Никелированная сталь что это такое

Обновлено: 01.05.2024

Никель повышает также способность стали к улучшению (даже при больших сечениях изделий) и уменьшает чувствительность к перегреву, что очень важно для конструкционных сталей. Однако стали, содержащие более 4% Ni, склонны к образованию трещин при охлаждении, особенно в литом состоянии. У цементуемых никелевая сталь переход от цементованного слоя к ненауглероженной сердцевине более плавный, чем у углеродистых.

Скорость цементации этих сталей практически одинакова, но содержание углерода в поверхностном слое Н с. значительно меньше, и грубая цементитная сетка встречается очень редко. При длительных выдержках никель препятствует укрупнению зерна в цементованном слое. Никелевая сталь содержащие 0,5—1,0% Ni, отличаются повышенной коррозионной стойкостью при длительных выдержках в воде (в т. ч. и морской), в разбавленных солях и к-тах. Стали, содержащие 5—7% Ni, коррозионно-стойки в щелочах.

При введении в железоуглеродистый сплав до 30% Ni снижается теплопроводность, повышаются теплоемкость и температурный коэфф. линейного расширения. При большем содержании никеля теплопроводность увеличивается, а теплоемкость и температурный коэфф. линейного расширения уменьшаются. Если в углеродистой стали содержится 30% Ni, электропроводность минимальна, а магн. насыщение близко к нулю. Никелевая сталь отличается от углеродистой стали более высокой вязкостью при одинаковой прочности.

Если никель содержится более 20%, наблюдается увеличение пластичности при некотором уменьшении прочности. Свойства никелевая сталь в поперечном сечении такие же, как в продольном. Улучшают их термообработкой. Сталь марки 21H5A (0,18— 0,25% С; 0,3-0,62% Мn; 0,17-0,37% Si; не более 0,03% S; 0,03% Р; 0,3% Сr и 4,5—5,0% Ni) закаливают в масле при т-ре 780 ± 20° С и отпускают при т-ре 150—170° С, охлаждая на воздухе. После такой термообработки предел прочности на растяжение составляет 120 кгс/мм2, предел текучести 95 кгс/мм2, удлинение 9%, сужение 40%, ударная вяз-кость 5 кгс • м/см2, твердость 380— 440 НВ.

Стали марок никеля

Из стали марки 21Н5А изготовляют катаные, холоднотянутые и кованые прутки. Стали марок 0Н6 и 0Н9 содержат до 0,06% С; 0,45—0,60% Мn; 0,17-0,37% Si и соответственно 6,5—7,0 и 8,5—9,5% Ni. Сталь марки 0Н6 используют после двойной нормализации (950 ± ± 10 и 820 ± 10° С) и отпуска при 580 — 600° С в течение 2,5 — 3 ч, охлаждая на воздухе, или после закалки при температуре 820 ± ± 10° С в воде и отпуска при т-ре 580—600° С в течение 2,5—3 ч, также охлаждая на воздухе. Сталь марки 0Н9 используют только после двойной нормализации (т-ры 900 ± 10 и 790 ± 10° С) и отпуска при т-ре 550—580° С в течение 2,5—3 ч, охлаждение на воздухе. Прочность и пластичность стали марки 0Н9 при т-рах 20 и —196° С выше, чем стали марки 0Н6 .

Из стали марок 0Н6 и 0Н9 изготовляют изделия, эксплуатируемые под давлением при т-ре — 196° С. Сложнолегированные Н. с. используют в качестве конструкционных и инструментальных сталей, а также сталей с особыми физическими и химическими св-вами. Конструкц. хромоникелевая сталь (марок 20ХН, 45НХ и 12 ХНЗА) отличается высокой твердостью, прочностью и ударной вязкостью.

В инструментальных хромоникелевых сталях (марок 5ХНМ и 5ХНВ) никель уменьшает критическую скорость охлаждения, увеличивая прокаливаемость, а хром, как карбидо-образующий элемент, повышает износостойкость. Для устранения отпускной хрупкости в эти стали обычно вводят молибден (0,4%) и вольфрам (до 1%). Жаропрочные и коррозионностойкие хромоникелевые стали (марок 12Х18Н9Т, 10Х17Н13МЗТ и 03Х16Н15МЗБ) дополнительно легируют титаном, молибденом, ниобием и бором. Из сложнолегированных Н. с. изготовляют арматуру печей, трубы, сопловые лопатки, муфели и др. изделия.

Технология гальванического и химического никелирования

Никель обладает уникальными физическими свойствами — он хорошо выдерживает механическую деформацию, а также не покрывается коррозией при длительном хранении. Поэтому очень часто тонким слоем никеля покрывают различные металлические сплавы — сталь, чугун, медь, алюминий и так далее. Процедуру покрытия металла слоем никеля в промышленности называют никелированием. Но можно ли сделать никелирование в домашних условиях самому? Какие способы никелирования существуют? Ниже мы в деталях узнаем ответы на эти вопросы.

Определение

Повышение коррозийной устойчивости. Никель обладает высокой химической инертностью, поэтому он не вступает в контакт с кислородом и водой. Поэтому никель будет препятствовать появлению коррозии на поверхности металлического элемента.
Защита от слабых кислот и щелочей. Никель также неплохо выдерживает воздействие слабых химических реагентов, поэтому с его помощью можно также создать дополнительный слой, который будет защищать основной материал от кислот и щелочей.
Создание прочного внешнего покрытия. При механическом повреждении меняется вид металлического изделия, а также могут ухудшатся его технико-эксплуатационные характеристики. Создание дополнительно слоя из никеля выгодно тем, что при повреждении металла всегда можно быстро нанести новый слой.
Никель обладает приятным серебристо-серым блеском, поэтому никелирование может выполняться и для декоративных нужд. Украшение металлических игрушек, создание красивых никелированных каркасов и так далее).

Никелировать можно практически любой металл — сталь, чугун, различные железные сплавы, медь, латунь, алюминий, титан и так далее. В качестве объекта обработки — цельные листы, детали с отверстиями, сантехнические установки, болты, шурупы, рыболовные крючки и так далее.

Существует две технологии — гальваническое и химическое никелирование. Обе технологии широко применяют на фабричном производстве. При необходимости можно сделать обработку в домашних условиях самостоятельно.

Технология гальванического никелирования

Гальваническое никелирование — популярная технология, с помощью которой можно нанести тонкий слой никеля на поверхность какого-либо металлического сплава (медь, сталь, железо, чугун, алюминий, латунь и так далее).

Принцип применения гальванического никелирования очень прост: металлический элемент подключается к катоду и помещается в водную среду с большим содержанием никеля, который выступает в растворе в качестве электролита — после этого включается электрический ток, который проходит через никелевые аноды, происходит достаточно равномерное распределение никеля по всей поверхности металлического объекта.

Перед проведением гальванического никелирования с поверхности металлического объекта нужно удалить тонкую оксидную пленку, которая будет препятствовать нанесению никеля. Для удаления пленки рекомендуется использовать грубую наждачную бумагу — с ее помощью оксидная пленка снимается очень легко, а каких-либо серьезных усилий для очистки рабочему прилагать не нужно.

После обработки наждачной бумагой нужно промыть металлический объект водой, чтобы избавиться от остатков оксидной пленки — после этого металл обрабатывается содовым раствором и снова очищается с помощью воды. Обратите внимание, что крупные жесткие детали обрабатывать наждачной бумагой сложно — для их очистки рекомендуется использовать специальное очистительное оборудование.

Хороший пример — пескоструйные аппараты, которые снимают оксидную пленку за счет воздействия на поверхность металла песка, который в данном случае выступает в качестве абразива.

Последовательность действий

Сперва нам необходимо собрать ванночку для никелирования. Для этого нам понадобится емкость на основе диэлектрика, два никелевых анода, а также провода и источник электрического тока (рабочее напряжение — 5-6 вольт).
Также нам понадобится электролитический раствор. Приготовить его можно на основании двух рецептов, где первый рецепт подходит для гладких однородных деталей, а второй — для шероховатых неровных элементов с низким качеством очистки.
Первый рецепт такой — сернокислый никель (250 г), борная кислота (25 г), фтористый калий и хлористый калий (по 4-5 г), а также натриевая соль (2-3 г) и формалин (1-2 г) + 1 литр воды.
Второй рецепт следующий — сернокислый никель (300 г), хлористый никель (около 60-90 г), борная кислота (50 г), а также блескообразователь (2 г) и выравнивающая присадка (2 мл) + 1 литр воды (блескообразователь и выравнивающая присадка вносятся по желанию).
Установка для никелирования собирается следующим образом (вне зависимости от типа электролита): в ванночку наливается электролит и в нее помещается два никелевых анода по краям ванны — в ванночку по центру помещается деталь для обработки, которая подключена к отрицательному полюсу.
После этого запускается электричество на 30-40 минут. Во время работы анодный и электролитический никель под действием электрических сил перемещаются на поверхность металлического элемента, который обладает отрицательной полярностью. При прохождении электрического тока никель прочно прикрепляется к металлу, что приводит к образованию тонкой пленки на основе никеля, что нам и требовалось.

После проведения гальванического никелирования на поверхности металла может образоваться черный налет, который может испортить вид металлической детали. Для очистки детали от налета необходимо выполнить зачистку и полировку детали — в результате у детали должен образоваться равномерный серебристый блеск, на поверхности объекта образуется тонкая пленка из никеля. Зачистку рекомендуется проводить вручную без использования слишком токсичных реактивов, чтобы не повредить защитную пленку.

Технология химического никелирования металла

Создается электролитический раствор на основе солей никеля с добавлением различных добавок и гипофосфита натрия.
В раствор помещается деталь, раствор равномерно нагревается до температуры 200-300 градусов, в течение примерно 1 часа.
Во время нагрева электролита происходит восстановление гипофосфитом натрия никеля. Это приводит к образованию на поверхности металла тонкой пленки из никеля.

Обратите внимание, что нагрев раствора можно не проводить. Однако в таком случае никелевая пленка будет очень хрупкой, что сделает никелирование бесполезным. В качестве электролита могут использоваться как кислые, так и щелочные растворы. Рекомендуются именно кислотные растворы, поскольку они обладают более высокой твердостью и прочностью. Также обратите внимание, что формат никелирования напрямую зависит от того, из какого металла сделана основная деталь.

Никелирование алюминия

Растворы

Для проведения никелирования хромированные алюминиевые детали помещаются в один из растворов. Деталь подвешиваются на проволоке, а потом она опускается в раствор на 70-80%. Она не должна касаться боковых стен и дна. После этого температура повышается до 350-380 градусов. Оптимальный срок термическо-химической обработки — 1 час.

Для ускорения никелирования можно повысить температуру раствора до 500 градусов. Однако в таком случае на поверхности детали могут образоваться желто-рыжие или фиолетовые пятна, от которых будет сложно избавиться, поэтому избыточный нагрев лучше не производить. После никелирования алюминий проходит вспомогательную обработку в машинном масле:

На огонь ставится минеральное масло, которое разогревается до температуры 250 градусов.
Деталь достается из электролитного раствора и сразу же помещается в минеральное масло.
В масле деталь греется в течение 1 часа. После этого деталь достается, промывается под теплой водой + выполняется обезжиривание.

Обработка изделий из меди и латуни

Никелирование латуни и меди выполняется по стандартной схеме, однако помимо этого есть отличия. Процедура начинается с очистки, полировки и обезжиривания материала. После этого выполняется декапирование детали с помощью серной или соляной кислоты. Затем деталь аккуратно промывается теплой водой и подвешивается на металлической проволоке.

В качестве проволоки могут использоваться изделия только из стали либо алюминия без обмотки. В противном случае во время термохимической обработки никелирование в домашних условиях не пойдет из-за технических особенностей меди. Очень высокая электропроводность в данном случае играет злую шутку. Если медь не будет касаться другого металла, то частички никеля будут плохо приставать к детали.

Раствор готовится стандартным способом. В воду помещаются все компоненты (кроме гипофосфита) и выполняется перемешивание. После этого раствор нагревается до температуры 85-90 градусов и выполняется впрыскивание гипофосфита натрия. После этого выполняется никелирование латуни/меди обычным способом. Деталь на проволоке помещается в раствор на 70-80%, раствор доводится до температуры 350 градусов, длится не более 1 часа.

В конце обработку минеральным маслом можно не выполнять (как в случае с алюминием). Деталь просто достается из посуды с электролитом и выполняется промывка теплой водой и делается обезжиривание. Часто после обработки меди образуется тонкий слой никеля на стенках посуды. Чтобы избавиться от осадка, протрите осадок концентрированным раствором азотной кислоты.

Никелирование стали

Также никелем могут покрываться различные стальные и чугунные изделия. Процедура в данном случае будет несколько отличаться из-за физических особенностей стального сплава. Главное отличие — никелирование рекомендуется выполнять дважды по одному и тому же методу. Поскольку при одноразовой обработке есть риск растрескивания никельного покрытия спустя несколько месяцев эксплуатации детали. Поначалу обработка выполняется по стандартному алгоритму. Деталь очищается и полируется, а потом выполняется декапирование с помощью серной или азотной кислоты. После этого деталь подвешивается на проволоке из любого материала.

Обратите внимание, что перед никелированием стали необходимо обязательно узнать температуру отпуска металла. Во время никелирования раствор ни в коем случае нельзя нагревать выше этой температуры. В противном случае может произойти растрескивание и повреждение стали. Само никелирование металла выполняется стандартным способом. Деталь помещается в раствор, электролит доводится до нужной температуры (до температуры отпуска, но не выше 350 градусов). Срок обработки — 1-2 часа (чем ниже температура, тем дольше длится обработка). После проведения никелирования нужно выполнить травление детали. После этого рекомендуется выполнить процедуру еще один раз по стандартному алгоритму.

Заключение

Во время никелирования металлические объекты покрываются защитным тонким слоем никеля. Основные функции никелирования — улучшение химической и коррозийной стойкости, создание дополнительного защитного слоя против механических повреждений.

Можно выполнить никелирование любых металлов и сплавов — сталь, медь, латунь, алюминий и другие. Сегодня применяют две технологии никелирования — гальваническая и термохимическая обработка.

Химическое никелирование | Сплав никель-фосфор | Растворы, структура, свойства.

1. Общие сведения о химическом никелировании (Ni-P, Хим.Н).

Внешне Ni-Р покрытие имеет желтовато-белый цвет и легкий блеск. Присутствие фосфора в покрытии приводит к заметному отклонению свойств покрытия от чистого никеля. Так, плотность покрытия, в зависимости от содержания фосфора в сплаве, колеблется в пределах от 7,9 до 8,2 г/см 3 . По электропроводности и магнитным характеристикам сплав Ni-Р уступает чистому Ni тем сильнее, чем выше в нем концентрация Р. Покрытия имеют минимальную пористость и высокие декоративные свойства (особенно при осаждении из свежеприготовленного раствора), поэтому применяются в качестве защитно-декоративных.

Процесс химического никелирования позволяет осаждать покрытия равномерной толщины с отклонениями не более 10% на деталях сложной конфигурации. По сравнению с никелевыми покрытиями, полученными гальваническим способом они обладают более высокой твердостью и износостойкостью, поэтому могут применяться для деталей, работающих в условиях трения, особенно при отсутствии смазки.

ENP (Electroless Nickel-Phosphorus)

6-50мкм (возможна и большая толщина)

11000 МПа - в случае термообработки покрытия

Удельное электрическое сопротивление при 18°C

Допустимая рабочая температура

Содержание фосфора в сплаве Ni-P

0-4% (кристаллические покрытия),

4-8% (имеют 2 фазы: кристаллическую и аморфную),

Высокие защитные свойства наряду с небольшой пористостью позволяют применять никель-фосфорные покрытия в качестве защитных, в том числе в условиях перегретого пара и воздуха, вплоть до 700 °С. Для увеличения износоустойчивости и снижения коэффициента трения никель-фосфорное покрытие наносят на трущиеся поверхности. Незаменимо покрытие в полевых условиях и в небольших мастерских для восстановления размеров изношенных деталей. Целесообразно нанесение покрытия на крупногабаритные детали.

Сцепление никель-фосфорных покрытий сильнее сцепления электролитического никеля, так как осаждение происходит равномерно как внутри, так и снаружи детали, заполняя все микроуглубления и неровности. Отклонения толщин не превышают 10%, поэтому химический никель наносят на прецизионные детали, например на плунжерные пары топливных насосов двигателей, мелкие детали в часовой и оптической промышленности и т.п. Недостатком покрытия является его хрупкость, которая начинает проявляться при толщине слоя около 10 мкм и выше.

Химическое никелирование — автокаталитический топохимический процесс.

Реакция восстановления никеля является автокаталитической, т.е. для ее начала необходимо наличие катализатора на покрываемой поверхности. Каталитическими свойствами обычно обладает металл основы, например железо, титан, алюминий, а в дальнейшем - само никелевое покрытие (отсюда и название "автокаталитический" т.е. никель сам провоцирует свой рост на покрываемой детали).

Наносить химический никель можно и на те металлы, которые не являются катализаторами восстановительной реакции: медь, серебро и др. В этом случае необходим предварительный контакт детали с более отрицательным металлом, например с алюминием, или подача короткого импульса тока.

На свинце, кадмии, олове химникелевое покрытие получить невозможно.

Химический никель наносят и на неметаллические материалы: стекло, керамику и пластмассу. Перед нанесением покрытия поверхность подвергают активированию известными методами.

2. Составы растворов для химического никелирования и условия проведения процесса.

Ход процесса химического никелирования очень сильно зависит от температуры, рН и концентрации компонентов.

Кислые растворы по сравнению со щелочными имеют ряд преимуществ: они более стабильны, имеют более высокую скорость осаждения и обладают более высокими защитными свойствами. Кислые растворы используют главным образом при нанесении покрытий на черные и некоторые цветные металлы (медь, латунь, бронза и др.), особенно когда покрытие должно обладать высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной устойчивостью. Кислые растворы обеспечивают хорошую скорость металлизации. При рН5,5 без лигандов начинается гидролиз солей никеля, при этом частицы гидроксида никеля становятся центрами разложения рабочего раствора и может произойти «саморазряд» ванны - выделение металлического никеля во всем объеме раствора.

Щелочные растворы кроме солей никеля и гипофосфита натрия содержат лиганды - аммиак и лимонную кислоту, что позволяет вести процесс осаждения длительное время. Накапливающийся фосфит не оказывает вредного влияния при концентрации менее 340 г/л.

Щелочные растворы применяют в основном для покрытия металлов, имеющих на своей поверхности оксидную пленку: нержавеющей стали, алюминия, титана и пр. и для металлизации непроводящих материалов. Растворимость фосфитов в щелочных растворах значительно выше, чем в кислых.

Содержание фосфора в покрытии также зависит от кислотности раствора, снижаясь с понижением рН. Возможно, это связано с тем, что скорость восстановления ионов никеля с ростом рН увеличивается быстрее, чем скорость восстановления фосфора.
На скорость химического никелирования оказывают влияние температура, концентрация компонентов, соотношение гипофосфита натрия и ионов никеля, природа и количество органических добавок.
Температуру рабочего раствора поддерживают равной 80-97° С. При повышении температуры с 80 до 90° С скорость осаждения увеличивается в 1,5 раза, а при снижении ее ниже 70° С процесс осаждения полностью прекращается.

Из чего состоит раствор для химического никелирования? (реактивы для никелирования)

• Основным компонентом в составе раствора является соль-носитель ионов никеля. В этом качестве используют либо сульфат в концентрации 0,05-0,1 моль/л , либо хлорид в концентрации 0,15-0,25 моль/л. Увеличение концентрации Ni повышает скорость осаждения покрытия.

• Так как во время химического никелирования все время выделяется кислота, необходимо вводить различные буферные добавки. В кислых растворах для поддержания постоянства рН используют ацетат натрия, органические кислоты (молочную, янтарную и пр.), в щелочных — хлорид аммония, аммиак и др. Помимо буферных свойств, некоторые из них сильно влияют на скорость нанесения покрытий. Например, с ростом концентрации CH₃COONa от 0 до 20 г/л скорость никелирования меняется от 2 до 10 мкм/ч.

• Введение в раствор комплексообразователей препятствует образованию фосфита никеля, который, выпадая в осадок, делает его непригодным для дальнейшего использования.

• Кроме буферных добавок и комплексообразователей в растворы вводят в очень малых количествах специальные добавки-стабилизаторы. Стабилизаторы — это вещества, предотвращающие спонтанное протекание реакции в объеме раствора, благодаря чему удлиняется его срок службы. Стабилизаторами могут служить сульфид и хромат свинца, тиосульфат натрия, тиомочевина, катионы сурьмы, висмута, мышьяка и др. Их вводят в весьма малых концентрациях (порядка 10-4 - 10-3 г/л). Некоторые из добавок, например, соли свинца, одновременно со стабилизацией раствора улучшают внешний вид осадка. Это, как правило, каталитические яды, которые адсорбируются на образующихся в растворе микрочастицах взвесей и препятствуют их росту. Особенностью действия стабилизирующих добавок является то, что они тормозят образование зародышей металлической фазы на начальной стадии их образования, в особенности в объеме раствора. Стабилизаторами могут являться вещества самой разной природы, соответственно и механизм их действия может быть различным, например, связывание в комплекс или окисление продуктов, выпадающих в осадок. При удачном подборе стабилизаторов они полностью тормозят реакцию в объёме и лишь частично снижают скорость реакции на рабочей поверхности. Наибольшего эффекта добиваются при одновременном использовании нескольких стабилизаторов разного типа.

• В процессе работы ванны в ней копятся фосфиты. Они оказывают решающее негативное влияние на процесс осаждения: взвешенные частицы труднорастворимых фосфитов оседают на деталях, делая поверхность серой и шероховатой.

Химическое никелирование может выполняться в одноразовом и многоразовом растворе:

• В первом случае процесс ведется в ограниченном объеме раствора без корректировки по основным компонентам. В результате их выработки скорость реакции постепенно падает, раствор приходит в негодность. При этом 10-15% исходных компонентов теряется, а буферные добавки пропадают полностью. Для характеристики одноразовых растворов вводят термин “коэффициент использования”, т.е. отношение того количества металла, которое реально осадилось из данного раствора к исходному количеству металла в растворе. До недавнего времени однократная организация процесса использовалась повсеместно.

• Более прогрессивным является непрерывный (многоразоовый) процесс, когда проводится периодическая или непрерывная корректировка раствора по расходуемым реагентам. В этом случае срок службы раствора может быть продлен до нескольких недель, а в идеале - и месяцев.

Скорость осаждения при химическом никелировании колеблется в зависимости от состава электролита составляет от 10 до 25 мкм/ч.

Химическое никелирование проводят в проточных и непроточных растворах. В проточных растворах постоянство состава поддерживается при помощи циркуляции раствора по замкнутому циклу: из реактора, в котором происходит осаждение, в теплообменник, где раствор охлаждается до 55 °С. Затем насосом раствор перекачивается через фильтр, оттуда самотеком стекает в корректировочный бак и возвращается в реактор. Установка снабжается приборами автоматического регулирования рН и температуры.

3. Кинетика процесса химического никелирования.

В ходе химического никелирования зависимость между массой получаемого металла и временем осаждения имеет сложный вид (рисунок 1). После погружения детали в раствор в течение некоторого времени отсутствуют внешние признаки протекания реакции (участок 1). Видимое протекание реакции ХОМ начинается с некоторого момента Τ0.

Рисунок 1 — Схематичная зависимость массы осаждаемого никеля при химникелировании от времени.

Кривую можно разбить на несколько участков:

Индукционный период (I). Отрезок времени между 0 и Τ0. Это время, необходимое для того, чтобы образовались устойчивые малые частицы твердого продукта, обладающие каталитической активностью.
Период активного роста покрытия (II). После его образования скорость осаждения быстро возрастает.
Период торможения процесса (III). Объясняется изработкой реагентов в ограниченном объёме раствора. Если проводится периодическая корректировка раствора, торможения может и не быть.

3.1 Кислые растворы.

В настоящее время для описания процесса химического никелирования предложены два основных механизма: химический и электрохимический.

Химический механизм заключается в химическом взаимодействии восстановителя с восстанавливаемым ионом, при котором происходит непосредственный переход электронов от первого ко второму:

• Гипофосфит натрия гидролизуется в воде с образованием фосфита натрия и атомарного водорода по химической реакции:

• Атомарный водород, адсорбированный на поверхности покрываемой детали, восстанавливает ионы никеля по химической реакции:

Ni 2+ + 2Нат → Ni + 2Н +

• Одновременно атомарный водород взаимодействует с анионами Н₂РО 2- и Н₂РО 3- , восстанавливая фосфор до элементарного состояния, который в последствии входит в состав покрытия.

• При химическом никелировании всегда выделяется водород:

На эту реакцию расходуется более 60% выделяющегося по реакции атомарного водорода.

Электрохимический механизм (более вероятный) предполагает протекание на каталитической поверхности отдельных электрохимических реакций (анодного окисления восстановителя и катодного восстановления ионов металла) путем их сопряжения (рисунок 2)

Рисунок 2 — Сопряжение катодного и анодного процессов в ходе химического никелирования: 1 — катодное восстановление металла; 2 — анодное окисление восстановителя; Есм — смешанный потенциал (|ik|=|ia|).

Передача электронов осуществляется с обязательным участием поверхности. Движущей силой процесса является анодное окисление восстановителя, создающее отрицательный потенциал для восстановления ионов металла. Скорость всего процесса определяется способностью данного металла катализировать процесс анодного окисления восстановителя.

При сопряжении катодного и анодного процессов в отсутствие внешнего тока в системе устанавливается стационарное состояние, при котором абсолютные значения катодной и анодной плотности тока равны:

а металл приобретает смешанный потенциал Есм.

Эта плотность тока и определяет скорость реакции химического никелирования. Если скорость процесса, найденная при сопряжении поляризационных кривых, равна реальной скорости металлизации, это служит подтверждением электрохимического механизма процесса. Однако в ряде случаев скорость осаждения металла в модельных системах заметно отличается от реальной, что свидетельствует о частичном или полном протекании процесса по иному механизму.

Весь процесс восстановления никеля гипофосфитом по электрохимическому механизму может быть представлен двумя сопряженными реакциями:

• Анодный процесс окисления гипофосфита:

H ₂ PO 2- + 2 H ₂ O → H ₂ PO 3- + H адс + H 3 O + + e (2)

• Катодный процесс восстановления никеля:

На катоде протекают побочные процессы:

Сопряжение реакций (2) и (3) дает суммарную реакцию окислительно-восстановительного процесса:

Cопряжение реакций (2) и (4) дает реакцию образования фосфора:

Сопряжение реакций (2) и (5) – реакцию разложения гипофосфита.

Непосредственное электрохимическое моделирование каталитического процесса показало, что скорость как реакции (2), так и реакции (3) в разделенных системах значительно ниже скорости каталитического восстановления Ni(II) из раствора. Однако при совместном протекании в условиях, при которых проводится никелирование, эти реакции взаимоускоряются, и можно полагать, что каталитический процесс в основном идет путем сопряжения реакций (2) и (3).

Гидрофосфит-ион H₂PO₃ 2- , образующийся по реакции (2), (7), (в кислой среде реакция идет с образованием фосфит-иона РО₃ 2- ), реагируя с ионами Ni 2+ , образует нерастворимый осадок, что ухудшает качество покрытия и ведет к разложению раствора. Для предотвращения выпадения фосфита никеля в раствор вводят лиганды, например, цитрат натрия, глицин, соли аминокислот – в кислые растворы, хлорид аммония, пирофосфат натрия – в щелочные.

3.2 Особеннсти химического никелирования из щелочных растворов.

На рисунке 3а и 3б приведена диаграмма Е-рН (Е - окислительно-восстановительный потенциал системы). Линии на диаграмме отражают равновесия определенных ОВ реакций в зависимости от рН раствора. На диаграмму нанесены состояния никеля (рисунок 3а), цитратного комплекса никеля (рисунок 3б) и гипофосфита, отвечающие равновесным реакциям, приведенным в таблице 2.

На рисунке 3 заштрихована область — это область, где никель находится в восстановленном (металлическом) состоянии, в гипофосфит — в окисленном, т. е. область возможного протекания реакций химического восстановления. Сравнение рисунков показывает, что в присутствии лиганда (цитрат-иона) исчезают оксидные соединения никеля, а область протекания реакции заметно расширяется как по потенциалам, так и по интервалам рН.

Рисунок 3 — Диаграмма Е-рН: а - для системы никель - вода, гипофосфит-вода, б - для системы никель - вода, цитратный комплекс никеля - вода, гипофосфит-вода. Номера кривых на диаграмме соответствуют номерам равновесий в табл. 2 состояния никеля (1 - 9) и состояния гипофосфита (10-14).

Кустарные и промышленные способы никелирования

Никелирование в домашних условиях: возможности, особенности и используемое оборудование. Что такое никелирование. Химическое и электрохимическое покрытие деталей. Видео процесса обработки своими руками.

Никелирование изделий из металлов и сплавов — это процесс нанесения на их поверхности защитных и декоративных слоев никеля. У народных умельцев данный вид гальванотехники является одним из самых популярных. Это объясняется тем, что для никелирования в домашних условиях не требуется сложного оборудования, все реагенты доступны и не очень дороги, а сам никель и его соединения неагрессивны и нетоксичны. Широкое использование никелирования в промышленном производстве главным образом связано с тем, что никелевые покрытия обладают одним из самых высоких уровней устойчивости к коррозии, а их твердость выше, чем у защиты из кадмия, цинка и олова. Но никель намного дороже всех этих металлов, поэтому его чаще всего применяют в тех случаях, когда требуется защитить изделия от коррозии и одновременно придать ему эстетичный вид. Внешне никелевые покрытия очень похожи на хромовые, но имеют более теплый оттенок (см. рис. ниже).

Специфика, определение и назначение никелирования

Защитное никелевое покрытие может наноситься практически на все виды металлов и их сплавов, а также на стекло, пластмассу и керамику. Но чаще всего никелирование используют для защитно-декоративной обработки изделий из стали, меди, цинка, алюминия и их сплавов. В домашних условиях изделия чаще всего покрывают одним никелевым слоем, а в промышленном производстве никель обычно входит в состав многослойных покрытий. Это связано с его пористостью, которая полностью исчезает только при толщине слоя более 30 микрон. По этой причине никель чаще всего накладывают на подслой меди, а снаружи защищают слоями хрома или кадмия.

Никелирование деталей с предварительным омеднением несложно осуществить даже в домашней мастерской, а вот использование хрома и кадмия требует особых условий и мер предосторожности в связи с высокой токсичностью соединений этих металлов. При промышленном и домашнем никелировании с помощью электролитных добавок и различных режимов электролиза можно получить следующие виды поверхностей:

блестящие;
матовые;
полублестящие;
двух- и трехслойные;
композиционные;
черные;
велюровые;
износостойкие.

На рисунке ниже изделия с матовым и черным никелевыми покрытиями.

«Черный» никель применяют в оптических приборах и при создании военной техники. В его состав входит до трех четвертей неметаллических компонентов — сульфидов никеля и гидроксидов цинка. Нанести такие покрытия в домашних условиях очень сложно, т. к. для этого требуются профессиональные знания и специальные реагенты.

Плюсы и минусы никелированных покрытий

Никель устойчив к коррозии в щелочах любой концентрации и очень медленно растворяется в серной и соляной кислотах. В концентрированной азотной кислоте покрытие никелем ведет себя нейтрально и только образует защитную пленку, а вот с ее водным раствором оно реагирует очень активно. Все это имеет значение для промышленного применения, а в домашних условиях никель можно считать пассивным ко всем видам реагентов.

Главный недостаток никелевого покрытия, который связан с особенностями осаждения этого металла, — это его пористость, которая имеет глубину до 25–30 микрон. Поэтому никелирование, как правило, выполняют по подслою из меди, что несложно реализовать даже в домашней мастерской при наличии минимальных навыков в гальванотехнике. Другой способ защиты от пористости — это дополнение никелевого покрытия защитным слоем из фосфорных соединений, хрома и пр.

Для нанесения никеля на поверхность алюминия изделие предварительно подвергается цинкатной обработке, после чего по поверхности цинка выполняется гальваническое никелирование. Как и предварительное омеднение, эта технология легко реализуется даже в домашней мастерской.

Методы нанесения никелевого покрытия

Существует два способа нанесения никеля на поверхность металлов в активных растворах: гальванический (с использованием источника тока и никелевого анода) и химический (осаждением в растворе солей никеля). Гальваническое никелирование имеет более высокую скорость и позволяет получить на поверхности изделия никелевые слои, имеющие большую твердость и меньшую пористость. При химическом никелировании слой металла более рыхлый и эластичный. Эта технология пользуется популярностью у домашних мастеров, поскольку она очень проста в реализации и требует минимума реагентов.

Электролитический метод

Электролизное покрытие изделий никелевым слоем осуществляется по традиционной технологии. В емкость с электролитом помещается обрабатываемая деталь, которая выступает в роли катода, и анод из чистого никеля. При подаче положительного напряжения на анод и отрицательного на изделие начинается электрохимический процесс, в результате которого анионы никеля отрываются от анода и через электролитический раствор двигаются к катоду, оседая в виде тонкой пленки металла на поверхности изделия. В домашних условиях для электролитического никелирования обычно используют стеклянные емкости объемом в несколько литров, а в качестве источника тока — автомобильные аккумуляторы или бытовые блоки питания напряжением 12 В.

Химический метод

Химическое никелирование не требует использования источников тока, что значительно облегчает его проведение в домашних условиях. Его преимущества — это равномерность осаждения никеля по всему изделию и возможность создания слоев практически любой толщины. Такое покрытие не обладает твердостью, но очень пластично и поэтому прекрасно подходит для домашней гальванопластики. Химическое никелирование требует постоянного нагрева электролита до температуры выше 80 ºC. В домашних условиях это легко обеспечить, поместив рабочую емкость в водяную баню. Нагретый раствор выделяет сильный и довольно неприятный запах, поэтому процесс никелирования лучше проводить под вытяжкой.

Технология никелирования металлов

Для химического и гальванического никелирования в домашних и промышленных условиях используют сульфатные, борфторидные, хлоридные, сульфаминовых и некоторые другие виды растворов. Химический метод подразумевает простое погружение детали с перемешиванием электролита, а гальваническая технология реализуется несколькими способами:

Погружение на статической подвесной оснастке. Применяется для габаритных деталей. Этот метод пригоден как для промышленного, так и домашнего применения.
Никелирование движущегося катода. Таким способом покрывают проволоку и ленты, сматываемые с одной катушки на другую с прохождением через электролит.
Натирание. Покрытие наносится с помощью ручного приспособления с никелевым стержнем, обернутым в пористый материал с электролитом. Применяется для восстановления небольших участков поверхностей и в домашних мастерских.
Погружение во вращающихся барабанах (см. рис. ниже). Используется для одновременного никелирования большого количества мелких деталей. Традиционной способ обработки метизов.

Гальваническое никелирование позволяет создавать защитные и декоративные слои, состоящие из композитных материалов, в которых никель может составлять меньшую часть. Наглядным примером этого является «черное никелирование» — нанесение на изделия композита из никеля и солей других металлов. Такое покрытие обладает повышенным светопоглощением, т. к. имеет почти абсолютно черный цвет.

Проведение никелирования в домашних условиях

Оборудование для домашнего никелирования состоит из обычных бытовых компонентов и может быть собрано своими руками даже без знаний основ гальванотехники. Стандартный состав такой домашней установки включает в себя:

стеклянную или пластиковую емкость для электролита;
приспособления для подвески никелевого анода (или анодов) с клеммой;
траверсу для подъема и опускания изделия в электролит с клеммой (обычно это медная трубка или прут);
источник питания или аккумулятор с выключателем и провода;
подогреватель и термометр.

Кроме того, может потребоваться сосуд большего размера для помещения домашней гальванической емкости в водяную баню. Для химического никелирования не нужны никелевые аноды, источник питания, провода и клеммы.

Процесс домашнего никелирования включает в себя следующие этапы:

механическая очистка всех поверхностей;
обезжиривание;
промывка в проточной воде;
никелирование;
промывка и сушка готового изделия.

В зависимости от потребностей домашнего мастера перед никелированием может потребоваться создание медного подслоя, которое также выполняется гальваническим способом.

Подготовка изделия

Подготовка изделия для домашнего никелирования включает в себя его механическую зачистку и шлифовку, которые можно выполнить с помощью напильника и шлифбумаги. Но если деталь имеет сложную конфигурацию, то по возможности следует воспользоваться услугами пескоструйки или галтовки. Для обезжиривания в домашней мастерской необходимо применять неагрессивные и нетоксичные вещества. На эту роль лучше всего подходят горячие растворы стирального порошка и кальцинированная сода. Если домашний мастер решил никелировать по медному подслою, то подготовленное изделие сначала подвергается омеднению гальваническим или химическим способом, а затем, после промывки и сушки, — никелированию.

Состав ванны для никелирования

В промышленном производстве применяется множество разнообразных растворов для гальванического и химического никелирования. При этом основным компонентом в любой рецептуре является сульфат никеля, который обеспечивает перенос анионов никеля от анода к покрываемой детали. Остальные реагенты служат для повышения электропроводности, а также повышения качества и создания особых свойств никелевых покрытий. В домашних и небольших производственных мастерских, как правило, используют трехкомпонентный раствор, включающий в себя сульфат и хлорид никеля, а также борную кислоту.

Как увеличить стойкость покрытия

Для увеличения коррозионной стойкости и механической прочности никелевые покрытия вводят в состав покрытий, состоящих из нескольких слоев различных металлов. Наиболее распространенными подслоями для никеля являются медь, цинк и кадмий. А в качестве наружного укрепляющего слоя чаще всего наносят хром или никель-фосфорные соединения. Кроме того, существует технология осаждения на никелевые поверхности различных твердых композитов, включающих в себя соединения бора, нитриды и окиси кремния.

В домашних мастерских для повышения коррозионной стойкости никелируют изделия по подслою из меди или цинка, а также обрабатывают их поверхности полимерными материалами.

Как удалить никелевое покрытие

Удаление никелевого покрытия возможно механическим, химическим и электрохимическим способами. В первом случае покрытия снимаются с помощью ручных шлифмашинок с применением абразивоструйного оборудования или галтовочных аппаратов. Поскольку никелем покрывают различные металлы, причем с использованием подстилающих и защитных слоев из меди, цинка, кадмия и хрома. Универсальных методов удаления никелевых покрытий попросту не существует. При этом в каждом случае ставится вопрос о возможности повреждения подстилающего слоя или основного металла детали. Чаще всего в состав реагентов для химического и электрохимического удаления никеля входят азотная, соляная и серная кислоты в совокупности с различными добавками. Для таких методов требуется хорошо оборудованная химическая мастерская, и в домашнем гальваническом производстве они, как правило, неприемлемы.

Нанесение защитных покрытий после никелирования связано с применением токсичных и агрессивных реагентов. А может, все-таки существуют какие-то современные способы укрепления никелевых покрытий, которые безболезненно можно применять в домашних условиях? Если кто-нибудь знает, как это делается, — поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к данной статье.

Никелирование

защищает от негативного воздействия внешней среды, т.е. защищает от коррозии;
декорирует деталь, благодаря красивой, блестящей поверхности;
служит связующим слоем при хромировании.

В каких случаях используется никелирование

Благодаря прочности покрытия и его высоким защитным свойствам, никелирование нашло применение во многих сферах:

Виды никелирования

Нанесение никелевых покрытий возможно с использованием двух технологий:

Гальваническое покрытие никелем. Основано на процессе электролиза.
Химический метод. Нанесение слоя происходит под воздействием никелесодержащих химических веществ.

Оба метода имеют свои плюсы и минусы и оба отличаются простотой, делающей их доступными для использования в домашних условиях.

Принципы гальванического никелирования

Суть гальванического метода покрытия никелем заключается в осаждении его на поверхности металлической детали под воздействием электрического тока.

Достоинства электрохимического метода:

Простота. Технология, позволяет широко использовать гальваническое никелирование от коррозии как в промышленности, так и в домашних условиях, обеспечивая высокую производительность.
Экономичность. Для организации процесса не нужно дорогостоящее специализированное оборудование и сырье, что делает технологию высокорентабельной.
Качество. Гальванизация позволяет получить слой никеля, отличающийся высокой прочностью, обеспечивающей надежную защиту антикоррозийной поверхности от негативного внешнего воздействия.
Эстетические характеристики. В результате поверхность детали становится гладкой и блестящей, устойчивой к механическим повреждениям.

Никелированные бытовые изделия не только красивы, но и практичны. Для ухода за ними достаточно периодически протирать их мягкой тканью.

Недостатки электролитического метода

У технологии никелирования три существенных минуса:

Размеры обрабатываемых деталей ограничены габаритами гальванической ванны, поэтому невозможно покрыть никелем крупные объекты.
Стационарность. Для промышленного процесса необходимо громоздкое технологическое оборудование, требующее особых условий эксплуатации, что делает невозможной обработку стационарно закрепленных объектов не подлежащих транспортировке.
Тонкий защитный слой. При гальваническом никелировании максимальная толщина получаемого покрытия, равна сорока микронам, тогда как химический метод позволяет сформировать слой никеля любой толщины.

Этапы процесса электролитического никелирования

Независимо от масштабов технологического процесса, гальваническое никелирование делится на три этапа:

Подготовка поверхности – важнейший этап, от которого зависит качество защитного слоя. Ошибки на этой стадии могут привести к отслоению покрытия. Технологии очистки поверхности:
- Механическая чистка. Желательна обработка пескоструйным аппаратом.
- Шлифовка. Позволяет получить идеально ровную поверхность и улучшить сцепление слоев.
- Обезжиривание. Обработка растворителями для очистки от жировых загрязнений, препятствующих адгезии. После обезжиривания деталь промывается в проточной воде и высушивается.
Омеднение. Не является обязательным этапом, но позволяет улучшить качество поверхности, выровнять ее и повысить адгезионные свойства. Производится гальваническим методом с использованием медных катодов и электролитического раствора, состоящего из медного купороса и серной кислоты.
Никелирование. Готовится водяной электролитический раствор из сульфатов никеля, магния, натрия, поваренной соли и борной кислоты. В сосуд опускают никелевые электроды. Заготовку подвешивают, чтобы она не касалась стенок и дна сосуда. На электроды подается напряжение до 6 вольт. Продолжительность процесса около 40 минут. Затем деталь извлекают из ванны, промывают и высушивают.

Химический метод никелирования

По сравнению с гальваническим, химический метод никелирования является более трудоемким и дорогим, поэтому не так распространен. Основные его преимущества – однородность и неограниченная толщина конечного покрытия.

Помимо высокой цены, недостатки у технологии такие же как у гальванического метода нанесения покрытий из никеля, связанные с ограничениями по размеру изделий.

Этапы процесса химического никелирования

При химическом никелировании детали также проходят несколько этапов:

Подготовительный. Заключается в очистке поверхности различными методами: механической чистке, шлифовке и полировании с применением специального оборудования. В заключении деталь обезжиривают, промывают и сушат. Этап требует ответственного подхода и тщательности, поскольку от него напрямую зависит итоговый результат.
Химическое никелирование. Заключается в погружении деталей в химический раствор на основе солей никеля, разогретый до 90ºC. Дополнительно в него добавляются и другие химические вещества, участвующие в реакции и стабилизирующие ее. Ванны для химического никелирования бывают двух видов:
- Кислотные – на основе сульфата никеля. Получили наибольшее распространение, благодаря предсказуемости реакции и ее устойчивости. Процесс идет с большой скоростью, получаемое покрытие отличается высоким качеством и прочностью.
- Щелочные – на основе хлорида никеля. Не так распространены, как химические, из-за неустойчивости процесса в щелочной среде, связанной с улетучиванием аммиака под воздействием высоких температур и низкой скорости реакции. Стабилизации процесса можно добиться добавлением солей лимонной кислоты и аммиака.

Компания «ПЗКИ» оказывает комплекс услуг по нанесению никелевых и иных покрытий, а также продает никелированные изделия собственного производства. Подробнее узнать об ассортименте и услугах можно позвонив по телефону, указанному на сайте.

Читайте также: