Электролит для электроосаждения сплава цинк-никель
Владельцы патента RU 2441107:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт") (RU)
Изобретение относится к прикладной электрохимии, в частности к электролитическому нанесению сплава цинк-никель. Электролит содержит, г/л: оксид цинка 10-15, хлорид аммония 230-250, хлорид никеля шестиводный 60-90, борную кислоту 20, препарат ОС-20 0,5-0,6, продукт конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина 0,003-0,005. Технический результат: повышение производительности электроосаждения, расширение диапазона рабочих плотностей тока, снижение энергозатрат. 1 табл.
Изобретение относится к прикладной электрохимии, в частности к электролитическому нанесению сплава цинк-никель.
Известен широко применяемый в промышленности электролит, который содержит, г/л: оксид цинка 15-17, хлорид никеля шестиводный 36-92, хлорид аммония 250-260, борную кислоту 20-25 /Грилихес С.Я., Тихонов К.И. Электролитические и химические покрытия. Теория и практика. - Л.: Химия, 1990. - C.125/.
Однако этот электролит требует подогрева до 30-40°С и работает при катодных плотностях тока 0,5-2,0 А/дм2. Расширить рабочий диапазон плотностей тока до 5 А/дм2 можно при добавлении гидроксида аммония до pH 9, что повышает экологическую опасность процесса и снижает стабильность работы электролита.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электролит следующего состава, г/л: оксид цинка 15, хлорид никеля шестиводный 35-90, хлорид аммония 250, борная кислота 20 /Гальванотехника: справ, изд. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А., Галль И.Е. и др. - М.: Металлургия, 1987. - С.167/.
Выход по току сплава цинк-никель в этом электролите составляет 93-96%, содержание никеля в сплаве 15-25%. Величина pH 6,5-6,8.
Недостатками этого электролита являются: небольшая производительность процесса, узкий диапазон рабочих плотностей тока (0,5-2,0 А/дм2) и высокая температура (40°С).
Задача данного изобретения - повышение производительности процесса электроосаждения сплава цинк-никель, расширение диапазона рабочих плотностей тока и снижение энергетических затрат на подогрев электролита.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электролит, содержащий оксид цинка, хлорид никеля шестиводный, хлорид аммония и борную кислоту, дополнительно вводят препарат ОС-20 и продукт конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, г/л:
| оксид цинка | 10-15, |
| хлорид аммония | 230-250, |
| хлорид никеля шестиводный | 60-90, |
| борная кислота | 20, |
| препарат ОС-20 | 0,5-0,6, |
| продукт конденсации | |
| диметилолтиомочевины | |
| и полиэтиленполиамина | 0,003-0,005. |
Режимы электролиза: диапазон рабочих плотностей тока 0,1-5,0 А/дм2, температура электролита 18-25°С, величина pH 5,0-5,5. Содержание никеля в сплаве 23-27%. Выход по току сплава 75-100%. Аноды никелевые.
Препарат ОС-20 (ГОСТ 10730-82) представляет собой смесь полиоксиэтиленгликолевых эфиров высших жирных спиртов и является эффективным поверхностно-активным веществом. Адсорбируясь на поверхности катода, препарат ОС-20 позволяет устранить питтингообразование на покрытиях сплавом цинк-никель при комнатной температуре и получать полублестящие покрытия сплавом при низких плотностях тока, расширяя диапазон рабочих плотностей тока.
Продукт конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина имеет следующую структурную формулу
,
где n=10-12. Это полимерное ПАВ за счет серосодержащих и аминогрупп обеспечивает агрегативную устойчивость и электрофоретический перенос коллоидных частиц гидроксидов и основных солей цинка и никеля, присутствующих в электролите и участвующих в формировании покрытия сплавом цинк-никель, что, в свою очередь, позволяет увеличить производительность процесса.
Введение в электролит продукта конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина совместно с препаратом ОС-20 позволяет повысить производительность процесса в 2,5 раза и получить полублестящие покрытия сплавом цинк-никель при комнатной температуре с более высоким выходом по току сплава и в более широком диапазоне плотностей тока, чем из электролита, используемого в промышленности.
Электролит работает при температуре 18-25°С, то есть не требует затрат электроэнергии на подогрев.
Продукт конденсации синтезировали аналогично методике, описанной в работе /Бобрикова И.Г. Разработка высокопроизводительных электролитов-коллоидов цинкования: Дис. … канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1988. - 202 с./.
Для приготовления продукта конденсации берут 1 кг диметилолтиомочевины, растворяют в 2,5 л дистиллированной воды при температуре 50°С и перемешивании. После полного растворения в раствор небольшими порциями, непрерывно перемешивая, вводят полиэтиленполиамин из расчета 1 моль на 1 моль диметилолтиомочевины, pH реакционной смеси доводят раствором серной кислоты (1:1) до 7,5-8,0 и выдерживают смесь при температуре 50-60°С в течение 4-5 часов. После охлаждения смесь готова для введения в электролит.
Электролит для электроосаждения сплава цинк-никель готовят, используя реактивы марки "х.ч." и "ч.д.а." на дистиллированной воде.
Пример 1. Для приготовления 1 л электролита в 0,4 л воды при 70-80°С растворяют 230 г хлорида аммония. В нагретый раствор небольшими порциями при перемешивании вводят 10 г оксида цинка, а затем 60 г хлорида никеля шестиводного, предварительно растворенного в 0,1 л воды при температуре 70-80°С. В полученную смесь при перемешивании и нагревании добавляют 20 г борной кислоты, предварительно растворенной в 0,05 л воды при температуре 80-90°С. Электролит охлаждают до комнатной температуры и вводят 0,5 г ОС-20 и 0,003 г продукта конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина, которые предварительно растворяют в отдельных емкостях в небольшом количестве воды (0,05 л). После введения в электролит всех компонентов его объем доводят водой до 1 л.
Величину pH электролита доводят 50%-ным раствором соляной кислоты (плотность 1,19) до 5,0 и проводят электролиз при катодной плотности тока 0,1-1,5 А/дм2.
Пример 2. Для приготовления 1 л электролита берут 250 г хлорида аммония, 90 г хлорида никеля шестиводного, 15 г оксида цинка, 20 г борной кислоты, 0,6 г ОС-20 и 0,005 г продукта конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина. Методика приготовления электролита аналогична описанной в примере 1.
Величину pH электролита доводят 50%-ным раствором соляной кислоты (плотность 1,19) до 5,5 и проводят электролиз при катодной плотности тока 0,1-5,0 А/дм2.
Электролит стабилен в работе. Оксидом цинка, хлоридом аммония, хлоридом никеля шестиводного и борной кислотой электролит корректируется на основании его химического анализа. Добавками в количестве, равном половине рецептурного, его необходимо корректировать при получении плохого качества покрытия сплавом.
Примеры составов предлагаемого электролита, прототипа и их характеристики приведены в таблице. Примеры даны на предельные и запредельные значения компонентов.
Граничные концентрации компонентов электролита определены экспериментально. За пределами граничных концентраций (составы электролитов I и V) покрытия получаются неравномерные, серые, матовые.
Сравнение составов и эксплуатационных характеристик предлагаемого электролита и прототипа позволяет сделать следующее заключение: предлагаемый электролит обеспечивает повышение производительности процесса электроосаждения сплава цинк-никель в 2,5 раза, расширение диапазона рабочих плотностей тока (0,1-5,0 А/дм2), работает при температуре 18-25°С, то есть не требует затрат электроэнергии на подогрев, а также позволяет получить полублестящие покрытия сплавом цинк-никель с выходом по току сплава 75-100%. Содержание никеля в сплаве 23-27%.
| Компоненты электролита и его характеристики | Состав электролита (в г/л) и значения характеристик | |||||
| заявляемого объекта | прототипа | |||||
| I | II | III | IV | V | ||
| Оксид цинка | 9 | 10 | 13 | 15 | 16 | 15 |
| Хлорид аммония | 229 | 230 | 240 | 250 | 251 | 250 |
| Хлорид никеля | 59 | 60 | 75 | 90 | 91 | 35-90 |
| шестиводный | ||||||
| Борная кислота | 19 | 20 | 20 | 20 | 21 | 20 |
| Препарат ОС-20 | 0,4 | 0,5 | 0,55 | 0,6 | 0,7 | - |
| Продукт конден- | ||||||
| сации диметилол- | ||||||
| тиомочевины и | 0,002 | 0,003 | 0,004 | 0,005 | 0,006 | - |
| полиэтиленполиамина | ||||||
| Температура | 18 | 18 | 20 | 25 | 25 | 40 |
| электролита, °С | ||||||
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 0,10 | 0,10 | 3,00 | 5,00 | 5,00 | 0,50-2,00 |
| Величина pH | 5,0 | 5,0 | 5,3 | 5,5 | 5,5 | 6,5-6,8 |
| Выход по току | 100 | 100 | 88 | 75 | 75 | 93-96 |
| сплава, % | ||||||
| Содержание никеля | 27,5 | 27,4 | 23,1 | 24,2 | 24,5 | 15-25 |
| в сплаве, % | ||||||
| Внешний вид покрытия | неравномер ное, серое, матовое |
полублестящее, равномерное | полублестящее, равномерное | полублестящее, равномерное | неравномер ное, серое, матовое |
равномерное, серое, матовое |
Исследования электролита, проведенные в лабораториях ЮРГТУ (НПИ), выявили его высокие технико-экономические показатели и эффективность применения для электроосаждения сплава цинк-никель.
Электролит для электроосаждения сплава цинк-никель, содержащий оксид цинка, хлорид никеля шестиводный, хлорид аммония и борную кислоту, отличающийся тем, что он дополнительно содержит препарат ОС-20 и продукт конденсации диметилолтиомочевины и полиэтиленполиамина при следующем соотношении компонентов, г/л:
| оксид цинка | 10-15 |
| хлорид аммония | 230-250 |
| хлорид никеля шестиводный | 60-90 |
| борная кислота | 20 |
| препарат ОС-20 | 0,5-0,6 |
| продукт конденсации диметилолтиомочевины | |
| и полиэтиленполиамина | 0,003-0,005 |
