Процесс химического никелирования

Оглавление Введение

1. Некоторые данные о промышленном использовании процесса химического никелирования. Области применения химического никелирования

2. Способы нанесения покрытий

3. Подготовка поверхности перед нанесением покрытия

3.1 Механическая подготовка поверхности перед покрытием

3.1.1 Шлифование и полирование

3.1.2 Абразивные материалы

3.1.3 Галтовка

3.1.4 Вибрационное шлифование и полирование.

3.1.5 Металло-пескоструйная и гидроабразивная очистка

3.2 Обезжиривание

3.2.2 Химическое обезжиривание

3.2.1 Обезжиривание в органических растворителях.

3.3 Активирование, гидридная обработка

3.4 Контроль качества обезжиривания

4. Химическое никелирование

5. Условия образования никелевых покрытий

5.1. В кислой среде

5.2. В щелочных растворах

6. Влияние отдельных факторов на скорость восстановления никеля

6.1 Температура

6.2 Кислотность растворов

6.3 Концентрация гипофосфита

6.4 Концентрация никелевой соли

6.5 Концентрация буферных добавок

7. Свойства покрытия

7.1 Физические и химические свойства

7.2 Магнитные свойства

7.3 Твердость.

7.4 Хрупкость.

7.5 Износостойкость.

7.6 Пористость покрытия.

8. Защитные свойства покрытия

9. Равномерность покрытия

10. Оборудование для процесса химического никелирования

10.1 Материал ванны

10.2 Обогрев ванн.

11. Контроль качества покрытия

11.1 Внешний осмотр

11.2 Опрыскивание краской

11.3 Флуоресцентный контроль

11.4 Радиографический контроль

11.5 Токовихревой контроль

11.6 Ультразвуковой контроль

12. Термообработка

13. Практическая часть

13.1 Программа

13.2 Выполнение программы Вывод

14. Экономическая часть

14.1 Организация и планирование НИР

14.1.1 Расчет затрат на проведение дипломной НИР Вывод

15. Безопасность и экология

15.1 Безопасность труда.

15.1.1 Анализ условий выполнения работы.

15.1.1.1 Перечень экспериментальных операций и применяемого оборудования.

15.1.1.2 Опасные и вредные факторы при выполнении эксперимента.

15.1.1.3 Характеристика применяемых веществ и материалов

15.1.2 Характеристика лаборатории.

15.1.2.1 Размеры и планировка

15.1.2.2 Параметры микроклимата.

15.1.2.3 Освещение.

15.1.3 Меры защиты от выявленных опасных и вредных факторов.

15.1.4 Электробезопасность.

15.1.5 Пожарная безопасность.

15.1.6 Защита от вредных химических веществ.

15.2 Экология.

15.2.1 Общая характеристика экологических последствий от выполняемой работы.

15.2.2 Отходы, образующиеся при выполнении работы.

15.2.2.1 Краткая характеристика образующихся отходов.

15.2.2.2 Нейтрализация и очистка сточных вод.

15.2.2.3 Газообразные отходы и их очистка.

15.2.2.4 Утилизация твердых отходов.

15.2.3 Использование природных и энергетических ресурсов при выполнении работы.

15.2.4 Защита от ионизирующего излучения

15.2.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях.

15.2.5.1 Чрезвычайные ситуации устойчивость функционирования промышленных объектов в ЧС

15.2.6 Принципы организации и содержания спасательных и других неотложных работ по ликвидации последствий ЧС

15.2.7 Действия персонала в условиях ЧС Список литературы.

Введение

Коррозия металлов, т. е. разрушение вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет народному хозяйству огромный вред. Ежегодно из-за коррозии выбывает из строя свыше 35% всего вырабатываемого металла. Примерно 60% корродированного металла используется для повторной переработки в металлургической промышленности. Таким образом, безвозвратные потери металла составляют около 10% от всего вырабатываемого металла. К этому следует добавить преждевременный выход из строя пораженных коррозией инженерных сооружений, судов, машин, приборов, танков, а так же вызываемые коррозией несчастные случаи.

Для защиты металлов и сплавов от коррозии используют легирование хромом и никелем, пропитку в маслах и гидрофобизирующих жидкостях, а также нанесение металлических и неметаллических покрытий.

В соответствии с назначением детали, защищаемой от коррозии, и особенностей ее использования, к защитным покрытиям предъявляются соответствующие требования. Одним из таковых является твердость покрытия.

Хромовое покрытий является одним из наиболее твердых. Но, так как оно дорогостоящее, и не всегда уместно использовать именно его, используют близкое по значениям твердости никелевое покрытие, которое также лучше ложится на cложнопрофилированные детали.

В ряде случаев необходимо увеличение твердости. Этого добиваются термообработкой, а именно низкотемпературным отжигом.

В данной работе рассмотрено влияние термообработки и толщины на твердость покрытия «химический никель». Обоснован выбор именно этого способа покрытия. На образцах проведена операция нанесения покрытия на разные толщины, а также термообработка по разным режимам.

1. Некоторые данные о промышленном использовании процесса химического никелирования. Области применения химического никелирования Процесс химического никелирования вследствие своих отличительных особенностей — возможности нанесения равномерного покрытия на глубоко профилированные изделия и некоторых ценных свойств осадков никеля, получаемых в этих условиях, — находит широкое распространение в различных отраслях промышленности.

По мере накопления данных исследований в области химического восстановления металлов, выявления новых факторов, определяющих скорость течения реакции и так же развития методов корректирования и очистки раствора, технология ведения процесса никелирования непрерывно совершенствуется.

В промышленной практике находят применение различные методы ведения процесса с использованием как различных по составу растворов, так и различных режимов работы.

Разнообразие методов работы является естественным следствием того, что процесс введен в практику недавно и по существу мало исследован. Возникающие при освоении процесса трудности преодолеваются предприятиями различными путями.

Разнообразие в технологии ведения процесса вызывается так же и различием предъявляемых к покрытию требований, общим масштабом производства, габаритами покрываемых изделий и теми возможностями, какими располагает то или иное предприятие в отношении химикатов для составления раствора, способа обогрева ванны, оборудования для циркуляции и очистки растворов, наличия квалифицированных кадров для обслуживания процесса и т. д.

Учитывая специфические особенности процесса химического никелирования и своеобразие свойств восстановленного никеля, можно назвать некоторые области техники, в которых использование этого вида покрытий оказывается целесообразным:

Процесс химического никелирования целесообразно использовать в тех производствах, где имеется необходимость покрывать равномерным слоем никеля детали ложного рельефа.

Учитывая высокую твердость покрытия, особенно после применения термической обработки, химическое никелирование может быть рекомендовано для покрытия поверхностей, подвергающихся износу. Сопротивление износу повышается, если применяется смазка трущихся поверхностей. В условиях сухого трения возможно выкрашивание покрытия.

Химическое никелирование может быть использовано как средство для получения равномерного слоя в тех случая, где требуется большая точность в отношении воспроизведения контура.

Ввиду повышенной коррозионной стойкости, определяемой равномерностью толщины слоя химически восстановленного никеля, оказывается возможным заменить в некоторых случаях дорогостоящую нержавеющую сталь на более дешевую, подвергая ее никелированию этим способом.

При нанесении покрытия химическим способом на ранее никелированную поверхность сцепление осадка оказывается очень хорошим. Учитывая эту особенность, химическое никелирование можно использовать для исправления дефектов в никелевых покрытиях, которые могут проявиться при хранении или эксплуатации изделия. Этот метод является весьма ценным для доращивания излишне обточенных или равномерно изношенных деталей.

Процесс химического никелирования может быть использован в случае необходимости покрытия больших поверхностей.

Процесс химического никелирования может оказаться незаменимым при отсутствии электрооборудования, например в полевых условиях, или небольших мастерских Химически получаемый никель является хорошим подслоем для последующего нанесения эмалей.

Чаще всего процесс химического никелирования используется с целью повышения коррозионной стойкости покрытия, повышения поверхностной твердости изделия и износостойкости.

Среди деталей, покрываемых с антикоррозионными целями: внутренние поверхности компрессоров, насосов, а так же деталей различных очистительно-осушительных систем, трубчатую арматуру различных агрегатов, сосуды для бензина, цистерны для перевозки и баки для хранения различных химических веществ, сосуды реакционных смесей, внутренние поверхности трубопроводов, различного рода клапаны, винты, гайки и др.

Среди деталей, никелируемых химическим путем с целью повышения износостойкости, изготовляемых на предприятиях машиностроительной, приборостроительной и других отраслей промышленности — цилиндры гидравлических и другого вида насосов, поршневые кольца, шатуны, кривошипы, подпятник и подшипники, вращающиеся валы, части печатных станков и др.

2. Способы нанесения покрытий химический никелирование покрытие повверхность Для снижения потерь металла и предохранения изделий от коррозии наряду с использованием химически стойких материалов широко применяются различные виды защитных покрытий: лакокрасочные, металлические, оксидные и ряд других. В своей работе я рассматриваю металлические виды покрытий.

Оксидирование, фосфатирование и хроматирование — это процессы, в результате которых на поверхности металла образуется неорганическая защитная пленка вследствие химической или электрохимической обработки деталей в специальных растворах. К этой категории покрытий относятся: оксидирование и фосфатирование стали, оксидирование и хроматирование меди и медных сплавов.

Гальванические покрытия получают осаждением при помощи тока на поверхности деталей слоя металла из электролитов, содержащих ионы данного металла. Широко применяются гальванические покрытия цинком, медью, никелем, хромом, оловом, кадмием, свинцом, серебром.

Способ покрытия расплавленными металлами заключается в том, что изделия или полуфабрикаты погружают в ванну с расплавленным металлом или же нагретую поверхность деталей натирают расплавленным металлом. Горячие покрытия широко применяются для листового материала или изделий со швами, требующими герметизации.

Способ плакирования состоит в соединении слоев нескольких различных металлов или сплавов прокаткой или протяжкой при нагреве. Этот способ широко распространен для покрытия железа медью, латунью, томпаком, нержавеющей сталью и т. п.

Диффузионный способ нанесения металлических покрытий основан на диффузии в поверхностные слои деталей какого-либо металла или сплава при высокой температуре. Диффузионные покрытия наносят при нагреве деталей в твердой, жидкой или газообразной фазе металла. Применяют диффузионные покрытия цинком, алюминием, хромом, кремнием и т. п. с целью повышения коррозионной устойчивости, износои жаростойкости.

Способ металлизации распылением заключается в нанесении на поверхность деталей или изделий слоя металла распылением расплавленного металла. Широко применяется металлизация цинком, алюминием, кадмием, никелем, медью и т. д.

Способ эмалирования состоит в нанесении на поверхность изделий тонкого слоя стеклообразной массы, являющейся продуктом сплавления кремнезема и алюмосиликатов, а также окислами металлов.

Химический способ, позволяющий наносить покрытия из металлов или сплавов без применения электрического тока, осуществляется при помощи веществ, способных восстанавливать металлы из растворов солей. Широкое применение получили химическое серебрение и никелирование. Покрытия, получаемые химическим способом, отличаются равномерностью слоя, беспористостью и могут достигать значительной толщины.

В своей работе я рассматриваю нанесение никелевого покрытия химическим способом.

Никелевые покрытия получили широкое распространение в практике благодаря тому, что они повышают декоративность изделий, одновременно предохраняя их от быстрого коррозионного разрушения, а также повышают износостойкость.

