Рефераты. Нанесение и получение металлических покрытий химическим способом
Термообработка никелированных деталей способствует повышению
адгезии покрытия с основой вследствие диффузии никеля и фосфора в основной
металл с образованием переходного диффузионного слоя. Максимальная прочность
сцепления достигается в результате нагрева покрытия при температуре 400—500 °С
в течение 1 ч.
Природа материала основы оказывает определенное влияние на
прочность сцепления его с покрытием. При одинаковых условиях термообработки
адгезия на образцах из легированных сталей несколько ниже, чем на образцах из
углеродистой стали. Удовлетворительная прочность никель-фосфорного покрытия с
алюминиевыми и медными сплавами обеспечивается термообработкой при температуре
350 °С с минимальной выдержкой ~30 мин.
Пористость. Основной характеристикой, определяющей защитные свойства
катодных покрытий, является их пористость. В связи с тем, что Ni—Р-покрытия — катодные по отношению
ко многим машиностроительным материалам (таким, как сталь, алюминиевые сплавы и
др.), исследователи уделяют большое внимание пористости никелевого покрытия,
осажденного химически. Установлено, что химические Ni — Р-покрытия менее пористые, чем
покрытия той же толщины, но полученные электрохимическим способом. При
определении пористости никелевых покрытий различной толщины было обнаружено
[2], что химически восстановленные никелевые покрытия толщиной 8—10 мм по
пористости соответствовали электролитическим осадкам толщиной 20 мкм.
Защитные свойства. Защитные свойства Ni—Р-покрытия определяются не только
собственной химической стойкостью осаждаемого металла, но и особенностями его
строения, а также наличием трещин, пор и других дефектов, изменяющих сплошность
покрытия.
В связи с тем, что Ni — Р-покрытие содержит некоторое количество фосфора, химические свойства Ni — Р-покрытия должны отличаться от
характеристик чистого никеля. Как уже отмечалось ранее, фосфор в этих осадках
находится в виде фосфида никеля, присутствующего в осадке наряду с чистым
никелем или твердым раствором фосфора в никеле [38].
Присутствие нескольких фаз в химически осажденном никеле
связано с возможностью их различного распределения в осадке а распределение
состава осадка зависит от условий проведения процесса и последующей термической
обработки. Защитные свойства покрытий, полученных химическим восстановлением из
кислых растворов, выше чем осадков из щелочных растворов.
Важное практическое значение имеет способность Ni — Р-покрытий защищать от коррозии основной
материал в условиях высоких температур (560—625 °С) и давлений 1250 МПа в
воздушной и паровой средах. И в этих случаях защитная способность Ni—Р-покрытий определяется их толщиной
и содержанием в них фосфора. Защитные свойства покрытий с 6—12 %-ным
содержанием фосфора практически одинаковы, и привес таких образцов почти в 90
раз меньше, чем без покрытий. Недостаточно надежно в данных условиях
эксплуатации защищают металл основы покрытия с 3,8—4.2 %-ным содержанием
фосфора. На них уже после 500 ч эксплуатации образуется сетка мелких трещин, в
которых вскоре обнаруживаются продукты коррозии основного металла (стали) и
покрытие отслаивается от основы. Это, по-видимому, связано с повышенной
пористостью покрытий содержащих небольшие количества фосфора. Такие покрытия,
получаемые из щелочных ванн нецелесообразно использовать для защиты деталей,
работающих в условиях газовой коррозии [31].
Микротвердость никель-фосфорных покрытий. Одной из важнейших
эксплуатационных характеристик является твердость никель-фосфорных покрытий.
Твердость химически восстановленного никеля выше твердости электрохимически
осажденного никеля. Сразу после осаждения микротвердость никель-фосфорных
покрытий равна 4500— 5000 МПа, что примерно в 1,5—2 раза выше твердости
электролитических никелевых покрытий [35].
Зависимость коэффициентов трения от величины нагрузки при
трении стали по бронзе никель-фосфорному и хромовому покрытиям приведена на рис.
5. Как видно из приведенных кривых, возрастание коэффициента трения для
никель-фосфорных покрытий наблюдается при повышении нагрузки свыше 6 0, а для
хромовых покрытий после 6,5 МПа. Довольно низкие коэффициенты трения
ннкель-фосфорных покрытий объясняются, в частности, их хорошей
прирабатываемостью. Применение смазочного материала существенно снижает силу
трения. Важное значение имеет определение максимальных нагрузок до заедания,
выдерживаемых никель-фосфорными покрытиями.
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения μ
стали при трении по бронзе 1 , хромовому 2 и никель-фосфорному
покрытию 3 от удельной нагрузки при смазке маслом АМГ 10.
Магнитные свойства. Наличие фосфора в никелевом покрытии сильно сказывается на
магнитных свойствах покрытия. Магнитные свойства осадков никеля, полученных из
кислых и щелочных растворов, определяются технологией их получения, химическим
составом и структурным состоянием. Например, магнитные свойства покрытия с 3
%-ным содержанием фосфора приближаются к магнитным свойствам электролитического
никеля в то время как покрытие с 11 %-ным содержанием его немагнитно.
Термообработанные покрытия при прочих равных условиях более магнитны, чем
нетермообработанные.
Температура,
при которой осуществляется термическая обработка, имеет большое влияние на
магнитные свойства покрытия.
При
нанесении покрытий химическим способом предъявляют повышенные требования к
подготовке поверхности покрываемых деталей. Поверхность деталей перед
химическим нанесением покрытия подготавливают теми же способами, что и при
нанесении гальванических покрытий. Детали обезжиривают в органических
растворителях и щелочных растворах; травление осуществляют в кислотах в
присутствии ингибиторов коррозии так же, как и активирование. Составы растворов
для химического никелирования приведены в ГОСТ 9 047—75. Однако в
производственных условиях применяют более широкий ассортимент составов [31, 38, 39].
Основные
показатели эффективности растворов — скорость образования покрытий при той или
иной плотности загрузки; масса покрытия, полученного из 1 л раствора (т. е.
выход металла), стабильность, зависимость этих величин от различных факторов
(кислотности, температуры и т. д.).
Кислые
растворы (рН 4,0—6,5) применяют при нанесении покрытий на детали из черных и
некоторых цветных металлов (медь, латунь и др. ), особенно когда их рабочие
поверхности должны иметь высокие твердость, износостойкость и
коррозионно-защитные свойства.
С
течением времени скорость никелирования в некорректируемых кислых растворах
постепенно уменьшается и через 6 ч работы процесс образования покрытий почти
прекращается. При этом кислотность растворов возрастает, они мутнеют, на дно
ванны выпадает нерастворимый осадок. Перегрев растворов и изменение оптимальной
концентрации компонентов приводят к саморазряду и образованию никеля в объеме
ванны. Практически установлено, что растворы с янтарнокислым натрием позволяют
получать за то же время более толстый слой покрытия чем растворы с уксусно- или
лимоннокислым натрием. Кроме того, чем больше плотность загрузки ванны, тем
меньше скорость осаждения покрытия за равный промежуток времени.
Необходимо
иметь в виду, что поддержание в ходе реакции оптимальной величины рН, например,
гидроксилом натрия, мало повышает скорость осаждения химического никеля, что
объясняется нарушением оптимальной концентрации его основных компонентов, а
также накоплением в растворе побочных продуктов реакции.
Периодическое
корректирование кислых растворов гипофосфитом способствует увеличению выхода
никеля на 6—12 %. Одновременное корректирование кислых растворов солями никеля
и гипофосфитом не дает существенного повышения выхода никеля по сравнению с
корректированием одним гипофосфитом.
Рис. 6.
Зависимость скорости осаждения покрытия от продолжительности никелирования в
кислом растворе. 1 – с 15 мг/л сульфида свинца и корректированием; 2
– то же, без корректирования; 3 – с 15 мг/л аллилчепа и
корректированием; 4 – то же, без корректирования.
На рис. 6
показана зависимость скорости осаждения покрытия от продолжительности
никелирования в кислом некорректируемом и корректируемом растворах с сульфидом
свинца в качестве стабилизатора. Для этих целей применяют раствор следующего
состава (г/л), хлористый никель 21, гипофосфит натрия 24, уксуснокислый натрий
10, рН 5,2, температура 97—98 °С, плотность загрузки 1 дм2/л. В
обоих случаях начальная скорость никелирования в свежеприготовленных растворах
составляет около 60 мкм/ч, однако некорректируемый раствор уже после 1 ч работы
почти полностью выработался и осаждение никеля в нем прекратилось. В
корректируемом растворе, когда концентрация компонентов и рН поддерживались на
оптимальном уровне, такая скорость никелирования сохраняется длительное время.
При использовании в том же растворе в качестве стабилизатора 15 м/л аллилчепа (вместо
сульфида свинца) скорость никелирования снижается на 20—22 % по сравнению с первым
случаем, однако и тогда при помощи корректирования можно использовать раствор
длительное время. Применение в кислых растворах указанных стабилизаторов
позволяет вести процесс при максимальной температуре и на наибольшей скорости.
При этом возможно многоразовое корректирование растворов, что является
чрезвычайно важным фактором в производственной практике так же, как возрастание
выхода металла из кислых растворов до 50 % [31, 33, 34].
На рис. 7
показана зависимость скорости осаждения покрытия от продолжительности
никелирования в растворе с малеиновым ангидридом и без него. Из рисунка видно,
что в растворе следующего состава (г/л), сернокислый никель 21, гипофосфит
натрия 24, уксуснокислый натрий 10, рН 5.0—5,2 и температура 82—84 °С. при
плотности загрузки 1 дм2/л, содержащем 1.5—2 г/л малеинового
ангидрида, скорость покрытия на четвертом часу работы ванны почти в четыре раза
выше, чем без этого стабилизатора.
.
Рис. 7.
Зависимость скорости осаждения покрытия от продолжительности никелирования в
водном растворе. 1 – с малеиновым ангидридом (1,5-2,0 г/л), 2 –
без малеинового ангидрида.
2.2.4.
Химическое никелирование металлов Химическое никелирование стали, ковара, инвара и
суперинвара.
Химическое никелирование указанных металлов и сплавов
проводится в кислом гостированном растворе следующего состава (г/л) и режиме
осаждения [38]:
Сернокислый или хлористый никель (кристаллогидрат)
20—25
Гипофосфит натрия 25—30
Ангидрид малеиновый 1,5—2,0
Сернокислый аммоний 45—50
Уксусная кислота, мл/т 20—25
рН 5,0—5,5
Плотность загрузки дм2/л 1.0
Температура. °С 90—95
Скорость осаждения, мкм/ч 18—25
Химическое никелирование указанных металлов и сплавов
проводится в щелочном растворе следующего состава (г/л) и режиме осаждения:
Сернокислый или хлористый никель (кристаллогидрат) 20—50
Гипофосфит
натрия 10—25
Хлористый аммоний 35—55
Лимоннокислый натрий (трехзамещенный) 35—55
рН 7,5—9,0
Плотность загрузки, дм2/л . 1—2
Температура, °С 78-88
Скорость осаждения, мкм/ч 8—12
После нанесения покрытия детали подвергают термической
обработке при 200—220 °С в течение 1—2 ч для снятия внутренних напряжений. Для
повышения твердости покрытия детали нагревают при температуре 400 °С в течение
1 ч.
Снятие недоброкачественного никелевого покрытия производят в
растворе следующего состава [31, 38]:
Серная кислота плотность 1,84)части по объему 1
Азотная кислота (плотность 1.4) части по объему 2
Сернокислое железо (окисное), г/л . 5-10
Плотность загрузки, дм2/л 1
Температура раствора — комнатная.
Для снятия недоброкачественных покрытий можно применять
раствор, состоящий из 7 частей по объему азотной кислоты (плотность 1.4) и 3
частей по объему уксусной кислоты (98 %-ной).
Химическое никелирование меди и ее сплавов. Для никелирования меди и ее
сплавов рекомендуют щелочной раствор, применяемый для химического никелирования
стали (табл. 5). Корректирование
осуществляют концентрированными растворами соли никеля и гипофосфита, а также
добавлением аммиака [36]
Таблица 5
Состав и режимы осаждения щелочных
растворов с неорганическими добавками
