Контрольная работа: Извлечение никеля из полировальных ванн для никелирования

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:

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

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.

При нанесении блестящего покрытия необходимо интенсивное перемешивание электролита сжатым воздухом желательно в сочетании с качанием катодных штанг, а также непрерывная фильтрация электролита, Электролит приготовляют следующим образом. В дистиллированной или деионизированной горячей (80-90°С) воде растворяют при перемешивании сернокислый и хлористый никель, борную кислоту. Доведенный водой до рабочего объема электролит подвергают химической и селективной очистке. Для удаления меди и цинка электролит подкисляют серной кислотой до рН 2-3 завешивают катоды большой площади из рифленой стали и прорабатывают электролит в течение суток при температуре 50-60°С, перемешивая сжатым воздухом. Плотность тока 0,1-0,3 А/дм2. Затем рН раствора доводят до 5,0-5,5, после чего в него вводят перманганат калия (2 г/л) или 30%-ный раствор перекиси водорода (2 мл/л).

Раствор перемешивается в течение 30 мин, добавляют 3 г/л активированного угля, обработанного серной кислотой, и перемешивают электролит 3-4 с помощью сжатого воздуха. Раствор отстаивается 7-12 ч, затем фильтруется в рабочую ванну.

В очищенный электролит вводят блескообразователи: сахарин и 1,4-бутиндиол непосредственно, фталимид - предварительно растворив в небольшом количестве электролита, подогретого до 70-80° С. Доводят рН до требуемого значения и приступают к работе. Расход блескообразователей при корректировании электролита составляет: сахарин 0,01-0,012 г/(А•ч); 1,4-бутнндиол (35%-ный раствор) 0,7-0,8 мл/(А•ч); фталимид 0,003-0,005 г/(А•ч). Дефекты при эксплуатации электролита блестящего никелирования и способы их устранения приведены в Таблице 2.

Таблица 2 - Дефекты при эксплуатации электролита блестящего никелирования и способы их устранения

Химическое никелирование

Наряду с электролитическим никелированием широко применяют процесс химического никелирования, основанный на восстановлении никеля из водных растворов с помощью химического восстановителя. В качестве восстановителя используют гипофосфит натрия.

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 гппофосфита натрия. Степень полезного использования гппофосфита принимают около 40%. Восстановление никеля из его солей гипофосфитом самопроизвольно начихается только на металлах группы железа, которые катализируют 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 методой контактирования и активирования. Химическое осаждение никеля возможно как из щелочных, так и из кислых растворов. Щелочные растворы характеризуются высокой стабильностью и простотой корректировки.

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 (г/л) и режим никелирования:

Никель сернокислый - 20-30 г/л Натрий уксуснокислый - 10-20 г/л Натрия гипофосфит - 20-25 г/л Тиомочевина 0,03 г/л Кислота уксусная (ледяная) - 6-10 мл/л рН = 4,3-5,0 Температура = 85-95°С Скорость осаждения = 10-15 мкм/ч

Химическое никелирование осуществляют в стеклянных, фарфоровых или железных эмалирова