.
Вот почему при никелировании гальваническим методом столь важен постоянный контроль pH электролита и поддержание данного параметра в строго фиксируемом диапазоне значений от 4,0 до 5,5.
Для обеспечения требуемой технологической чистоты никелевые электролиты подвергаются непрерывной фильтрации, селективной и регулярно химической очистке.
Процесс гальванического никелирования весьма сложен, энергоемок и требует немалого количества расходных материалов. Залогом качества здесь является неукоснительное соблюдение технологии, наличие всех необходимых для проведения никелирования условий, верно рассчитанная сила тока, постоянная корректировка химического состава электролита и многие другие определяющие факторы.
Подлежащие никелированию детали укрепляются на катоде. Как никелевый катод, так и никелевый анод чаще всего имеют вид листа (пластины), изготавливаемого согласно ГОСТ 2132-90 и утвержденным для каждой конкретной ситуации технологическим условием (ТУ).
Для гальванического никелирования применяются аноды, изготавливаемые из чистого катодного никеля, который, в свою очередь, также получают методом электролиза. Это так называемый электролизный катодный никель марки Н-0, марки Н-1 и Н-1у, а также марки Н-2 и т.п.
При этом, например, в никеле марки Н0 содержится как минимум 99,99 % (Ni+Co), а в никеле марки Н2 — как минимум 99,8 % (Ni+Co). Катодный никель (никелевые катоды) получают с помощью электролиза из пластин анодного никеля, который содержит 88-92% Ni и до 17 примесей.
В этом процессе пластина анодного никеля является анодом, который выделяет ионы никеля. Данные ионы оседают на катоде, образуя тем самым чистый катодный никель (никелевый катод), который в зависимости от марки может содержать до 99,99% никеля.
В процессе никелирования листы катодного никеля (никелевые катоды) становятся анодами — они растворяются, выделяя при этом ионы никеля, которые оседают на поверхности предмета, подвергающегося никелированию.
Для изготовления анодов используют полуфабрикатный никель, получаемый методом электровакуумной плавки.
Непосредственно аноды выполняют из никеля марок НПА1, НПА2 (никеля полуфабрикатного анодного, с содержанием никель + кобальт, соответственно, не менее 99,7 и 99,0%), а также марки НПАН (никеля полуфабрикатного анодного непассивирующегося, с содержанием никель + кобальт не менее 99,4%) (ГОСТ 492-2006).
Свойства никелевых катодов и анодов находятся в прямой зависимости от наличия в их составе тех или иных инородных примесей. В наибольшей степени механические и технологические характеристики ухудшают включения серы, цинка, сурьмы, висмута и свинца.
В целях стабильного функционирования и равномерного растворения никелевые анодные пластины подвергаются специальной термообработке с последующим приданием им ромбовидной либо эллиптической формы. Это позитивно сказывается на скорости растворения никеля и, как следствие, на качестве осадков, получаемых в ходе процесса.
Наряду с электролитическим в промышленности широко применяется метод химического никелирования, в основу которого заложена реакция восстановлении никеля из различных водных растворов с применением химических восстановителей, главным образом гипофосфита натрия.
Осуществляют химическое никелирование в специальных ваннах из фарфора, стекла или эмалированного железа. Материалом для изготовления подвесок служит углеродистая сталь.
Процесс химического никелирования может происходить в ваннах кислого и щелочного состава, а в качестве компонентов, используемых для химического восстановления никеля, применяют, главным образом, хлорид либо сульфат никеля сравнительно невысокой концентрации(~5 г/л).
В последнее время все большее распространение получает нанесение химическим путем покрытия из сплава никель-бор с применением в качестве восстановителя таких содержащих бор соединений, как борогидрид натрия и диметилборат, обладающих, по сравнению с гипофосфитом, значительно лучшей восстановительной способностью.
Метод химического никелирования используют для покрытия слоем никеля поверхностей каких угодно конфигураций.
Слою никеля, восстановленного химическим путем, присущи высокая твердость, коррозионная стойкость и сопротивляемость износу – неоценимые эксплуатационные качества, которые, к тому же, можно значительно оптимизировать за счет термической обработки (твердость никеля, осажденного химически, увеличивается до 8000 МПа после нагрева до температуры 400°С и выдерживания в данном режиме до 10-15 мин). Значительно возрастают при этом и показатели прочности сцепления с основной поверхностью.
Безусловным преимуществом нанесенных химическим путем никелевых покрытий является также их однородная толщина вне зависимости от геометрической конфигурации изделия.
Еще одним важнейшим достоинством метода химического никелирования является непрерывность осаждения слоя, что делает возможным создание покрытий требуемой толщины.
Впрочем, эти свойства в равной мере присущи всем процессам нанесения металлических покрытий методом химического восстановления, без использования электротока.
Нанесение декоративных металлических покрытий на любые поверхности
ВВЕДЕНИЕ
Впервые металлическое покрытие методом химического восстановления было получено Ю. Либихом в 1836 году. Он осуществил химическое серебрение стекла и впоследствии разработал технологию процесса серебрения, которая получила промышленное применение. Покрытия такого типа известны в литературе как химические покрытия.
Отличительной особенностью химических покрытий является высокая равномерность их осаждения по всей поверхности. Благодаря низкой пористости такие покрытия обладают высокой защитной способностью, что имеет важное значение при их эксплуатации.
Так, например, никелевое покрытие с успехом применяют для защиты от коррозии энергетического оборудования, работающего при температуре 600-6500?С в газовой среде, для покрытия магниевых и титановых деталей вертолетных роторов, а также алюминиевых зеркал, используемых на спутниках в условиях космоса.
Оно применяется для защиты от коррозии хирургических инструментов и деталей часов.
В последние десятилетия химический способ нанесения покрытий находит применение для металлизации диэлектриков, придавая поверхности электропроводящие свойства.
В частности, металлизированные пластмассы обладают химической устойчивостью, износостойкостью, теплостойкостью и механической прочностью, имеют декоративный вид и устойчивы к свету.
Благодаря этим свойствам металлизированная пластмасса широко используется в автомобиле- и приборостроении. Из декоративно-металлизируемых пластмасс изготавливают фурнитуру для мебели, бижутерию, игрушки и другие бытовые изделия.
Как же получают металлические покрытия химическим методом? Существуют несколько способов химического осаждения металлических покрытий из водных растворов: 1) контактный; 2) контактно-химический; 3) метод химического восстановления.
Контактный способ основан на вытеснении ионов металла из раствора более активным металлом. Примером может быть хорошо известная из школьного курса реакция меднения железного гвоздя, помещенного в раствор сульфата меди.
Контактно-химический способ осаждения металлов заключается в создании гальванической пары между металлом основы и более активным металлом. Так, при осаждении серебра на медную основу создают гальваническую пару с помощью более активного металла алюминия или магния.
В этом случае более активный металл отдает свои электроны меди и на отрицательно заряженной медной поверхности ионы Ag+ восстанавливаются до металла. Рассмотренный процесс используют при нанесении серебряного покрытия на волноводные трубы и изделия сложной конфигурации из меди и ее сплавов.
Метод химического восстановления (химическая металлизация) заключается в том, что металлические покрытия получают в результате восстановления ионов металла из водных растворов, содержащих восстановитель.
Рассмотрим более подробно получение металлических покрытий методом химического восстановления.
СУЩНОСТЬ МЕТОДА ХИМИЧЕСКОГО (АВТОКАТАЛИТИЧЕСКОГО) ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
В основе метода лежит реакция взаимодействия ионов металла с растворенным восстановителем на поверхности металла. Окисление восстановителя и восстановление ионов металла протекают с заметной скоростью только на металлах, проявляющих автокаталитические свойства.
Это означает, что металл, образовавшийся в результате химического восстановления из раствора, катализирует в дальнейшем реакцию окисления восстановителя.
Таким свойством обладают никель, кобальт, железо, медь, серебро, золото, палладий, родий, рутений, платина, олово, свинец, индий.
Если осаждаемый металл не проявляет автокаталитические свойства, то реакция восстановления ионов металла протекает во всем объеме раствора и приводит к образованию металлического порошка. Вот почему не любой металл можно получить в виде покрытия химическим восстановлением.
Для химического осаждения металлов используют различные восстановители: гипофосфит, гидразин, формальдегид, борогидрид, боразины, гидразинборан, а также ионы металлов в низшей степени окисления (Fe2 +, Sn2 +, Ti3 +, Cr2 +, Co2 +). Выбор восстановителя определяется главным образом природой осаждаемого металла.
Так, например, окисление формальдегида при комнатной температуре катализирует медная поверхность, поэтому формальдегид широко применяют в процессах химического меднения.
Гипофосфит в качестве восстановителя используют для получения никелевых и кобальтовых покрытий, так как именно эти металлы обладают в достаточной степени автокаталитическими свойствами.
В настоящее время разработаны способы получения покрытий химическим восстановлением более 20 различных металлов. Этим же методом получают покрытия бинарными и тройными сплавами: Ni-P, Ni-B, Ni-Co-P, Ni-Mo-B, Ni-Cr-P, Ni -Sn-P, Ni-Cu-B и др.
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ
Химические покрытия в зависимости от функциональных свойств осаждают на черные металлы и сплавы, цветные металлы, а также на неметаллические поверхности (пластмасса, керамика, фарфор, стекло).
Перед нанесением химического покрытия поверхность образца должна быть подготовлена соответствующим образом.
Характер предварительной обработки поверхности зависит от природы материала, на который осаждается химическое покрытие.
Как уже отмечалось, химическое восстановление металлов является автокаталитической реакцией, так как металлическая пленка, образовавшаяся в начальный период, катализирует дальнейшую реакцию восстановления этого же металла.
Но для начальной стадии восстановления металла необходимо, чтобы покрываемая поверхность проявляла каталитические свойства по отношению к этой реакции.
Такими свойствами обладают главным образом металлы d-элементов VIII группы и некоторые другие металлы.
Металлы медь, вольфрам, титан, а также неметаллические материалы не являются катализаторами реакции окисления восстановителя. Поэтому для придания каталитических свойств поверхности ее подвергают специальной обработке — активации.
Существуют различные способы активации, сущность которых заключается в нанесении металла-катализатора на покрываемую поверхность. Наиболее распространенный способ активации включает две последовательные операции, получившие название «сенсибилизирование» и «активирование».
Сенсибилизирование (повышение чувствительности) заключается в обработке поверхности раствором солей Sn2 +, Fe2 +, Ti3 +, Ge2 +. Самым эффективным способом сенсибилизирования является обработка поверхности в растворе SnCl2.
Активирование состоит в обработке сенсибилизированной поверхности растворами соединений каталитически активных металлов: Pd, Pt, Ag, Au, Rh, Ru, Os, Ir. Наибольшее распространение получили растворы, содержащие соединения Pd(II).
- В последнее десятилетие широкое применение для активирования поверхности находят так называемые совмещенные растворы, которые одновременно содержат PdCl2 и SnCl2 .
- В результате процесса активации металлический палладий равномерно распределяется тончайшим слоем по всей поверхности, и на такой образец уже может быть нанесено химическое покрытие.
- РАСТВОРЫ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Растворы для получения химических покрытий в простейшем случае содержат соль металла и восстановитель. Однако такие растворы неустойчивы, и ионы металла восстанавливаются с образованием металлического осадка во всем объеме раствора.
В начальный момент времени реакция взаимодействия ионов металла с восстановителем является некаталитической, но по мере образования частиц металла реакция принимает каталитический характер, и скорость ее возрастает с увеличением поверхности осадка.
Для стабилизации раствора в него вводят: 1) комплексообразующие вещества (лиганды), которые обеспечивают образование прочных комплексов с ионами металла.
С увеличением прочности комплекса скорость реакции взаимодействия ионов металла с восстановителем уменьшается; 2) вещества, создающие определенное значение pH (щелочи или кислоты, буферирующие добавки); 3) стабилизаторы — специальные вещества, которые в малых концентрациях (1-100 мг/л) значительно повышают стабильность раствора.
НАНЕСЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Химическое покрытие одних металлов другими подкупает простотой технологического процесса. Действительно, если, например, необходимо химически отникелировать какую-либо стальную деталь, достаточно иметь подходящую эмалированную посуду, источник нагрева (газовая плита, примус и т.п.) и относительно недефицитные химреактивы. Час-другой- и деталь покрыта блестящим слоем никеля. Заметим, что только с помощью химического никелирования можно надежно отникелировать детали сложного профиля, внутренние полости (трубы -и т.п.). Правда, химическое никелирование (и некоторые другие подобные процессы) не лишено и недостатков. Основной из них — не слишком крепкое сцепление никелевой пленки с основным металлом. Однако этот недостаток устраним, для этого применяют так, называемый метод низкотемпературной диффузии. Он позволяет значительно повысить сцепление никелевой пленки с основным металлом. Метод этот применим для всех химических покрытий одних металлов другими. Никелирование В основу процесса химического никелирования положена реакция восстановления никеля из водных растворов его солей с помощью гипофосфита натрия и некоторых других химреактивов. Никелевые покрытия, полученные химическим путем, имеют аморфную структуру. Наличие в никеле фосфора делает пленку близкой по твердости пленке хрома. К сожалению, сцепление пленки никеля с основным металлом сравнительно низкое. Термическая обработка пленок никеля (низкотемпературная диффузия) заключается в нагреве отникелированных деталей до температуры 400°С и выдержке их при этой температуре в течение 1ч. Если покрываемые никелем детали закалены (пружины, ножи, рыболовные крючки и т.п.), то при температуре 400°С они могут отпуститься, то есть потерять свое основное качество — твердость. В этом случае низкотемпературную диффузию проводят при температуре 270…300С с выдержкой до 3 ч. При этом термообработка повышает и твердость никелевого покрытия. Все перечисленные достоинства химического никелирования не ускользнули от внимания технологов. Они нашли им практическое применение (кроме использования декоративных и антикоррозионных свойств). Так, с помощью химического никелирования осуществляется ремонт осей различных механизмов, червяков резьбонарезных станков и т.д. В домашних условиях с помощью никелирования (конечно, химического!) можно отремонтировать детали различных бытовых устройств. Технология здесь предельно проста. Например, сносилась ось какого-либо устройства. Тогда наращивают- (с избытком) слой никеля на поврежденном месте. Затем рабочий участок оси полируют, доводя его до нужного размера. Надо отметить, что с помощью химического никелирования нельзя покрывать такие металлы, как олово, свинец, кадмий, цинк, висмут и сурьму. Растворы, применяемые для химического никелирования, подразделяются на кислые (рН — 4…6.5) и щелочные (рН — выше 6,5). .Кислые растворы предпочтительнее применять для покрытия черных металлов, меди и латуни. Щелочные — для нержавеющих сталей. Кислые растворы (посравнению с щелочными) на полированной детали дают более гладкую (зеркальную) поверхность, у них меньшая пористость, скорость протекания процесса выше. Еще немаловажная особенность кислых растворов: у них меньше вероятность саморазряда при превышении рабочей температуры. (Саморазряд — мгновенное выпадение никеля в раствор с расплескиванием последнего.) У щелочных растворов основное преимущество — более надежное сцепление никелевой пленки с основным металлом. И последнее. Воду для никелирования (и при нанесении других покрытий) берут дистиллированную (можно использовать конденсат из бытовых холодильников). химреактивы подойдут как минимум чистые (обозначение на этикетке — Ч). Перед покрытием деталей любой металлической пленкой необходимо провести специальную подготовку их поверхности. Подготовка всех металлов и сплавов заключается в следующем. Обработанную деталь обезжиривают в одном из водных растворов, а затем деталь декапируют в одном из нижеперечисленных растворов. Составы растворов для декапирования (г/л) Для стали
Никелирование в домашних условиях: технология и способы никелирования
Процесс никелирования
Процедура никелирования подразумевает нанесение на поверхность изделия никелевого покрытия, которое, как правило, имеет толщину слоем 1-50 мкм. Никелевые покрытия могут быть матовыми черными или блестящими, но вне зависимости от этого, создают надежную и прочную защиту металла от агрессивных воздействий (щелочи, кислоты) и в условиях высоких температур.
Перед никелирования изделие необходимо подготовить. Этапы подготовки:
- деталь обрабатывают наждачкой для снятия оксидной пленки;
- обрабатывают щеткой;
- промывают под водой;
- обезжиривают в теплом содовом растворе;
- подвергают промывке еще раз.
Покрытия из никеля могут с течением времени утрачивать свой изначальный блеск, потому очень часто никелевый слой покрывают более стойким слоем хрома.
Никель, нанесенный на сталь, это катодное покрытие, которое защищает металл только механическим способом.
Слабая плотность защитного слоя способствует появлению коррозионных пор, где растворимым электродом является именно стальная часть.
В итоге под покрытием возникает коррозия, она разрушает стальную подложку и создает отслаивание никелевого слоя. Чтобы этого не допустить металл всегда необходимо обрабатывать толстым слоем никеля.
Покрытия из никеля наносятся на:
- медь;
- железо;
- титан;
- вольфрам и другие металлы.
Нельзя обрабатывать при помощи никелирования такие металлы, как:
- кадмий;
- свинец;
- свинец;
- олово;
- висмут;
- сурьму.
При никелировании деталей из стали необходимо делать подслой меди.
Никелевые покрытия применяют в различных сферах промышленности для специальных, декоративно-защитных целей, а также используют в роли подслоя.
Технику никелирования применяют для восстановления изношенных деталей и запчастей автомобилей, покрытия медицинского инструмента, химической аппаратуры, предметов домашнего обихода, измерительных инструментов, деталей, которые подвергаются небольшим нагрузкам в условии действия крепких щелочей или сухого трения.
Разновидности никелирования
На практике существует два вида никелирования:
- Химическое;
- Электролитическое.
Первый вариант является четь дороже электролитического, но может обеспечить возможность создания равномерного покрытия по толщине и качеству на любых участках изделия, если создано условие доступа раствора к ним.
Электролитическое покрытие никелем в домашних условиях
Для чего в домашних условиях надо подготовить электролит. Необходимо 3,5 гр. хлорида никеля, 30 гр. сульфата никеля и 3 гр. борной кислоты на 100 мл. воды, этот электролит перелейте в емкость. Для никелирования меди или стали будут необходимы никелевые аноды, которые необходимо погрузить в электролит.
Деталь подвешивается на проволочке между никелевыми электродами. Проволочки, которые от никелевых пластинок, нужно соединить вместе. Детали подсоединяют к отрицательному полюсу источнику напряжения, а проволочки – к положительному. После необходимо подключить реостат в цепь и миллиамперметр для регулировки напряжения. Понадобится источник постоянного тока, с напряжением не более 6 Вольт.
Ток нужно включать примерно на 20 минут. После деталь достается, промывается и высушивается. Деталь покрыта матовым слоем никеля серого оттенка. Чтобы защитный слой получил блеск, его нужно отполировать.
Но при работе не забывайте о значительных недостатках электролитического покрытия в домашних условиях — невозможности покрытия узких и глубоких отверстий и неравномерности осаждения на рельефной никелевой поверхности.
Химическое покрытие никелем в домашних условиях
Кроме электролитического способа, существует еще один, довольно несложный вариант для покрытия полированной стали или железа прочным и тонким никелевым слоем. Необходимо 10% раствор хлористого цинка и потихоньку добавлять к сернокислому раствору никеля, пока раствор не будет ярко-зеленым. Затем жидкость необходимо довести до кипения, желательно для этого взять фарфоровую емкость.
При этом образуется характерная муть, но на никелирования изделий она никак не влияет. Когда доведете раствор до кипения, надо в него опустить изделие, которое подвергается никелированию. Предварительно его надо обезжирить и почистить. Деталь должна кипеть в жидкости около часа, периодически доливайте дистиллированную воду по мере уменьшения раствора.
Если увидели при кипении, что раствор поменял цвет из ярко на слабо зеленый, то необходимо добавить чуть сернокислого никеля, чтобы получить изначальный окрас.
Через указанное время достаньте деталь из жидкости, сполосните в воде, где растерто чуть-чуть мела, и хорошенько высушите.
Полированное железо или сталь, покрытые таким образом, этот защитный слой удерживают довольно хорошо.
В основе процесса химического покрытия лежит реакция преобразования никеля из водяного раствора его солей с помощью гипофосфита натрия и других химических элементов. Растворы, использующиеся для химического покрытия, могут быть щелочными с рН более 6,5 и кислыми с рН 4-6,5.
Кислые растворы лучше всего применять для обработки меди, латуни и черных металлов. Щелочные используются для нержавейки.
Кислый раствор, в отличие от щелочного, создает на полированном изделии более гладкую поверхность.
Также важной особенностью кислых растворов является меньший шанс саморазряда при увеличении уровня рабочей температуры. Щелочные вещества гарантируют более прочное сцепление никелевой пленки с основанием металла.
Любые водные растворы для никелирования считаются универсальными, а именно подходящими для любых металлов. Для химического покрытия используют дистиллированную воду, но вы можете взять и конденсат из обычного холодильника. Химические реагенты подходят чистые – с маркировкой на упаковке «Ч».
Этапы приготовления раствора:
- Все химические вещества, кроме гипофосфита натрия, необходимо растворить в воде в эмалированной емкости.
- После разогрейте жидкость до кипячения, растворите гипофосфит натрия и разместите изделие в растворе.
- При помощи литра раствора можно покрыть никелем детали, имеющих площадь до 2 кв. дм.
Ванны для покрытия никелем
В мастерских часто используется ванна, состоящая из трех основных элементов:
- хлорид;
- сульфат;
- борная кислота.
