Способ нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали в электролите никелирования

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов. Способ включает химическую и электрохимическую очистки электролита никелирования, содержащего никель сернокислый, натрий хлористый, борную кислоту, и нанесение никелевого покрытия из указанного электролита, при этом химическую очистку электролита осуществляют доведением электролита 5%-ным раствором серной кислоты до рН 5,5 и нагреванием до температуры 80-90°С, а нанесение никелевого покрытия проводят при рН электролита 3,5-5,5, при этом электролит дополнительно содержит натрий сернокислый и магний сернокислый с концентрациями компонентов, г/л: никель сернокислый 140-200, натрий хлористый 5-15, борную кислоту 18-35, натрий сернокислый 70-125, магний сернокислый 20-50. Технический результат: уменьшение энергоемкости процесса никелирования, повышение качества никелевого покрытия и увеличение срока службы деталей в агрессивных средах.

 

Изобретение «Способ нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали в электролите никелирования» относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Никелирование - самый популярный гальванотехнический процесс. Привлекательный вид, высокая коррозионная стойкость и механические свойства говорят в пользу более широкого применения никеля с декоративно-защитными и функциональными целями. Никель, нанесенный непосредственно на сталь или медь, носит характер катодного покрытия и, следовательно, защищает от механических повреждений. Несплошность покрытия способствует образованию коррозионных пар, в которых сталь или медь является растворимым электродом. В результате этого возникает коррозия под покрытием, которая разрушает стальную или медную подложку и приводит к отслаиванию никелевого покрытия. С целью предупреждения этого явления сталь или медь необходимо покрывать плотным без пористости слоем никеля, поэтому при изготовлении деталей для никель-кадмиевых аккумуляторов плотным слоем никеля покрывают те детали, которые подвержены воздействию агрессивных сред.

Известен способ никелирования деталей [1], при котором никелированию электролитическим способом подвергаются изделия из стали и сплавов на основе меди, цинка и алюминия в сернокислых электролитах с добавкой специальных блескообразователей, причем для защиты от коррозии наносят многослойное покрытие.

Недостатками данного способа являются трудоемкость, малотехнологичность, невозможность получения равномерного покрытия из никеля на рельефной поверхности деталей и никелирования узких и глубоких отверстий, полостей, щелей, резьбовых соединений.

Известен способ [2] никелирования деталей из стали, меди и медных сплавов, включающий осаждение на катоде, в качестве которого служит изделие положительно заряженных ионов металлов из водных растворов и их соединений при пропускании через раствор постоянного тока, причем процесс никелирования производят с нерастворимыми анодами из металла или сплава, устойчивого в данном электролите, в ванну наливают электролит, нагревают его до 45°С и прорабатывают электролит при плотности тока 0,1-0,2 А/дм², расстояние между анодом и катодом устанавливают от 10 до 100 мм, загрузку деталей производят при силе тока 0,1-0,2 А/дм² и по мере заполнения ванны деталями силу тока повышают до требуемого уровня, скорость наращивания никеля при выходе по току, равном 90%, составляет от 20 до 40 мкм/ч при плотности тока 2-4 А/дм², по окончании процесса никелирования детали выгружают из ванны, промывают в проточной холодной воде, а затем в горячей непроточной воде с последующей сушкой.

Известный способ также трудоемок, нетехнологичен, не позволяет получать равномерное никелевое покрытие на деталях сложной конфигурации и рельефа, качество электролитических никелевых покрытий зависят от тщательности подготовки поверхности и наличия пор, дефектов и трещин на поверхности деталей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и потому принятым за прототип является способ, при котором сначала приготавливают электролит никелирования, затем осуществляют химическую очистку электролита доведением рН до 5,0 20%-ным раствором серной кислоты и нагреванием электролита до температуры 65-70°С, после чего осуществляют введение в электролит сначала 0,3-0,5 г/л перманганата калия и перемешивание в течение 2-3 ч и затем 3 г/л активированного угля и перемешивание в течение 5-7 ч, а при электрохимической очистке проработку электролита начинают при катодной плотности тока 0,05-0,1 А/дм² и температуре 50°С, а затем скачкообразно повышают ее до 0,6 А/дм², а после нанесения никелевых покрытий детали промывают холодной и горячей водой и сушат [3].