Долгое время нанесение никелевых покрытий осуществлялось исключительно гальваническим методом. Этот способ имеет большие возможности в отношении регулирования скорости процесса и свойств покрытий, в частности их твердости и блеска. Но, не смотря на многочисленность работ, направленных на исследование возможности повышения равномерности покрытия на рельефных деталях, рассеивающая способность никелевых электролитов остается ограниченной. В связи с этим большой интерес представляет процесс нанесения никеля путем химического восстановления его солей при помощи гиппофосфита.

Процесс химического никелирования обеспечивает возможность нанесения равномерного по толщине и качеству покрытия на любых участках рельефной поверхности при условии доступа к ним раствора. Скорость нанесения никеля приблизительно соответствует скорости гальванического процесса, проводившегося при умеренных плотностях тока, достигает 20−25 мкм/час.

Образующиеся покрытия состоят не из чистого никеля, а представляют собой сложную систему, включающую наряду с никелем и фосфор в количестве, достигающем 15%. Наличие фосфора существенно изменяет свойства покрытий как физические — удельные вес, температура плавления, магнитные характеристики, так и химические. Химически восстановленный никель обнаруживает повышенную, по сравнению с гальванически получаемым никелем, стойкость против различных агрессивных сред.

Наиболее характерным свойством химически восстановленного никеля является его высокая твердость, которая может быть значительно повышена в результате термообработки. Структурные исследования, осадки в исходном состоянии имеют жидкоподобное строение, которое в процессе нагрева претерпевает изменения с образованием двух фаз: фосфида никеля и твердого раствора фосфора в решетке никеля. С характером, протекающих при отжиге превращений, связаны упомянутые выше изменения твердости, а также и других свойств, позволяющие расширить область применения химически восстановленного никеля.

3. Подготовка поверхности перед нанесением покрытия

3.1 Механическая подготовка поверхности перед покрытием Механическая подготовка поверхности заключается в том, чтобы удалить с деталей неровности, царапины, раковины, а в случае необходимости придать деталям блестящую поверхность. Иногда перед механической обработкой необходимо удалить окалину.

Повышение чистоты поверхности увеличивает износостойкость деталей и повышает их противокоррозионную устойчивость.

Существует несколько способов механической подготовки деталей перед нанесением покрытий. Выбор способа зависит от состояния поверхности деталей, поступающих на покрытие, от требований, предъявляемых к внешнему виду деталей, а так же от их размеров.

Механическая подготовка осуществляется шлифованием, полированием, галтовкой, виброабразивной обработкой, пескоструйной, дробеструйной и гидроабразивной обработкой.

Шлифование и полирование — наиболее дорогостоящие операции при нанесении покрытий, поэтому применение их целесообразно в случае высоких требований к классу чистоты поверхности или невозможности использования другого способа.

Пескоструйная обработка — один из эффективных методов подготовки поверхности деталей перед нанесением покрытий, однако вследствие профессиональной вредности нельзя широко пользоваться данным методом.

3.1.1 Шлифование и полирование Шлифованием называют механический процесс обработки до получения ровной и гладкой поверхности, когда при помощи мелких зерен абразивных материалов с поверхности снимают тонкую стружку.

Различают грубое шлифование, или обдирку, и тонкое шлифование — декоративное.

Грубое шлифование производится в механических цехах при помощи кругов, состоящих из абразивных материалов, сцементированных какой-либо связкой.

Тонкое, или декоративное, шлифование осуществляется при помощи эластичных кругов или непрерывной ленты, на которые нанесен слой абразива.

Полированием называют процесс получения блестящей поверхности сглаживанием мельчайших неровностей предварительно шлифованной поверхности деталей.

Шлифованием абразивами получают чистоту поверхности в пределах 6−10 го классов. При полировании на кругах с пастами чистота поверхности повышается до 10−13 го классов. Чистота поверхности деталей, поступающих на полирование, не должна быть ниже 7-го класса, так как иначе значительно увеличится продолжительности обработки и появится искажение геометрии поверхности.

3.1.2 Абразивные материалы При шлифовании и полировании применяются абразивные материалы, состоящие из зерен, обладающих высокой твердостью и режущей способностью. Для шлифования требуются более твердые, чем для полирования абразивы.

Для шлифования и полирования используют обычно следующие абразивные материалы: карбид кремния, корунд, наждак, кварц, трепел, кремнезем, крокус, известь, окись хрома и др.

3.1.3 Галтовка Галтовка предназначена для удаления с поверхности металлических деталей различных загрязнений, травильного шлама, неровностей и заусенцев, а также для шлифования мелких деталей.

Галтовка заключается в обкатке деталей совместно с абразивными или полирующими материалами в барабанах или колоколах.

Для плоских деталей предпочтительны барабаны; для деталей с наружной резьбой рекомендуется обработка в колоколах. Скорость вращения колоколов 20−60 об,/мин., барабанов 10−50 об./мин., при вращении барабана происходит перемещение и взаимное трение деталей и полирующих или шлифующих материалов, в результате чего снимается тонкий слой металла главным образом с выступающих частей поверхности.

Шлифующим или полирующим материалом служит кварцевый песок, стальная сечка, битое стекло, наждак, опилки куски кожи, фарфоровый и мраморный бой, стальные шарики и т. п.

Различают сухую и мокрую галтовку. При сухой галтовке детали обрабатывают сухими материалами, при мокрой — к ним добавляют 2−3% раствор каустической соды, серной кислоты или мыла.

Продолжительность галтовки колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Детали с окалиной или грубым слоем окислов предварительно подвергают травлению, а затем галтовке. В таких случаях в качестве абразивного материала применяется кварцевый песок с добавкой 2−3% раствора соды.

3.1.4 Вибрационное шлифование и полирование Вибрационная обработка деталей, позволяющая интенсифицировть процесс подготовки деталей, заключается в следующем. Детали и обрабатывающую среду помещают в контейнер, которому сообщают колебательные движения — вибрация. При этом детали под действием силы тяжести медленно перемещаются вниз в вибрирующей абразивной среде частицы которой, скользя по поверхности деталей, срезают неровности и шероховатости.

3.1.5 Металло-пескоструйная и гидроабразивная очистка Пескоструйной обработкой называется операция очистки поверхности деталей струей песка (или другого материала), подаваемого с большой скоростью на обрабатываемую поверхность при помощи сжатого воздуха, пескометного аппарата или жидкости.

Пескоструйная обработка может применяться для удаления окислов, окалин, старых покрытий и в ряде иных случаев, когда другие способы очистки не могут быть использованы.

Абразивный материал, ударяясь с большой силой о поверхность деталей, очищает ее от всех загрязнений и придает ей равномерную шероховатость. После очистки поверхность деталей становится матовой, покрывается большим количеством кратеров, способствующих прочному сцеплению покрытия с основным металлом.

В своих опытах для очистки металла я применяла пескоструйную обработку.

3.2 Обезжиривание

3.2.1 Обезжиривание в органических растворителях В качестве органических растворителей применяют бензин, керосин, Уайт-спирит, хлорированные углеводороды и др. При обезжиривании керосином или бензином детали протирают волосяными щетками или тряпками, а также промывают в двух-трех последовательно установленных баках, наполненных растворителем. Для последней промывки требуется не загрязненный, чистый растворитель.

Бензин и керосин дешевы, но пожароопасны.

Лучшими растворителями жиров считаются трихлорэтилен C2HCl3, дихлорэтан C2H4Cl2, четыреххлористый углерод CCl4 и др. Они не горючи.

Недостатки перечисленных растворителей — их токсичность и высокая стоимость.

3.2.2 Химическое обезжиривание Химическое обезжиривание заключается в том, что жиры, представляющие собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот, при воздействии щелочи омыляются и переходят в растворимые соли, а минеральные масла при воздействии щелочи могут образовывать эмульсию.

При химическом обезжиривании следует применять разбавленные растворы щелочи, так как концентрированные щелочные растворы обладают способностью образовывать окисные пленки на поверхности деталей. Образовавшиеся при обезжиривании мыла в концентрированных растворах щелочи не растворяются, что так же отрицательно сказывается на прочности сцепления покрытий. Кроме едкого натра, растворы для обезжиривания обычно содержат легко гидролизующиеся соли щелочных металлов, например углекислый натрий, тринатрийфосфат и др.

С целью облегчения процесса отрыва капелек масла от поверхности металла и образования эмульсии в щелочной раствор добавляют поверхностноактивные вещества-эмульгаторы.

3.3 Активирование, гидридная обработка Непосредственно перед осаждением покрытий на детали проводится активирование поверхности металла — удаление тонких окисных пленок. Стальные детали выдерживают в течение 0,1 —1,0 мин в 5—10%-ном растворе соляной или серной кислоты, а также в смеси, содержащей по 30—50 г/л каждой из кислот Осаждение любых покрытий на титан и его сплавы сопряжено со значительными трудностями из-за наличия на его поверхности инертной трудно удаляемой оксидной пленки, которая легко восстанавливается на воздухе и в различных водных средах. Для решения этой проблемы применяют специальные способы подготовки поверхности: нанесение контактного металла или создание слоя гидрида титана.

Выделяющийся в атомарном состоянии водород диффундируют в титановую основу, насыщая ее вплоть до образования гидридов титана (так называемая гидридная обработка). Активное травление с наводораживанием имеет место и при обработке в кислых растворах, содержащих ионы никеля.

Травление титановых сплавов в концентрированных кислотах как способ подготовки поверхности к нанесению гальванических покрытий получил свое развитие в машиностроении. Для травления сплава титана рекомендуется применять концентрованную соляную кислоту. Продолжительность обработки при 30 0С составляет 2 часа. Высокая адгезия получена с последующим низкотемпературным отжигом.

Однако гидридный способ подготовки поверхности не всегда может быть применен. В случаях, когда необходимо сохранить точные размеры изделия прибегают к другим способам активирования поверхности титановых сплавов.

3.4 Контроль качества обезжиривания Контроль качества очистки поверхности деталей от загрязнений можно проводить различными способами в зависимости от назначения операции очистки и требуемой чувствительности контроля. На производстве наиболее распространен способ, основанный на определении полноты смачивания поверхности водой. При наличии на ней частиц загрязнений или жировой пленки происходит нарушение сплошности водяного слоя. Следует учитывать, что сплошная водяная пленка может иногда образоваться и на загрязненных участках поверхности, если они недостаточно тщательно промыты от следов ПАВ, содержащихся в обезжиривающем растворе. Поэтому применяя такой метод контроля, необходимо сочетать его с тщательным визуальным осмотром поверхности деталей. Чувствительность его может быть повышена в несколько десятков раз, если водяной слой наносить на детали не погружением их в воду, а распылением воды. Дальнейшее заметное повышение чувствительности достигается распылением воды, содержащей красящий пигмент. В этом случае облегчается выявление недостаточно хорошо очищенных участков поверхности металла.

4. Химическое никелирование Химическое никелирование широко внедряется в гальванотехнику вследствие ценных свойств покрытия: большой твердости, значительной коррозионной стойкости и износостойкости, равномерному распределению химически осажденного металла по поверхности детали. Процесс заключается в химическом восстановлении ионов никеля до металла с помощью гипофосфита натрия. Обладая малой пористостью, покрытие хорошо защищает от коррозии основной металл. Кроме того покрытие характеризуется повышенной твердостью, увеличивающейся при термообработке.

Химическое никелирование осуществляется путем погружения в нагретый до 90−95°С раствор деталей, поверхность которых подготовлена принятыми на производстве методами. Основными компонентами раствора являются соли никеля, гипофосфит и органические соединения, которые препятствуют повышению концентрации водородных ионов, образующихся в ходе реакции и повышают скорость процесса.

Помимо указанных компонентов, в раствор вводят специальные вещества, выполняющие роль стабилизаторов раствора. Необходимость стабилизировать раствор обуславливается, с одной стороны, тем, что при взаимодействии гипофосфита с ионами никеля происходит быстрое изменение состава раствора с образованием фосфористой кислоты, являющейся продуктом окисления гипофосфита. В результате взаимодействия ионов никеля с ионами фофористой кислоты образуется нерастворимое соединение, вредно влияющее на ход процесса. С другой стороны, стабильность раствора нарушается тем, что при некоторых условиях происходит выделение никеля в объем ванны в виде порошка. Вследствие того, что порошкообразный никель так же является катализатором, наряду с процессом, ведущим к образованию покрытия, начинает протекать побочный процесс, связанный с непроизводительным расходом основных компонентов раствора.

Восстановление металла из его солей гипофосфитом представляет собой сложный процесс, протекающий только на поверхностях, катализирующих реакцию.

Процесс химического никелирования проводится в корзинках из нержавеющей стали или путем подвешивания деталей в эмалированной ванне, объемом 10−12 л. Такие сравнительно маленькие сосуды удобны с точки зрения их очистки от загрязнений. Продолжительность операции нанесения покрытия зависит от необходимой толщины покрытия, причем во время процесса проводят периодическое встряхивание деталей — один раз в минуту. Каждая ванна снабжена вентиляционным устройством.

5. Условия образования никелевых покрытий

5.1 В кислой среде В результате многочисленных исследований выявилось, что кислые растворы имеют ряд преимуществ по сравнению с щелочными, а именно кислые растворы в условиях высокой температуры имеют большую устойчивость, процесс протекает с более высокой скоростью и образующиеся покрытия имеют лучшее качество. Отмеченные особенности определили то, что в последующих работах в области химического никелирования основное внимание исследователей было обращено на кислые растворы. Следует отметить, что щелочные аммиачные растворы в некоторых отношениях представляют значительный интерес.

Ввиду специфических особенностей в протекании процесса в кислых и щелочных растворах результаты соответствующих исследований целесообразно изложить раздельно.

В поисках оптимальных условий проведения процесса в кислых растворах были исследованы влияние температуры, кислотности и состава раствора. Эти исследования показали, что скорость процесса в значительной степени определяется температурой раствора. Практически приемлемых значений скорость восстановления никеля достигает около 90 °C.

Образующаяся в процессе реакции кислота снижает скорость образования покрытия, рекомендуется систематически нейтрализовать раствор, а с целью поддержания pH при оптимальном значении предлагается вводить в раствор буферные соединения. В качестве буферов были использованы соли органических кислот, а именно гликолевой, лимонной, уксусной, винной, муравьиной и некоторых других, причем наилучшие результаты были получены с гликолевокислым натрием. Но основании этих данных рекомендуется несколько растворов, составы которых приводятся в таблице 1.

Вследствие того, что реакция восстановления никеля протекает только на внесенной в раствор поверхности металла, интенсивность изменений в составе раствора и снижение скорости определяются в значительной степени величиной покрываемой в данном объеме поверхности. Поэтому при изучении влияния отдельных факторов следовало бы проводить опыт в условиях, обеспечивающих неизменность состава раствора в течение процесса, т. е. использовать большие объемы раствора при небольшом размере покрываемой поверхности. В противном случае сопоставление характера влияния отдельных параметров процесса на его скорость оказывается возможным лишь при соблюдении условий одинакового отношения величины покрываемой поверхности к объему раствора, а также одинаковой длительности процесса.

Для получения постоянной скорости образования покрытия необходимо компенсировать расход компонентов в процессе никелирования. Однако поддержание постоянства состава связано с большими трудностями, обусловленными нарастанием концентрации продуктов окисления гипофосфита.

Таблица 1

5.2 Условия образования никелевых покрытий в щелочных растворах В то время как процессу химического никелирования в кислых средах посвящено большое количество работ, и внедрение процесса в промышленность в основном проходило по линии использования кислых растворов — методу никелирования в щелочных растворах уделялось меньше внимания. Однако этот тип растворов также успешно используется в практике.

Основные недостатки щелочных ванн — их неустойчивость, связанная с улетучиванием аммиака при высокой температуре (90°С), необходимой для ведения процесса, а также пониженная, по сравнению с кислыми растворами, скорость восстановления никеля. Однако наличие в щелочных растворах комплексообразователей — солей лимонной кислоты и аммиака, облегчает корректирование раствора и тем самым позволяет осуществлять длительное ведение процесса.

Таблица 2

Процесс восстановления никеля в щелочных растворах происходит тем же путем, что и в кислых растворах, сопровождаясь выделением водорода и окислением гипофосфита в фосфит. В результате протекающих реакций раствор подкисляется. С целью нейтрализации образующейся кислоты рекомендуется вводить в раствор аммиак. Замена аммиака органическими аминами не дает успешного результата.

Роль лимоннокислого натрия и хлористого аммония заключается в удержании солей никеля в растворенном состоянии при pH 8−9. Лимоннокислый натрий может быть заменен солями других органических оксикислот, например винной кислоты.

Изменение концентрации никелевой соли в широких пределах заметно не отражается на скорости восстановления никеля, в то время как изменение концентрации гипофосфита оказывает значительную влияние на процесс. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Высокая концентрация никелевых солей приводит к ухудшению качества покрытия, в частности к появлению шероховатости.

Так же на скорость процесса большое влияние оказывает температура.

Таблица 4

Для поддержания скорости процесса на постоянном уровне рекомендуется добавлять к раствору, периодически, или лучше непрерывно, расходуемые компоненты — гипофосфит и соль никеля. Кроме того, для нейтрализации кислоты, образующейся в процессе восстановления, и компенсации потерь аммиака за счет улетучивания в ванную систематически добавляют аммиак.

В отличие от никелевого покрытия, получаемого в кислом растворе, осадки никеля из щелочного аммиачного раствора обычно содержит меньшее количество фосфора, а именно 5−7%.

6. Влияние отдельных факторов на скорость восстановления никеля

6.1 Температура Скорость является одним из основных факторов, определяющих скорость процесса. При низких температура процесс практически не происходит.

Исследование проводилось с раствором, содержащим 30 г/л хлористого никеля, 10 г/л гипофосфита натрия и 8 г/л уксуснокислого натрия при pH 5. Продолжительность процесса составляла 30 мин.

6.2 Кислотность растворов Учет кислотности раствора оказывается весьма существенным ввиду того, что в процессе восстановления происходит самопроизвольное подкисление раствора.

Наилучшие результаты в отношении скорости восстановления никеля и качества покрытия получаются в растворах с кислотностью, соответствующей pH 5,0−5,5.

6.3 Концентрация гипофосфита При изменении концентрации гипофосфита в широких пределах, а именно от 10 до 100 г/л, скорость образования покрытия заметно не изменяется. Скорость процесса в кислом растворе не зависит от концентрации гипофосфита.

Однако скорость восстановления никеля не зависит от концентрации гипофосфита лишь в определенных условиях, а именно в растворах, в которых изменяется только концентрация гипофосфита, содержание же остальных компонентов, т. е. никелевой соли и буферной добавки, остается во время опыта неизменным. При соответствующем изменении соотношений между количествами других компонентов раствора и количествами других компонентов раствора и количеством гипофосфита, концентрация последнего оказывает на скорость восстановления никеля значительное влияние.

6.4 Концентрация никелевой соли Изменение в широких пределах концентрации никелевой соли мало отражается на скорости процесса. Изменение концентрации никелевой соли от 3 до 50 г/л не вызывает существенных изменений в скорости восстановления металла, а при концентрации хлористого никеля 100 г/л скорость восстановления несколько падает.

6.5 Концентрация буферных добавок Большое влияние на процесс восстановления оказывают соли органических кислот. Они применяются для подержания pH при оптимальном значении. Однако в результате многочисленных исследований выяснилось, что роль этих добавок не ограничивается их буферным действием, одновременно они оказывают специфическое, зависящее от их природы, воздействие на процесс, влияя и на скорость восстановления никеля.

7. Свойства покрытия

7.1 Физические и химические свойства Осадки никеля, получаемые в процессе химического восстановления из кислых растворов, имеют гадкую, почти блестящую поверхность. Покрытия, нанесенные в щелочных растворах, имеют менее блестящую поверхность.

Температура плавления химически восстановленного никеля, вследствие наличия в нем фосфора, ниже, по сравнению с чистым никеле, и меняется в зависимости от содержания фосфора и колеблется в пределах от 1100.°С до 1200 °C Удельный вес равен 7,85±0,03. Коэффициент линейного (термического) расширения, °С = 13*10−6.

7.2 Магнитные свойства Наличие фосфора в никелевом покрытии сказывается на магнитные свойства этого материала. Химически восстановленный никель уступает в этом отношении электрохимическому никелю.

Химически восстановленный никель при содержании фосфора в количестве 3% «менее магнитен», чем электролитический, в то время как при 11,4% фосфора покрытия оказывались «не магнитными».

7.3 Твердость Твердость химически восстановленного никеля выше, чем у гальванических осадков, получаемых в обычных электролитах, и приблизительно соответствует твердости осадков, наносимых в специальных электролитах для твердого никелирования. В противоположность гальваническим осадкам она увеличивается после термообработки.

Максимальная твердость покрытия достигается в результате термообработки при температуре 400 °C. При дальнейшем нагревании твердость покрытия падает. В случае отжига при 800 °C твердость возвращается к значению, которое осадок имел непосредственно после его получения, а в некоторых случаях твердость оказывается даже ниже. Максимум твердости достигается при нагревании в интервале температур 370−4°С.

7.4 Хрупкость Недостатком химически осажденного никелевого покрытия является его хрупкость, вследствие которой при механических воздействиях (изгибе или ударе) происходит выкрашивание металла. Это явление начинает проявляться при толщине слоя около 10 мкм.

Хрупкость покрытия может быть заметно снижена путем термообработки при 600 °C и 2-часовой длительности нагревания. Хотя термообработка при указанной температуре и приводит, по сравнению с результатами, получаемыми при 400 °C, к уменьшению твердость, однако одновременное снижение хрупкости покрытия, при сохранении достаточно высокой твердости, дает хорошие результаты в отношении износостойкости.

Наибольшая эластичность покрытия достигается термообработкой в инертной атмосфере при 750 °C и выше в течение 5 час. После указанной выдержки рекомендуется медленное охлаждение, по крайней мере, до 200 °C. При этих условиях термообработки покрытие, наряду с повышением эластичности, приобретает и более высокую коррозионную устойчивость, однако твердость покрытия в этом случае понижается до первоначального значения.

7.5 Износостойкость Химически восстановленный никель, ввиду его высокой твердость, особенно после термической обработки, может быть использован для покрытия деталей, работающих на износ, и в некоторых случаях может заменить хромовое покрытие.

7.6 Пористость покрытия Во всех случаях использования покрытий из металла более благородного, чем металл основного изделия, существенное значение имеет пористость слоя, так как ею характеризуется количество локальных элементов, действие которых приводит к коррозионному разрушению основного металла.

Никелевые покрытия, полученные методом химического восстановления, согласно данным ряда исследований, оказываются менее пористыми, чем покрытия той же толщины, полученные электрическим способом.

8. Защитные свойства покрытия Как известно, защитные свойства покрытий определяются как собственной химической скоростью осаждаемого металла, так и особенностями его строения, а именно наличием трещин, пор и других дефектов, наущающих сплошность покрытия.

Поскольку покрытие, образующееся в результате восстановления никелевых солей при помощи гипофосфита, не является чистым никелем, а содержит то или иное количество фосфора, то естественно ожидать, что и химические характеристики его должны отличаться от таковых чистого никеля, свойства которого хорошо изучены в многочисленных исследованиях.

Химически осажденные никелевые покрытия во всех случаях оказываются более стойкими, чем покрытия, полученные путем электролиза с той же толщиной слоя.

Химически осажденный никель оказывается, от 5 до 10 раз более стойким, чем чистый никель.

Защитные свойства химического никелирования изучались многими исследователями, и в результате коррозионных испытаний было обнаружено, что защитные свойства их обычно не ниже, а в большинстве случаев выше, чем гальванических осадков.

Защитные свойства покрытий, полученных химическим восстановлением из кислых растворов, выше, чем осадков из щелочных растворов.

Применение термической обработки после нанесения покрытия увеличивает коррозионную стойкость образцов. Использование метода химического никелирования в два приема так же способствует увеличению коррозионной стойкости.

9. Равномерность покрытия Наиболее характерной особенностью процесса химического никелирования является возможность получения равномерного покрытия на деталях сложного рельефа. Восстановление никеля происходит с одинаковой скоростью на любых участках изделия, если они соприкасаются с раствором одного и того же состава и поверхность их соответствующим образом подготовлена.

Отклонения от равномерного распределения покрытия для толщины осадков около 25 мкм не превышает 10%

Эта способность процесса химического никелирования является особенно ценной для покрытия внутренних поверхностей длинных и узких каналов.

10. Оборудование для процесса химического никелирования

10.1 Материал ванны При подборе материала для ванны учитывают следующие обстоятельства:

во время процесса не должно происходить отложения никеля на стенках ванны материал ванны не должен загрязнять раствор.

Наиболее подходящими материалами оказались стекло, фарфор, керамика, эмаль и др. Эмалированные сосуды могут служить только при отсутствии повреждения эмали. В противном случае в местах дефектов эмали, на железе, происходит отложение никеля, которое вызывает непроизводительный расход реагентов.

Применение металлов типа нержавеющих сталей для данного процесса совершенно исключается ввиду того, что на стенках ванны в этих случаях может начаться процесс восстановления никеля.

При выборе материала для обкладки необходимо также учитывать и то, что ванну приходится периодически очищать от осадка порошкообразного никеля, возникающего в некоторых условиях на стенках ванны. Удаление этих осадков, возможно, производить или механическим способом, или же растворением в азотной кислоте.

10.2 Обогрев ванн Необходимая температура раствора может быть достигнута при использовании любого источника тепла: пара, электричества или газа, как путем внешнего, так и внутреннего обогрева.

Внешний обогрев может производиться или при помощи водяной (или паровой) рубашки, или путем погружения всего резервуара ванны в термостат, обогреваемый любым способом. Для достижения эффективного обогрева стенки ванны должны быть достаточно тонкими. При конструировании обогревательных устройств следует предусматривать необходимость освобождения ванны от раствора и ее очистку.

Внутренний обогрев осуществляется прямым введением пара. Для предотвращения снижения концентрации компонентов за счет конденсации пара в технологическую схему водят дополнительную операцию — испарение раствора в вакууме, при которой раствор несколько концентрируется.

Так же обогрев осуществляется при помощи электрических нагревателей (спиралей) или паровых змеевиков, непосредственно погружаемых в раствор. Недостатком такого вида обогрева является опасность осаждения никеля на спирали и на стенки змеевика, что в дальнейшем является причиной непроизводительного расходования реагентов.

11. Контроль качества покрытия Контроль качества покрытия проводить в соответствии с требованиями ГОСТ 9.301−86 и ГОСТ 9.302−88:

1) по внешнему виду;

2) по толщине.

По внешнему виду покрытие должно быть серого цвета с желтым оттенком, гладким (матовым или блестящим), без пузырей и шелушения.

Толщину покрытия определять:

— с помощью измерительного инструмента непосредственно на детали или на образце-свидетеле замером до и после нанесения покрытия; (штангенциркуль)

— металлографическим методом, по указанию в технологической документации на конкретную деталь.

Контроль качества гальванического покрытия осуществляется неразрушающими методами.

Неразрушающие испытания приобретают важное значение, когда разработка покрытия уже закончилась и можно переходить к его промышленному применению. Прежде чем изделие с покрытием поступит в эксплуатацию, его проверяют на прочность, отсутствие трещин, несплошностей, пор или других дефектов, которые могут вызвать разрушение. Вероятность наличия дефектов тем больше, чем сложнее покрываемый объект. В таблице 1 представлены и ниже описаны существующие неразрушающие методы определения качества покрытий.

11.1 Внешний осмотр Простейшая оценка качества — внешний осмотр изделия с покрытием. Такой контроль сравнительно прост, он становится особенно эффективным при хорошем освещении, при использовании увеличительного стекла. Как правило, внешний осмотр должен производиться квалифицированным персоналом и в сочетании с другими методами.

11.2 Опрыскивание краской Трещины и углубления на поверхности покрытия выявляются по впитыванию краски. Испытуемая поверхность опрыскивается краской. Затем ее тщательно вытирают и на нее напыляют индикатор. Через минуту краска выступает из трещин и прочих мелких дефектов и окрашивает индикатор, выявляя таким образом контур трещины.

11.3 Флуоресцентный контроль Этот метод аналогичен методу впитывания краски. Испытуемый образец погружается в раствор, содержащий флуоресцентную краску, которая попадает во все трещины. После очистки поверхности образец покрывается новым раствором. Если покрытие имеет какие-либо дефекты, флуоресцентная краска в этом месте будет видна под ультрафиолетовым облучением.

Обе методики, основанные на впитывании, применяют только для выявления поверхностных дефектов. Внутренние дефекты при этом не обнаруживаются. Дефекты, лежащие на самой поверхности, выявляются с трудом, поскольку при обтирании поверхности перед нанесением индикатора краска с них удаляется.

11.4 Радиографический контроль Контроль проникающим излучением используют для выявления пор, трещин и раковин внутри покрытия. Рентгеновские и гамма-лучи проходят через испытуемый материал и попадают на фотопленку. Интенсивность рентгеновского и гамма-излучения изменяется при прохождении их через материал. Любые поры, трещины или изменения толщины будут регистрироваться на фотопленке, и при соответствующей расшифровке пленки можно установить положение всех внутренних дефектов.

Радиографический контроль сравнительно дорог и протекает медленно. Необходима защита оператора от облучения. Трудно анализировать изделия сложной формы.

11.5 Токовихревой контроль Поверхностные и внутренние дефекты можно определять с помощью вихревых токов, индуцируемых в изделии внесением его в электромагнитное поле индуктора. При перемещении детали в индукторе, или индуктора относительно детали индуцированные вихревые токи взаимодействуют с индуктором и меняют его полное сопротивление. Индуцированный ток в образце зависит от наличия дефектов проводимости образца, а также его твердости и размера.

Применяя соответствующие индуктивности и частоты или их сочетание, можно выявить дефекты. Контроль вихревыми токами нецелесообразен, если конфигурация изделия сложна. Контроль этого вида непригоден для выявления дефектов на кромках и углах; в некоторых случаях от неровной поверхности могут поступать те же сигналы, что и от дефекта.

11.6 Ультразвуковой контроль При ультразвуковом контроле ультразвук пропускают через материал и измеряют изменения звукового поля, вызванные дефектами в материале. Энергия, отраженная от дефектов в образце, воспринимается преобразователем, который превращает ее в электрический сигнал и подается на осциллограф.

В зависимости от размеров и формы образца для ультразвукового контроля используют продольные, поперечные или поверхностные волны. Продольные волны распространяются в испытуемом материал прямолинейно до тех пор, пока они не встретятся с границей или несплошностью. Первая граница, с которой встречается входящая волна, -граница между преобразователем и изделием. Часть энергии отражается от границы, и на экране осциллографа появляется первичный импульс. Остальная энергии проходит через материал до встречи с дефектом или противоположной поверхностью, положение дефекта определяется измерением расстояния между сигналом от дефекта и от передней и задней поверхностей .

Несплошности могут быть расположены так, что их можно определить, направляя излучение перпендикулярно к поверхности. В этом случае звуковой луч вводится под углом к поверхности материала для создания поперечных волн.

Если угол входа достаточно увеличить, то образуются поверхностные волны. Эти волны проходят по контуру образца и могут обнаруживать дефекты близ его поверхности.

Таблица 5

12. Термообработка Покрытие имеет плохое сцепление с основным металлом, поэтому термообработка предназначена для улучшения прочности сцепления покрытия с основой и контроля прочности сцепления.

При толщине покрытия до 10 мкм отслаивание покрытия не наблюдается при многократном изгибе образца. Однако при этом происходит выкрашивание мелких частиц сплава. Покрытия толщиной 20 мкм и более легко отслаиваются при незначительной деформации основного металла. Термообработка никелированных деталей улучшает сцепление.

Также термообработку проводят для обеспечения необходимой твердости, улучшения адгезии и обезводораживания.

Для деталей из углеродистых и легированных сталей температуру термообработки выбирают в интервале от 250 до 400° при длительности обработки 1—2 часа. Термообработка никель-фосфорных покрытий снижает их противокоррозионные защитные свойства. Термообработка значительно увеличивает твердость никелевых покрытий. На рис. приведены зависимости величины твердости от температуры термообработки. На рис. показана зависимость твердости от продолжительности термообработки при разных температурах.

Наиболее высокая твердость покрытия достигается при температуре термообработки 350—450°, так как в этих условиях происходит выделение «интерметаллического соединения никеля и фосфора в высокодисперсном состоянии. При более высокой температуре термообработки происходит укрупнение кристаллов интерметаллического соединения и снижение твердости.

График 1

13. Практическая часть

13.1 Программа

1. Отобрать 24 образцов для проведения исследования.

2. Произвести химическое никелирование.

3. Подвергнуть 12 образцов (№ 2,3,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14) термической обработке по разным режимам.

4. Исследовать толщину и твердость покрытия. Твердость измерять методом Виккерса.

5. Составить таблицы: Зависимость твердости от режима термической обработки и зависимость твердости от толщины покрытия.

13.2 Выполнение программы

1. Отобрано 24 образца для проведения исследования: 12 образцов (№ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 15, 16, 17, 18, 19) Ст20 (сталь) и 12 образцов (№ 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 20, 21, 22, 23, 24) ОТ4−1 (сплав на основе титана).

2. Перед проведением операции химическое никелирование в качестве обезжиривания проведена обдувка электрокорундом. Операция никелирование проводилась в растворе состава: