Контрольная работа: Извлечение никеля из полировальных ванн для никелирования

ВВЕДЕНИЕ

При нанесении декоративных хромовых покрытий на деталь для защиты от коррозии сначала наносят слой никеля. Для получения гладкой и блестящей поверхности, необходимой для хромирования, наносят еще один или несколько слоев никеля. Этот процесс проводят в так называемых полировальных ваннах, наполненных водным раствором никелевых солей, содержащих полирующие добавки - сераорганические соединения. После нанесения слоев никеля деталь промывают водой для удаления никелирующего раствора и проводят хромирование. В результате на полированный слой никеля наносится декоративный внешний слой хрома.

Глава 1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА НИКЕЛИРОВАНИЯ

В основу процесса химического никелирования положена реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитном натрия. Растворы могут быть щелочными и кислотными. В результате образуется блестящее или полублестящее никелевое покрытие. Структура его аморфная, представляющая собой сплав никеля и фосфора. Пленка никеля без термообработки слабо держится на поверхности основного металла, хотя ее твердость близка к твердости хромового покрытия. Последнее объясняется наличием фосфора. Термическая обработка детали с никелевым покрытием, полученным химическим путем, в значительной степени увеличивает сцепление пленки никеля с основным металлом. Одновременно с этим растет и твердость никеля, достигающая твердости хрома. Термическая обработка заключается в нагреве детали с никелевым покрытием до температуры 350-500° и выдерживании ее при этой температуре не менее 1 ч. При термической обработке некоторых закаленных стальных деталей с никелевым покрытием необходимо учитывать, при какой температуре эти детали отпускались, и не превышать ее при термообработке. Это особенно касается рыболовных крючков. Химическим путем можно покрывать никелем большинство металлов, кроме свинца, олова, кадмия и их сплавов. рассмотрим достоинства и недостатки щелочных и кислотных растворов химического никелирования. Щелочные растворы. Щелочные растворы характеризуются устойчивостью в работе, почти полным отсутствием явления саморазряда, которое представляет собой мгновенное выпадение губчатой массы никеля из раствора, сопровождающееся выбросом кипящей смеси из ванны, что может привести к серьезным ожогам. Явление саморазряда наступает при перегреве раствора. Регулировку температуры при отсутствии термометра ведут по интенсивности выделения газа во время процесса. Если газовыделение с детали не бурное, то можно быть уверенным, что саморазряда не будет. Твердость покрытия из щелочных растворов примерно на 15% ниже, чем из кислотных. Коррозионная стойкость покрытий никелем из щелочных растворов ниже, чем из кислотных. Кислотные растворы. Кислотные растворы также сильно подвержены явлению саморазряда. Поэтому, работая с кислотными растворами, необходимо обязательно соблюдать все меры предосторожности.

Никелирование меди и сплавов.

Отполированную и обезжиренную медную (латунную, бронзовую и т.д.) деталь перед никелированием декапируют. После декапирования деталь промывают в горячей и холодной воде (касаться руками детали нельзя) и подвешивают в раствор для никелирования. Здесь есть одна тонкость, и если ее не выполнить, процесс осаждения никеля может не пойти. Деталь должна быть подвешена в раствор для никелирования на алюминиевой или железной (стальной) проволоке; в крайнем случае, при опускании детали в раствор ее необходимо коснуться железным или алюминиевым предметом. Эти "священнодействия" необходимы для того, чтобы дать старт процессу никелирования, так как медь имеет сравнительно низкий электроотрицательный потенциал по отношению к никелю. Только присоединение или касание детали более электроотрицательным металлом (алюминий, железо) дает старт процессу осаждения никеля на меди и ее сплавах. Растворы для химического никелирования меди и ее сплавов: 1щ. Хлористый никель - 40-50 г/л, хлористый аммоний - 45-55 г/л, лимоннокислый натрий - 40-50 г/л, гипофосфит натрия-10-20 г/л. Температура раствора - 80-88°, скорость осаждения - 8-10 мкм/ч, 2. Сернокислый никель - 28-30 г/л, уксуснокислый натрий - 10-12 г/л, гипофосфит натрия-8-10 г/л. Температура раствора - 90-92°, скорость осаждения - 8-10 мкм/ч.

Приготовление растворов заключается в растворении всех компонентов (кроме гипофосфита натрия) и его нагревании. Гипофосфит натрия вводят в раствор непосредственно перед подвешиванием деталей. Такой порядок приготовления растворов касается всех рецептов для никелирования. Раствор для никелирования разводится в любой эмалированной посуде (миска, глубокая сковорода, кастрюля и т. п.), которая не имеет повреждений на поверхности эмали. От никелирования посуда не портится. Возможный осадок никеля на стенках посуды легко удаляется азотной кислотой (50% -ный раствор). Почти для всех рыболовных приманок процесс никелирования ведут более 1 ч для получения пленки толщиной около10 мкм (0,01 мм). Этого достаточно, чтобы впоследствии полировать пленку, не боясь протереть ее до основного металла. Термообработка никелированных медных (латунных, бронзовых и т. п.) деталей заключается в нагреве их до температуры 350-500° и выдерживании их при такой температуре в течение 1 ч. Необходимо отметить, что на воздухе при температуре выше 380° на поверхности никеля появляются цвета побежалости от золотисто-желтого до фиолетового.

Никелирование алюминия и его сплавов.

Никелирование алюминия и его сплавов проводят после двукратной цинкатной обработки. Цинкатную обработку алюминиевых деталей проводят (после полной их предварительной подготовки) в следующих растворах. 1. Едкий натр-250 г/л, окись цинка-55 г/л. Температура раствора - 20°C, время обработки - 3-5 с.

2. Едкий натр-120 г/л, сернокислый цинк-40 г/л. Температура раствора-20°, время обработки-1,5-2 мин.Отдельно в двух частях воды по 0,5 л растворяют едкий натр и сернокислый цинк. Затем оба раствора сливают вместе. Дюралюминиевые детали цинкуются в растворе: Едкий натр-10 г/л, окись цинка-5 г/л, сегнетова соль-10 г/л. Температура раствора-20°C, время обработки-1-2 мин.

Двукратную цинкатную обработку деталей проводят следующим образом. Детали цинкуют, затем подтравливают в течение 10-15 сек. в 15%-ном растворе азотной кислоты и после этого цинкуют вторично. После цинкования деталь сразу же промывают в горячей воде и подвешивают в ванну (миску и т. п.) с одним из растворов: 1. Хлористый никель - 21 г/л, лимоннокислый натрий - 40 г/л, хлористый аммоний-50 г/л, аммиак (25%)-50 мл/л, гипофосфит натрия - 24 г/л. Температура раствора - 87-90°, скорость осаждения-15-18 мкм/ч. 2. Хлористый никель-21 г/л, уксуснокислый натрий - 10 г/л, гипофосфит натрия-24 г/л. Температура раствора - 88 - 90°, скорость осаждения - 20-25 мкм/ч. 3. Сернокислый никель-25 г/л, уксуснокислый натрий-10 г/л, гипофосфит натрия-20 г/л. Температура раствора-90-92°, скорость осаждения - 12-15 мкм/ч. 4. Уксуснокислый никель - 20-25 г/л, глицин - 15-20 г/л, гипофосфит натрия - 25-30 г/л. Температура раствора - 95-98°C, скорость осаждения- 18-24 мкм/ч. Рабочие растворы для никелирования алюминия и его сплавов составляют так же, как и для никелирования меди и ее сплавов. Термообработка никелированных алюминиевых деталей (и из его сплавов) имеет свою специфику. Детали тщательно промывают водой, погружают в нагретое до температуры 220-250° минеральное машинное масло и выдерживают при этой температуре не менее 1 ч. После термообработки детали обезжиривают органическими растворителями.

Никелирование стали.

Полированные и химически обезжиренные стальные детали промывают в горячей и холодной воде,а затем декапируют. Декапированные детали также промывают в обеих водах и помещают в ванну для никелирования. Растворов для никелирования стали очень много, ниже приводятся наиболее проверенные и зарекомендовавшие себя: 1щ. Хлористый никель-30 г/л, аммиак (25%)-50 г/л, лимоннокислый натрий-100 г/л, гипофосфит натрия-10 г/л. Температура раствора-90°, скорость осаждения-6-7 мкм/ч, качество покрытия - полублестящее. 2щ. Хлористый никель - 45 г/л, хлористый аммоний - 45 г/л, лимоннокислый натрий - 45 г/л, гипофосфит натрия - 20 г/л. Температура раствора - 90е, скорость осаждения - 5-8 мкм/ч, качество покрытия - полублестящее. 3. Сернокислый никель - 20 г/л, уксуснокислый натрий - 8 г/л. гипофосфит натрия - 20 г/л. Температура раствора - 90-92°, скорость осаждения 15 мкм/ч, качество покрытия - блестящее.

4. Сернокислый никель - 30 г/л, уксуснокислый натрий - 10 г/л, хромовокислый свинец-10 г/л, гипофосфит натрия- 10 г/л. Температура раствора-90°, скорость осаждения 15 мкм/ч, качество покрытия-блестящее, качественное. 5. Хлористый никель - 30 г/л, оксиацетат натрия - 50 г/л. гипофосфит натрия-10 г/л. Температура раствора-95°, скорость осаждения - 20-25 мкм/ч, качество покрытия - блестящее.

При термической обработке никелевого покрытия на стали надо знать хотя бы примерно температуру отпуска той или иной детали. Ее обрабатывают при температуре не выше температуры отпуска. Крючки, пружины и т. п., часто встречающиеся в практике рыболова, обычно отпускают при температуре 300-350°. Поэтому термообработку их после никелирования проводят при температуре 300° в течение 2-3 ч (это можно делать в духовке газовой плиты). При покрытии стали никелем очень важно ликвидировать поры в пленке никеля, а они всегда есть. В противном случае за короткий срок ржавчина разрушит никелевое покрытие. Один из методов заключается в следующем. Никелевое покрытие протирают кашицей из окиси магния, замешенного на воде, и деталь сразу же декапируют в 50%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-2 мин. При другом методе сталь рекомендуется дважды покрывать никелем. После нанесения обычным порядком первого слоя деталь подтравливают в 50%-ном растворе азотной кислоты в течение 3-5 с, тщательно промывают в горячей и холодной воде и покрывают никелем второй раз. Причем покрытие вторым слоем никеля обязательно ведут из так называемого истощенного раствора, т.е. такого, в котором уже никелировалось большое количество деталей. Более эффективен третий метод закрытия пор в никелевом покрытии. Суть его состоит в том, что никелированную деталь сразу после термообработки охлаждают до 120-150° и опускают в старый, долгостоявщий рыбий жир (не витаминизированный!), нагретый до 80-100°. В рыбьем жире деталь выдерживают 1-2 ч, после чего его излишки удаляют тряпкой. Пропитанным жиром деталям дают полежать в теплом месте 10-12 суток. Обработанные таким образом рыболовные крючки длительное время не ржавеют даже в морской воде. При химическом никелировании возможны некоторые неполадки в ходе процесса. Это касается никелирования всех металлов. Слабое газовыделение по всей поверхности детали является первым признаком малой концентрации в растворе гипофосфита натрия, и, следовательно, его необходимо добавить в раствор. Просветление раствора (нормальный раствор синего цвета) свидетельствует о понижении количества хлорного (сернокислого) никеля. Бурное газовыделение на стенках сосуда и отложение на них никеля (темно-серый налет) объясняется местным перегревом стенок сосуда. Чтобы избежать этого явления, раствор нагревают постепенно. Между сосудом и огнем желательно поместить какую-нибудь металлическую прокладку (круг). Серый или темный слой никеля на детали образуется при низкой концентрации третьих составляющих (компонент), т.е. солей, которые присутствуют в растворе, кроме хлористого (сернокислого) никеля и гипофосфита натрия. При плохой подготовке поверхности детали могут появиться вздутия и отслоения пленки никеля. И наконец, может быть и такое. Раствор составлен правильно, а процесс не идет. Это верный признак того, что в раствор попали соли других металлов. В этом случае делают новый раствор, исключая попадание каких-либо посторонних солей металлов. Никелевое покрытие можно пассивировать, после чего оно длительное время не тускнеет.