Недостатком этого способа является то, что сложная технология очистки и введение добавок в электролит никелирования по указанному способу, высокая трудоемкость и энергозатраты для проведения перемешивания и фильтрации электролита никелирования приводят к возрастанию конечной стоимости никелированных деталей.

Технической задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали в электролите никелирования для использования их при изготовлении никель-кадмиевых аккумуляторов с повышенными циклическими и ресурсными характеристиками.

Указанный технический результат достигается способом нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали в электролите никелирования путем приготовления электролита никелирования, содержащий никель сернокислый 140-200 г/л, натрий сернокислый 70-125 г/л, натрий хлористый 5-15 г/л и борную кислоту 18-35 г/л, химической очисткой электролита никелирования доведением его 5%-ным раствором серной кислоты до pH 5,5 и нагреванием до температуры 80-90°С, проработку электролита током, нанесение никелевого покрытия из электролита никелирования при кислотности равной pH 3,5-5,5 и содержащем в своем составе добавку магния сернокислого с концентрацией 20-50 г/л

Предложенный способ нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали в электролите никелирования заключается в следующем.

Взвешивается необходимое количество никеля сернокислого, магния сернокислого, натрия хлористого и борной кислоты. Засыпаются компоненты в бак для приготовления электролита никелирования. В дальнейшем в бак вливается 480 л раствора натрия сернокислого с температурой 20±5°С. Затем в бак приготовления электролита никелирования наливается дистиллированная вода до $${}_{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.}$$ рабочего объема бака и перемешивается в течение 20 минут с помощью сжатого воздуха, после чего электролит никелирования подвергают химической и электрохимической очистке от органических и неорганических примесей, причем для химической очистки в электролит наливается расчетное количество 5%-ного раствора серной кислоты, доводится рН до 5,5 и нагревается до температуры 80-90°С, для достижения полноты осаждения электролит никелирования перемешивается в течение 2-3 часов сжатым воздухом. Далее наливается дистиллированная вода до рабочего объема бака и дополнительно перемешивается сжатым воздухом в течение 30-40 минут. Затем электролит никелирования отстаивается в течение 2-6 часов, отстоявшийся электролит фильтруют через фильтровальную установку в рабочую ванну. В дальнейшем осуществляется электрохимическая очистка для удаления примесей меди, железа, цинка и свинца, для чего рН электролита доводится до 2-2;5 единиц 5%-ным раствором серной кислоты, после чего на анодные штанги помещаются никелевые аноды из расчета один анод на 0,5-0,6 м длины штанги, а на катодные штанги -максимальное количество катодов из листовой стали, очистка проводится при катодной плотности тока 0,2 А/дм² и температуре 40±10°С в течение 4-5 часов, появление светлого никелевого покрытия на пластинах указывает на окончание процесса очистки. После окончания процесса очистки электролит никелирования корректируют 3%-ным раствором едкого кали до рабочего интервала и приступают к работе.

В качестве анодов используются аноды никелевые марки НПА1, НПА2, НПАН, НПАНЭ.

Анализ электролита никелирования на содержание основных компонентов производится не реже двух раз в месяц, примесей - не реже одного раза в месяц. Электролит никелирования должен соответствовать следующим показателям:

никель сернокислый - 140-200 г/л;

натрий сернокислый - 70-125 г/л;

магний сернокислый - 20-50 г/л;

натрий хлористый - 5-15 г/л;

кислота борная - 18-35 г/л;

железо - не более 0,1 г/л;

цинк - не более 0,01 г/л;

свинец - не более 0,01 г/л;

медь - не более 0,02 г/л;

pH - 3,5-5,5.

Контроль качества никелевого покрытия осуществляют путем внешнего осмотра деталей и проверкой соблюдения технологического режима в процессе покрытия.

Процесс никелирования проводится в стальных ваннах, футерованных листовым пластикатом. Подвесные приспособления имеют надежный контакт с деталью и штангой. Перед началом процесса никелирования тщательно очищают штанги, включают систему подогрева и перемешивания электролита. При достижении температуры в 40°С отключают подогрев и перемешивание и завешивают расчетное количество деталей таким образом, чтобы они не соприкасались друг с другом. Никелевые аноды раз в месяц вынимают из чехлов, очищают проволочными щетками до металлического блеска и промывают водой.

Скорость наращивания никеля при выходе по току, равном 90%, составляет 7-9 мкм/ч при плотности тока 0,5-1 А/дм². По окончании процесса никелирования детали выгружают из ванны, промывают в холодной проточной воде, а затем в горячей непроточной воде с последующей сушкой.

Нанесение никелевого покрытия происходит при температуре 20-40°С и плотности тока 0,5-1 А/дм². Аноды в рабочей ванне используют марок НПА1, НПА2, НПАН, НПАНЭ, и их завешивают в чехлах из ткани КС-34. Соотношение анодной и катодной поверхностей 2:1 позволяет получить максимальную производительность труда и наилучшее качество никелевого покрытия.

Удаление некачественных никелевых покрытий с деталей производят химическим способом в растворе, состоящем из двух объемов азотной кислоты и одного объема серной кислоты.

Выбор температуры нагрева электролита и его кислотности при химической очистке, а также рабочий диапазон кислотности электролита никелирования при нанесении покрытия и концентрацию добавки магния сернокислого продиктованы следующими соображениями.

При температуре нагрева электролита никелирования ниже 80°С имеет место неполное растворение всех компонентов электролита никелирования (особенно борной кислоты), что приводит к невозможности его использования, а при температуре нагрева выше 90°С происходит нерациональное использование энергоресурсов и как следствие повышение себестоимости никелированных деталей.

Указанная кислотность электролита никелирования, равная pH 5,5, является оптимальной для проведения его химической очистки и обеспечения рационального использования дорогостоящих материалов при приготовлении, а также увеличения срока службы рабочей ванны с электролитом никелирования.

При рабочей кислотности электролита меньше pH 3,5 происходит образование блестящего покрытия с множеством трещин и обильное выделение водорода на катоде, что влечет за собой ухудшение качества никелевого покрытия из-за его недостаточной толщины и высокой пористости, а при рабочей кислотности электролита больше pH 5,5 происходит защелачивание электролита с образованием шлама гидроксида никеля в составе покрытия.

Указанная концентрация добавки магния сернокислого равная 20-50 г/л, является оптимальной для проведения процесса никелирования и получения более мягких, светлых и легко полирующихся осадков.

Преимущества способа заключаются в снижении энергоемкости и себестоимости процесса никелирования, повышении качества никелевого покрытия и увеличении его срока службы почти на порядок по сравнению с традиционными способами нанесения покрытий за счет снижения рабочей температуры электролита никелирования на 5-10°С относительно прототипа, использования магния сернокислого и никелевых анодов марок НПАН и НПАНЭ, что позволяет уменьшить расход дорогостоящих материалов при никелировании на 49%.

Использование данного изобретения в промышленности позволяет повысить защитные и декоративные свойства никелированных деталей, что влечет за собой изготовление никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей на их основе с высокими эксплуатационными характеристиками.

ПУБЛИКАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ЗАЯВКИ

1. Ямпольский A.M. Современная технология никелирования, Л. 1950

2. Лайнер В.И. Современная гальванотехника. М. 1967

3. Патент России N 2089675, заявл. 24.10.1996 г.

Способ нанесения никелевого покрытия на стальные и медные детали, включающий химическую и электрохимическую очистки электролита никелирования, содержащего никель сернокислый, натрий хлористый, борную кислоту, и нанесение никелевого покрытия из указанного электролита, отличающийся тем, что химическую очистку электролита осуществляют доведением электролита 5%-ным раствором серной кислоты до рН 5,5 и нагреванием до температуры 80-90°С, а нанесение никелевого покрытия проводят при рН электролита 3,5-5,5, при этом электролит дополнительно содержит натрий сернокислый и магний сернокислый с концентрациями компонентов, г/л:

никель сернокислый	140-200
натрий хлористый	5-15
борную кислоту	18-35
натрий сернокислый	70-125
магний сернокислый	20-50