1.2 Никелевые покрытия
Никель – серебристо-серый твердый металл с едва заметным желтоватым блеском. Он имеет очень высокую износостойкость. Разновидности никеля с более высоким содержанием фосфора имеют исключительную устойчивость к коррозии. Никель часто используется в качестве металлической подложки благодаря своим выравнивающим, сглаживающим и изолирующим свойствам. Он повышает устойчивость металлов к «агрессии» со стороны таких солей как цианид меди или серебра. Как уже было сказано, никель – твердый металл с низкой пластичностью. Поэтому он не рекомендуется в тех случаях, когда требуется обеспечить определенную гибкость покрытия.
Различают 2 вида покрытия никелем – химическое и электрохимическое.
Химическое никелирование - применяют для покрытия никелем деталей любой конфигурации. Химически восстановленный никель обладает высокой коррозионной стойкостью, большой твердостью и износостойкостью, которые могут быть значительно повышены при термической обработке (после 10-15 мин. нагрева при температуре 400 °С твердость химически осажденного никеля повышается до 8000 МПа). При этом возрастает и прочность сцепления. Никелевые покрытия, восстановленные гипофосфитом, содержат до 15% фосфора. Восстановление никеля гипофосфитом протекает по реакции:
NiCl2 + NaH2PO2 + H2O → NaH2PO3 + 2HCl + Ni
Одновременно происходит гидролиз гипофосфита натрия. Степень полезного использования гипофосфита принимают около 40%.
Восстановление никеля из его солей гипофосфитом самопроизвольно начинается только на металлах группы железа, катализирующих этот процесс. Для покрытия других каталитически неактивных металлов (например, меди, латуни) необходим контакт этих металлов в растворе с алюминием или другими более электроотрицательными, чем никель, металлами. Для этой цели используют активирование поверхности обработкой в растворе хлористого палладия (0,1 - 0,5 г/л) в течение 10-60 с. На некоторых металлах, таких, как свинец, олово, цинк, кадмий, никелевое покрытие не образуется даже при использовании метода контактного нанесения и активирования. Химическое осаждение никеля возможно как из щелочных, так и из кислых растворов. Щелочные растворы характеризуются высокой стабильностью и простотой корректировки.
Состав раствора и режим никелирования:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Электролит щелочной |
| Никель хлористый NiCl2 | 20-30 |
| Натрия гипофосфит Na(PH2O2) | 15-25 |
| Натрий лиомннокислый Na3C6H5O7 | 30-50 |
| Аммоний хлористый NH4Cl | 30-40 |
| Аммиак водный 25% NH3 | 70-100 мл/л |
| pH | 8-9 |
| Температура, ° | 80-90 |
| Скорость осаждения | 10-15 мкм/час |
Покрытия, полученные в кислых растворах, отличаются меньшей пористостью, чем из щелочных растворов (при толщине выше 12 мкм покрытия практически беспористые). Из кислых растворов химического никелирования рекомендуется следующий состав и режим никелирования:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Электролит кислый |
| Никель сернокислый NiSO4 | 20-30 |
| Натрий уксуснокислый CH3COONa | 10-20 |
| Натрия гипофосфит Na(PH2O2) | 20-25 |
| Тиомочивина CS(NH2)2 | 0.03 |
| Кислота уксусная (ледяная) CH3COOH | 6-10 мл/л |
| pH | 4,3-5,0 |
| Температура, ° | 85-95 |
| Скорость осаждения | 10-15 мкм/час |
Химическое никелирование осуществляют в стеклянных, фарфоровых или железных эмалированных ваннах. В качестве материала подвесок применяют углеродистую сталь.
Гальваническое никелирование - позволяет получать из различных электролитов либо матовые малопористые либо блестящие декоративные покрытия. В зависимости от толщины покрытия они обеспечивают различные степени антикоррозионной защиты, хорошую устойчивость поверхности к истиранию и невысокий коэффициент температурного расширения. Прочность на растяжение и жесткость при этом относительно низкие, а внутреннее напряжение - сравнительно высокое. Поэтому такие покрытия не рекомендуется использовать для технических целей, предполагающих возможное изгибание и деформацию детали.
Сульфатные электролиты никелирования.
В практике гальваностегии наиболее распространены электролиты на основе сульфата никеля, поскольку эта соль очень хорошо растворима в воде (до 400 г/л).
В качестве депассиваторов анодов в эти растворы вводят хлорид никеля, который препятствует запассивированию анодов и прекращению электролиза. В роли буферного соединения чаще всего используют борную кислоту. Можно так же использовать соли уксусной кислоты. Для электролитов с низким значением pH более эффективны добавки буферных соединений в виде фторида натрия и других фторидов.
Сульфатные электролиты никелирования имеют высокий выход по току: 90-100%
Составы электролитов для матового никелирования и режимы работы:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Элект-т № 1 | Элект-т № 2 | Элект-т № 3 | Элект-т № 4 | Элект-т № 5 | Элект-т № 6 |
| Никеля сульфат NiSO4 | 140-200 | 150-200 | 140-150 | 300-350 | 400 | 240 |
| Никеля хлорид NiCl2 | 30-40 | - | - | 45-60 | - | 30 |
| Натрия хлорид NaCl | - | 10-15 | 5-10 | - | - | - |
| Борная кислота H3BO3 | 25-40 | 25-30 | 25-30 | 30-40 | 25-40 | - |
| Натрия сульфат NaSO4 | 60-80 | 40-50 | 40-50 | - | - | - |
| Магния сульфат MgSO4 | - | 50-60 | 25-30 | - | - | - |
| Натрия фторид NaF | - | - | - | - | 2-3 | - |
| Янтарная к-та НООС-СН2-СН2-СООН | - | - | - | - | - | 30 |
| Натрия лаурилсульфат C12H25SO4Na | - | - | - | - | - | 0,05-0,1 |
| pH | 5,2-5,8 | 5,0-5,5 | 5,0-5,5 | 1,5-4,5 | 2-3 | 2,5-3,5 |
| Температура, ° | 20-55 | 20-30 | 20-35 | 45-65 | 50-60 | 50-60 |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 0,5-2,0 | 0,5-2,0 | 0,5-2,0 | 2,5-10 | 5-10 | 5-30 |
Электролит № 1 - предусмотрен ГОСТ 9.305-84.
Электролиты № 2, 4 – для стационарных ванн.
Электролит № 3 – для колокольных и барабанных ванн.
Электролит № 6 – для получения осадков никеля при высоких плотностях тока.
Для получения блестящих никелевых покрытий применяют специальные блескообразующие добавки, которые в свою очередь обладают эффектом микровыравнивания катодной поверхности, делая ее относительно ровной и блестящей. Так же блескообразующие добавки понижают питингообразование, улучшая тем самым качество получаемого покрытия.
Составы электролитов для блестящего никелирования и режимы работы:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Элект-т № 1 | Элект-т № 2 | Элект-т № 3 | Элект-т № 4 | Элект-т № 5 | Элект-т № 6 |
| Никеля сульфат NiSO4 | 250-300 | 250-300 | 100-350 | 200-250 | 250-300 | 250-300 |
| Никеля хлорид NiCl2 | 50-60 | - | 30-200 | - | 30 | - |
| Натрия хлорид NaCl | - | 10-15 | - | 10-15 | - | 10-15 |
| Борная кислота H3BO3 | 25-40 | 30-40 | 30-50 | 30 | 30 | 25-40 |
| Натрия фторид NaF | - | - | - | - | - | 5-6 |
| 1,4-бутиндиол C4H6O2 | 0,2-0,5 | 0,2-3,0 | - | 0,2-0,3 | - | - |
| Сахарин C7H5NO3S | 0,7-1,2 | - | 0,3-2,0 | - | 1-2 | - |
| Фталимид C8H5NO2 | 0,08-0,12 | - | - | - | - | - |
| Формальдегид HCHO | - | - | - | - | - | 0,4-0,8 |
| Хлорамин Б C6H5SO2N(NaCl)•H2O | - | 1-2 | - | - | - | - |
| Кумарин C9H6O2 | - | - | - | - | 0,2-1,0 | - |
| Пропаргиловый спирт C3H4O | - | - | - | - | 0,056-0,112 | - |
| Паратолуолсульфамид | - | - | 2,0 | - | - | - |
| 2,6-нафталиндисульфокислота C10H6(SO3H)2 | - | - | - | - | - | 2-4 |
| 1,5-нафталиндисульфокислота C10H6(SO3H)2 | - | - | - | 1,5-2,0 | - | - |
| Моющее средство «Прогресс» | - | 0,1-0,2 | 0,1-0,2 | 0,1-0,2 | - | - |
| Сульфонол | - | - | - | - | - | 0,015 |
| НИБ-3, мл/л | - | - | 0,3-10,0 | - | - | - |
| Выравнивающая композиция | - | - | 0,03-0,15 | - | - | - |
| pH | 4-5 | 4-5 | 3-5 | 4,5-,5,5 | 4,0-4,5 | 5,8-6,0 |
| Температура, ° | 55+(-5) | 50+(-5) | 55+(-5) | 45+(-5) | 50+(-10) | 45+(-5) |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 3-8 | 2-5 | 2-8 | 2-4 | 1-10 | 3-5,0 |
Все добавки, входящие в состав никелевых электролитов, за исключением кумарина, растворяются в подогретом электролите или горячей воде. Кумарин растворяется в ледяной уксусной кислоте или борной кислоте в соотношении 1:4.
Большинство электролитов блестящего никелирования содержат серосодержащие добавки. Это приводит к снижению коррозионной стойкости блестящих никелевых покрытий по сравнению с матовыми, механически полированными осадками, полученными из электролитов без добавок.
Фторборатные электролиты никелирования.
Эти электролиты обладают хорошими буферными свойствами и большей устойчивостью по сравнению с некоторыми сульфатными электролитами никелирования. Выход по току в этих электролитах достигает 100%. Осаждение можно вести при высоких плотностях тока – до 20 А/дм2.
Состав раствора и режим осаждения:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Электролит |
| Фторборат никеля Ni (BF4)2 | 300-400 |
| Хлорид никеля NiCl2 | 10-15 |
| Борная кислота H3BO3 | 10-30 |
| pH | 2,7-3,5 |
| Температура, ° | 10-20 |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 10-15 |
Электролит выделяется высокой интенсивностью процесса, меньшей напряженностью и большей эластичностью осадков (по сравнению с сульфатными электролитами), что определяет целесообразность его применения в гальванопластике. Микротвердость осадков, полученных из данного электролита, достигает 3,0 - 3,5 ГПа.
Сульфаматные электролиты никелирования.
Сульфаматные электролиты образуют покрытия с минимальными внутренними напряжениями, поэтому их применяют для нанесения толстых слоев осадков никеля в гальванопластике, а так же при металлизации диэлектриков по проводящему слою. Выход по току 100%.
Состав раствора и режим осаждения:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Электролит |
| Сульфамат никеля (NH2SO3)2Ni | 300-400 |
| Хлорид никеля NiCl2 | 10-15 |
| Борная кислота HBO3 | 25-40 |
| Сахарин C7H5NO3S | 0,5-1,5 |
| Лаурил (додецил) сульфат натрия C12H25SO4Na | 0,1-1,0 |
| pH | 3-4,5 |
| Температура, ° | 40-55 |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 1-12 |
Черное никелирование.
Процесс черного никелирования заключается в получении покрытий черного цвета. Покрытие обладает более высокой твердостью и прочностью по сравнению с оксидными пленками и широко используется для отделки различных изделий. Толщина слоя черного никелирования обычно не превышает 0,5-0,7 мкм. Осадки обладают не высокой коррозионной стойкостью и не высокой адгезией к поверхности стальных изделий, поэтому предварительно необходимо нанесение на деталь медного или никелевого покрытия.
Составы растворов и режим осаждения:
| Состав электролита (г/л) и режим работы | Электролит №1 | Электролит №2 | Электролит №3 | Электролит №4 |
| Никеля сульфат NiSO4 | 50 | 75 | 50 | 50 |
| Цинка сульфат ZnSO4 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Никель-аммония сульфат (NH4)2SO4•NiSО4 | - | 45 | - | - |
| Аммония сульфат (NH4)2SO4 | 15 | - | 15 | 15 |
| Калия роданид KCNS | 32 | - | 25 | 30 |
| Натрия роданид NaCNS | - | 15 | - | - |
| Борная кислота H3BO3 | - | 25 | - | - |
| Натрия ацетат CH3COONa | - | - | - | 15 |
| Лимонная кислота H3C6H5O7 | - | - | 2 | - |
| pH | 4,5-5,5 | 5,6-5,9 | 5,2-5,5 | 4,5-5,5 |
| Температура, ° | 18-25 | 40-50 | 18-25 | 30-40 |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 0,1-0,15 | 1,0-1,3 | 0,1 | 0,1-0,3 |
Чтобы предупредить пассивирование катодных контактов необходимо протравливать их в 50% растворе серной кислоты после каждой загрузки. Для повышения коррозионной стойкости черные никелевые покрытия необходимо промасливать или покрывать бесцветным лаком.