Никелирование деталей

Никелирование применяется в машиностроении, приборостроении н других отраслях промышленности. Никелем покрывают детали из стали и цветных металлов для защиты их от коррозии, декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу. Благодаря высокой коррозионной стойкости в растворах щелочей никелевые покрытия применяют для защиты химических аппаратов от щелочных растворов. В пищевой промышленности никель может заменять оловянные покрытия. В оптической промышленности получил распространение процесс черного никелирования. При электрохимическом осаждении никеля на катоде протекают два основных процесса: Ni2+ + 2e- → Ni и 2Н+ + 2е- → Н2. В результате разряда ионов водорода концентрация их в прикатодном слое снижается, т.е. электролит защелачивается. При этом могут образовываться основные соли никеля, которые влияют на структуру н механические свойства никелевого покрытия. Выделение водорода вызывает также питтинг - явление, при котором пузырьки водорода, задерживаясь на поверхности катода, препятствуют разряду ионов никеля в этих местах. На покрытии образуются ямки и осадок теряет декоративный вид. В борьбе с питтингом применяют вещества, которые снижают поверхностное натяжение на границе металл - раствор.

При анодном растворении никель легко пассивируется. При пассивации анодов в электролите уменьшается концентрация ионов никеля и быстро растет концентрация ионов водорода, что приводит к падению выхода по току и ухудшению качества осадков. Для предупреждения пассивирования анодов в электролиты никелирования вводят активаторы. Такими активаторами являются ионы хлора, которые вводят в электролит в виде хлористого никеля или хлористого натрия.

Сернокислые электролиты никелирования

Сернокислые электролиты никелирования получили наибольшее распространение. Эти электролиты устойчивы в работе, при правильной эксплуатации они могут использоваться в течение нескольких лет без замены. Состав некоторых электролитов и режимы никелирования:

Состав	Электролит №1	Электролит №2	Электролит №3
Никель сернокислый	140-200	280-300	400-420
Натрий сернокислый	50-70	-	-
Магний сернокислый	30-50	50-60	-
Кислота борная	25-30	25-40	25-40
Натрий хлористый	5-10	5-10	-
Натрий фтористый	-	-	2-3
Температура, °C	15-25	30-40	50-60
Плотность тока. А/дм2	0,5-0,8	2-4	5-10
pH	5,0-5,5	3-5	2-3

Сернокислый натрий и сернокислый магний вводят в электролит для повышения электропроводности раствора. Проводимость растворов натрия выше, но в присутствии сернокислого магния получаются более светлые, мягкие и легко полируемые осадки. Никелевый электролит очень чувствителен даже к небольшим изменениям кислотности. Для поддержания величины рН в требуемых пределах необходимо применять буферные соединения. В качестве такого соединения, препятствующего быстрому изменению кислотности электролита, применяют борную кислоту.

Для облегчения растворения анодов в ванну вводят хлористые соли натрия. Для приготовления сернокислых электролитов никелирования необходимо растворить в отдельных емкостях в горячей воде все компоненты. После отстаивания растворы фильтруют в рабочую ванну. Растворы перемешивают, проверяют рН электролита и при необходимости корректируют 3%-ным раствором едкого натра или 5%-иым раствором серной кислоты. Затем электролит доводят водой до требуемого объема. При наличии примесей необходимо перед началом эксплуатации электролита произвести его проработку, так как никелевые электролиты чрезвычайно чувствительны к посторонним примесям как органическим, так и неорганическим. Дефекты при эксплуатации электролита блестящего никелирования и способы их устранения приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Дефекты при эксплуатации сернокислых электролитов никелирования и способы их устранения

Дефект	Причина дефекта	Способ устранения
Никель не осаждается. Обильное выделение водорода	Низкое значение рН	Откорректировать рН 3%-иым раствором едкого натра
Частичное покрытие никелем	Плохое обезжиривание деталей	Улучшить подготовку
	Неправильное расположение анодов	Равномерно распределить аноды
	Детали взаимно экранируют друг друга	Изменить расположение деталей в ванне
Покрытие имеет серый цвет	Наличие в электролите солей меди	Очистить электролит от меди
Хрупкое, растрескивающееся покрытие	Загрязнение электролита органическими соединениями	Обработать электролит активированным углем и проработать током
	Наличие примесей железа	Очистить электролит от железа
	Низкое значение рН	Откорректировать рН
Образование питтинга	Загрязнение электролита органическими соединениями	Проработать электролит
	Низкое назначение рН	Откорректировать рН
	Слабое перемешивание	Усилить перемешивание
Появление черных или коричневых полос на покрытии	Наличие примесей цинка	Очистить электролит от цинка
Образование дендритов на кромках деталей	Высокая плотность тока	Снизить плотность тока
	Чрезмерно продолжительный процесс никелирования	Ввести промежуточный подслой меди или уменьшить время электролиза
Аноды покрыты коричневой или черной пленкой	Высокая анодная плотность тока	Увеличить поверхность анодов
	Малая концентрация хлористого натрия	Добавить 2-3 г/л хлористого натрия

При никелировании применяют горячекатаные аноды, а также непассивирующиеся аноды. Применяют также аноды в форме пластинок (карточек), которые загружают в зачехленные титановые корзины. Карточные аноды способствуют равномерному растворению никеля. Во избежание загрязнения электролита анодным шламом никелевые аноды следует заключать в чехлы из ткани, которые предварительно обрабатывают 2-10%-ным раствором соляной кислоты.

Отношение анодной поверхности к катодной при электролизе 2 : 1. Никелирование мелких деталей осуществляют в колокольных и барабанных ваннах. При никелировании в колокольных ваннах применяют повышенное содержание хлористых солей в электролите для предотвращения пассивации анодов, которая может возникать из-за несоответствия поверхности анодов и катодов, вследствие чего концентрация никеля в электролите понижается и уменьшается значение рН. Оно может достигнуть таких пределов, при которых вообще прекращается осаждение никеля. Недостатком при работе в колоколах и барабанах является также большой унос электролита с деталями из ванн. Удельные нормы потерь при этом составляют от 220 до 370 мл/м2.

Электролиты блестящего никелирования

Для защитно-декоративной отделки деталей широко применяют блестящие и зеркальные никелевые покрытия, получаемые непосредственно из электролитов с блескообразующими добавками. Состав электролита и режим никелирования:

Никель сернокислый - 280-300 г/л Никель хлористый - 50-60 г/л Кислота борная - 25-40 г/л Сахарин 1-2 г/л 1,4-бутиндиол - 0,15-0,18 мл/л Фталимид 0,02-0,04 г/л рН = 4-4,8 Температура = 50-60°С Плотность тока = 3-8 А/дм2

Для получения блестящих никелевых покрытий используют также электролиты с другими блескообразующими добавками: хлорамина Б, пропаргилового спирта, бензосульфамида и др.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--