Сульфат никеля это источник никелевых ионов. Хлорид существенно влияет на работу анодов, его пропорция в ванне точно не указывается. В безхлоридных ваннах происходит значительное пассивирование никеля, после этого количество в ванне никеля снижается, и как результат, падение качества покрытий и снижение выхода по току.
Аноды при хлоридах растворяются в необходимом количестве для достаточного протекания никелирования алюминия или меди. Хлориды повышают работу ванны при загрязнениях цинком и ее проводимость. Борная кислота поддерживает рН на необходимом уровне. Эффективность этого процесса зависит в основном от количества борной кислоты.
В роли хлорида можно выбрать хлорид магния, цинка или натрия. Повсеместно используются сульфатные ванны Воттса, содержащие в роли добавки электропроводные соли, увеличивающие электропроводность ванн и повышающие привлекательный вид защитного слоя. Наиболее часто используемый среди таких солей является сульфат магния (около 30 гр. на 1 л.).
Как правило, сульфат никеля вводить в соотношении приблизительно 220-360 гр. на 1 л. Сегодня появились тенденции к снижению сульфата никеля – менее 190 гр./л., это помогает значительно уменьшить потери раствора.
Добавление борной кислоты приблизительно 25-45 гр. на 1 л. Если менее 25 гр./л., то повышаются процессы защелачивания ванны. А превышение этого предела является неблагоприятным, по причине вероятной кристаллизации борной кислоты и выпадения осадков кристаллов на анодах и стенках ванны.
Никелевая ванна может работать в различном диапазоне температур. Но техника никелирования в домашних условиях нечасто используется при комнатной температуре. От покрытий, нанесенных в прохладных ваннах, зачастую отходит никель, потому ванну нужно прогревать минимум до 32 градусов. Плотность тока подбирают экспериментальным путем, чтобы не произошел прижег защитного слоя.
Натриевая ванна хорошо работает в большом диапазоне рН. Когда-то поддерживали рН 5,3-5,9, мотивируя слабой агрессивностью и лучшими кроющими свойствами ванны. Но высокие показатели рН провоцируют существенное увеличение напряжений в никелевом слое. Потому во многих ваннах рН равен 3,4-4,6.
Особенности никелирования
Но не забывайте, что если изделия, покрытые никелем, были закалены, то при 400 гр. они могут утратить прочность – их главное качество. Потому низкотемпературную диффузию в этих случаях делают при температуре около 260-310 гр. с выдержкой три часа. Эта термообработка может повышать и прочность никелевого покрытия.
Ванны подразумевают специальное оборудование для покрытия никелем и перемешивания водяного раствора для интенсификации процесса никелирования и снижения вероятности питтинга – появления мелких углублений в защитном слое. Перемешивание ванны влечет необходимость организации постоянной фильтрации для удаления загрязнений.
Перемешивание с помощью активной катодной штанги не настолько эффективно, как использование сжатого воздуха, и кроме этого, нуждается в наличии специального вещества, исключающего образования пены.
Удаление никелевого покрытия
Покрытия из никеля на стали принято убирать в ваннах с разведенной серной кислотой. Добавьте к 25 л. охлажденной воды частями 35 л. концентрированной серной кислоты, при этом постоянно перемешивания. Следите, чтобы температура не была не более 55 градусов. После остывания до комнатной температуры жидкости ее плотность должна быть 1,64.
Для снижения вероятности затравливания металла, из которого изготовлена подложка, в ванну добавляют глицерин в пропорции 50 гр. на 1 л. Ванны чаще всего делаются из винипласта. Детали навешивают на среднем поручне, соединенным с плюсом источника напряжения. Поручни, где прикреплены свинцовые листы, подсоединяются к минусу источника питания.
Проследите, чтобы температура ванны была не более 32 гр., потому что горячий раствор агрессивно воздействует на подложку. Плотность тока обязана быть около 4,1 А./дм. кв., но возможно изменение тока в диапазоне 4,5-6,2 Вольт.
Добавьте через некоторое время серную кислоту, чтобы выдержать плотность равной 1,64. Чтобы избежать разбавления ванны окунайте детали только после проведения их предварительной просушки.
На сегодняшний день никелирование – это наиболее популярный гальванотехнический процесс. Никелевые покрытия отличаются высокой коррозионной устойчивостью, твердостью, недорогой стоимостью никелирования, удельным электрическим сопротивлением и отличными отражательными возможностями.
- Николай Иванович Матвеев
- Распечатать