Способ никелирования деталей из стали, меди и медных сплавов

 

Изобретение относится к области судового машиностроения, в частности к способам никелирования деталей из стали, меди и медных сплавов, и может быть использовано для блестящего никелирования деталей. Способ никелирования включает приготовление электролита, многоступенчатую очистку электролита сначала химическую, а затем электрохимическую очистку электролита, проработку электролита со ступенчатым катодом до получения светлых покрытий, регулирование рН электролита, нанесение никелевого покрытия из электролита, содержащего, г/л: никель серно-кислый 250-300, натрий хлористый 10-15, борная кислота 25-40, сахарин 0,7-1,1 и 1,4-бутиндиол (35%-ный раствор) 0,3-0,7 мл/л, рН 4,5-5, с горячекатаными анодами марок НПА1, НПА2 при соотношении анодной и катодной поверхностей 2:1, непрерывном перемешивании электролита со сжатым воздухом, периодическую фильтрацию и селективную очистку электролита, контроль и корректировку электролита. 1 табл.

Изобретение относится к области судового машиностроения и может быть использовано для никелирования блестящего деталей из стали, меди и ее сплавов.

Известен способ никелирования деталей, при котором электролитическим способом подвергают изделие из стали и сплавов на основе меди, цинка и алюминия никелированию блестящему серно-кислыми электролитами с добавкой специальных блескообразователей, причем для защиты от коррозии наносят многослойное покрытие (Ямпольский А.М. Современная технология никелирования, Л. 1950).

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет получать равномерное покрытие из никеля на рельефной поверхности деталей, с его использованием невозможно никелирование узких и глубоких отверстий, полостей, щелей, резьбовых соединений.

Известен способ 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 их металла или сплава, устойчивого в данном электролите, процесс осуществляют в ванной, материалом которой служит - керамика, эмалированный чугун, сталь, футерованная свинцом или винипластом, емкость ванны колеблется от долей м³ до 10 м³ и более, в ванну наливают электролит, нагревают его до 45^oC 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 (Лайнер В.И. Современная гальванотехника. М. 1967).

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

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу в процессе нанесения покрытия производят непрерывное перемешивание электролита сжатым воздухом, очищенным от влаги и масла, периодическое, в зависимости от времени работы ванны, фильтрование и селективную очистку, соотношение анодной и катодной поверхностей составляет 2:1, причем блестящее никелевое покрытие наносят электролитическим способом из электролита следующего состава, г/л: Никель серно-кислый 250-300 Кислота борная 25-40 Натрий хлористый 10-15 Сахарин 0,7-1,1 1,4 бутиндиол (35%-ный раствор) 0,3-0,7 мл/л рН 4,5-5 Приготовление электролита осуществляют следующим образом.

В небольшом количестве воды при температуре 50-60^oC последовательно растворяют небольшое количество никеля серно-кислого и натрия хлористого, борную кислоту растворяют в отдельной емкости в горячей воде (80-90^oC) и растворы выливают в рабочую ванну, затем поливают водой до рабочего уровня и тщательно перемешивают, перед введением блескообразующей добавки электролит подвергают химической и электрохимической очистке от органических и неорганических примесей, причем для химической очистки в свежеприготовленный раствор электролита приливают 20%-ный раствор серной кислоты, доводят pH до 5,0 и нагревают электролит до 65-70^oC, затем вводят небольшими порциями перманганат калия в количестве 0,3-0,5 г/л, предварительно растворив его в дистиллированной воде, для достижения полноты осаждения электролит перемешивают в течение 2-3 ч сжатым воздухом, затем в ванну добавляют активированный уголь в количестве 3 г/л, перемешивают в течение 5-7 ч и отстаивают в течение суток, отстоявшийся электролит фильтруют через фильтр в рабочую ванну, а электрохимическую очистку осуществляют для удаления примесей меди, железа, свинца, для чего доводят pH электролита до 2-2,5 серной кислотой (20%-ный раствор), затем в электролит помещают ступенчатый катод, изготовленный из малоуглеродистой стали с поверхностью не менее 0,1 м² на каждые 30 см катодной штанги, очистку начинают при катодной плотности тока 0,05-0,1 А/дм² и температуре 50^oC, затем скачкообразно повышают плотность тока, постепенно доводя ее до 0,6 А/дм², появление светлого никелевого покрытия на пластине указывает на окончание процесса очистки, после окончания процесса очистки в электролит вводят необходимое количество сахарина и 1,4 бутиндиола, затем 5% -ным раствором щелочи доводят pH электролита до рабочего интервала и приступают к работе, причем введение добавок в электролит производят следующим образом: раствор 1,4 бутиндиола перед введением в электролит очищают от примесей, для чего наливают 1,4 бутиндиол в эмалированную емкость засыпают активированным углем из расчета 1,0 г/л и греют при температуре 70^oC в течение 2-3 ч, затем раствор 1,4 бутиндиола отфильтровывают через тонкий слой гигроскопической ваты; сахарин растворяют в горячей воде при температуре близкой к кипению.

В качестве анодов используют аноды никелевые горячекатанные НПА-2, НПА-1.

Анализ электролита никелирования на содержание основных компонентов и выравнивающих добавок производят не реже двух раз в месяц в зависимости от загрузки ванны.

Анализ электролита на содержание вредных примесей осуществляют в зависимости от загрузки ванны и качества покрытия, причем вредными примесями в никелевых электролитах являются железо, свинец, медь, цинк, нитрат-ионы и органические примеси в следующих количествах соответственно: железо до 0,1 г/л, свинец до 0,001 г/л, медь и цинк до 0,01 г/л, наличие нитрат-ионов не допускается.

Величину pH контролируют ежедневно с помощью pH-метра.

Контролируют электролит на основании данных химического анализа и испытаний в ячейке Холла добавлением основных компонентов, а также блескообразующих и выравнивающих добавок до требуемой концентрации.

Очищенный предварительно раствор 1,4 бутиндиола вводят каждую смену в количестве 0,2-0,3 мл/л, а сахарина добавляют исходя из 0,012 г/л предварительно растворив его в горячей воде при температуре близкой к кипению.

Недостающее количество солей растворяют в отдельной емкости в теплой воде и последовательность введения солей соблюдают, как при приготовлении нового электролита.

Корректировку pH осуществляют 3-5% -ным раствором серной кислоты или едкого натра.

Периодическую и тщательную полную очистку электролита от примесей производят в случае отсутствия блеска и появления питтинга на покрытии.

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

Удаление некачественных никелевых покрытий со стальных деталей производят химическим способом в растворе следующего состава:
Калий двухромовокислый 50 г/л
Кислота серная (D=1,84 г/см³) 100 г/л
Температура раствора 18-25^oC,
cкорость растворения от 42 до 60 мкм/ч.

Удаление некачественных покрытий с деталей меди и медных сплавов и омедненных деталей производят электрохимически в растворе серной кислоты (D= 1,84 г/см³) концентрации 100 г/л при температуре 18-25^oC и анодной плотности тока 5-10 А/дм² и скорости растворения покрытия 42-60 мкм/ч.

Способ осуществляют следующим образом: блестящее никелевое покрытие наносится электролитическим способом из электролита следующего состава (г/л):
Никель серно-кислый 250-300
Кислота борная 25-40
Натрий хлористый 10-15
Сахарин 0,7-1,1
1,4 бутиндиола (35%-ный раствор) 0,3-0,7 мл/л
pH 4,5-5,0
Процесс никелирования осуществляют в стальных ваннах, футерованных пленочным или листовым пластикатом. Подвесные приспособления, на которые монтируют детали, имеют надежный контакт с изделием и штангой. Перед началом работы тщательно очищают штанги, включают систему нагрева и перемешивания электролита. При достижении температуры 45^oC завешивают стальные листы и прорабатывают электролит при плотности тока 0,1-0,2 А/дм². При получении качественного никелевого покрытия листы удаляют из ванны. Расстояние между анодом и катодом составляет не менее 100 мм. Нижние концы анодов размещают ниже нижнего конца деталей на 50-100 мм. Загрузку деталей производят при небольшой силе тока 0,1-0,2 А/дм², по мере заполнения ванны деталями, силу тока повышают до требуемого значения. Детали не должны соприкасаться друг с другом или экранировать. Никелевые электроды периодически, один раз в месяц вынимают из чехлов, очищают проволочными щетками до металлического блеска и промывают водой. Аноды хранят погруженными в воду или сухими на стеллажах. Оставлять аноды на длительное время в неработающей ванне не рекомендуется.

Скорость наращивания никеля при выходе по току, равном 90% составляет 20-40 мкм/ч при плотности тока 2-4 А/дм². По окончании процесса никелирования детали выгружают из ванной, промывают в холодной проточной воде, а затем в горячей непроточной воде с последующей сушкой.

Режим работы ванны электролитическим способом происходит при температуре 45-55^oC и плотности тока 2-4 А/дм². Аноды в рабочей ванне используют марок НПА-1, НПА-2 и их завешивают в чехлах из ткани хлорин или бельтинг. Соотношение анодной и катодной поверхностей 2:1 позволяет получить максимальную производительность труда и наилучшее качество покрытия. В процессе нанесения покрытия производят непрерывное перемешивание электролита сжатым воздухом, очищенным от влаги и масла, периодическое в зависимости от времени работы ванны фильтрование электролита блестящего никелирования производится следующим образом:
а) в отдельной емкости, футерованной винипластом, в небольшом количестве теплой воды 50-60^oC последовательно растворяют необходимое количество никеля серно-кислого и натрия хлористого; борную кислоту растворяют в отдельной емкости в горячей воде 80-90^oC и растворы выливают в рабочую ванну; затем доливают водой до уровня и тщательно перемешивают;
б) перед введением блескообразующей добавки электролит подвергают химической и электрохимической очистке от органических и неорганических примесей;
в) для химической очистки в свежеприготовленный раствор электролита приливают 20%-ный раствор серной кислоты, доводят рН до 5,0 и нагревают электролит до 65-70^oC; затем вводят небольшими порциями перманганат калия в количестве 0,3-0,5 г/л, предварительно растворенный в дистиллированной воде; для достижения полноты осаждения электролит перемешивают в течение 2-3 ч сжатым воздухом, очищенным от влаги и масла; затем в ванну добавляют активированный уголь марки "Бау" в количестве 3 г/л, перемешивают в течение 5-7 ч и отстаивают в течение суток; отстоявшийся электролит фильтруют через фильтр в рабочую ванну;
г) электрохимическую очистку электролита осуществляют для удаления примесей меди, железа и свинца; для этого доводят pH до 2,5 серной кислотой (20% -ный раствор), затем в электролит помещают ступенчатый катод, изготовленный из малоуглеродистой стали с поверхностью не менее 0,1 м² на каждые 30 см длины катодной штанги; стальную пластину несколько раз изгибают параллельно катодной штанге под углом 50^o с тем, чтобы расстояние между вершинами было примерно 15 см; очистку начинают при катодной плотности тока 0,05-0,1 А/дм² и температуре 50^oC, затем скачкообразно повышают плотность тока, постепенно доводя ее до 0,6 А/дм₂; появление светлого никелевого покрытия на пластине указывает на окончание процесса очистки, после окончания процесса очистки в электролит вводят необходимые количества сахарина и 1,4 бутиндиола, затем 5% -ным раствором щелочи доводят рН электролита до рабочего интервала и приступают к работе;
д) введение добавок в электролит производят следующим образом: раствор 1,4 бутиндиола перед введением в электролит очищают от примесей, для чего наливают 1,4 бутиндиол в эмалированную емкость, засыпают активированным углем из расчета 1,0 г/л и греют при температуре 70^oC в течение 2-3 ч, затем раствор 1,4 бутиндиола отфильтровывают через тонкий слой гигроскопической ваты; сахарин растворяют в горячей воде при температуре, близкой к температуре кипения.

Контроль и корректировку электролита производят следующим образом:
а) компоненты, входящие в состав электролита, должны отвечать требованиям стандартов и технических условий применяемого технологического процесса нанесения никелевого покрытия электролитическим способом;
б) анализ электролита никелирования на содержание основных компонентов и выравнивающих добавок производят не реже двух раз в месяц в зависимости от загрузки ванны;
в) анализ электролита на содержание вредных примесей осуществляют в зависимости от загрузки ванны и качества покрытия; вредными примесями в никелевых электролитах является железо, свинец, медь, цинк, нитрат-ионы и органические примеси (г/л): железо до 0,1, свинец до 0,001, медь и цинк до 0,01, наличие нитрат-ионов не допускается; величину рН контролируют с помощью рН-метра;
г) контролируют электролит на основании данных химического анализа и испытаний в ячейке Холла добавлением основных компонентов, а также блескообразующих и выравнивающих добавок до требуемой концентрации;
д) очищенный предварительно раствор 1,4 бутиндиола вводят каждую смену в количестве 0,2-0,3 мл/л, сахарин добавляют, исходя из расхода 0,012 г/л, предварительно растворив его в горячей воде при температуре, близкой к кипению;
е) недостающее количество солей растворяют в отдельной емкости в теплой воде; последовательность введения солей соблюдают, как при приготовлении нового электролита;
ж) корректирование рН осуществляют 3-5%-ным раствором серной кислоты или едкого натра;
и) периодическую и тщательную полную очистку электролита от примесей производят в случае отсутствия блеска и появления питтинга на покрытии.

Контроль качества покрытия и исправление брака осуществляют следующим образом:
а) неполадки в работе электролита блестящего никелирования и пути их устранения приведены в таблице,
б) контроль качества никелевого покрытия осуществляют внешним осмотром и проверкой соблюдения технологического режима в процессе покрытия,
в) удаление некачественных блестящих никелевых покрытий со стали деталей производят химическим способом в растворе следующего состава:
Калий двухромовокислый 50 г/л
Кислота серная (D=1,84 г/см³) 100 г/л
Температура раствора 10-25^oC
Скорость растворения 42-60 мкм/ч
г) удаление некачественных покрытий с деталей из меди, медных сплавов и омедненных деталей производят электрохимически в растворе серной кислоты (D= 1,84 г/см³) концентрации 100 г/л при температуре 1-25^oC и анодной плотности тока 5-10 А/дм² и скорости растворения покрытия 42-60 мкм/ч.

Сущность способа состоит в том, что, выполняя соотношение анодной и катодной поверхностей 2: 1, достигают блестящего никелирования деталей из стали, меди и ее сплавов электролитическим способом, увеличивают производительность на 30-60% и повышают срок службы изделий от 60 до 120%
Преимущества способа заключаются в том, что снижают энергоемкость процесса никелирования и достигают скорости наращивания никеля при выходе по току, равном 90% что составляет 20-40 мкм/ч при минимальной плотности тока 2-4 А/дм². Это позволяет повысить качество покрытия и увеличить его срок службы почти на порядок по сравнению с традиционными способами нанесения покрытий электролитическим способом.

Использование способа позволит значительно снизить энергоемкость процесса блестящего никелирования на 30-60% повысить срок службы изделий в агрессивных средах на 60-120% и увеличить производительность процесса электролитического получения покрытия на 30-60% по сравнению с имеющимися способами нанесения покрытий.

Ожидаемый эффект от внедрения заявляемого изобретения составляет 400-600 млн.руб/г.

Формула изобретения

Способ никелирования деталей из стали, меди и медных сплавов, включающий приготовление электролита путем раздельного растворения в теплой воде сернокислого и хлористого натрия и в горяей борной кислоты, соединение компонентов в ванне для приготовления электролита, заполнение ее водой до рабочего уровня и перемешивание, многоступенчатую очистку электролита: сначала химическую путем доведения рН электролита до 5, введением в электролит перманганата калия и активированного угля, перемешиванием сжатым воздухом, отстаиванием в течение суток и фильтрацией электролита в рабочую ванну, а затем электрохимическую очистку путем подкисления электролита до рН 2,0 - 2,5 20%-ным раствором серной кислоты и проработой электролита со ступенчатым катодом до получения светлых покрытий, после очистки введение в электролит блескообразующих добавок сахарина и 1,4-бутиндиола, регулирование рН электролита добавлением серной кислоты или едкого натра, нанесение никелевого покрытия из электролита, содержащего, г/л:
Никель сернокислый 250 300
Натрий хлористый 10 15
Борная кислота 25 40
Сахарин 0,7 1,1
1,4-Бутиндиол (35%-ный раствор), мл/л 0,3 0,7
при рН 4,5 5,0, с горячекатаными анодами марок НПА1, НПА2 при соотношении анодной и катодной поверхностей 2 1, непрерывном перемешивании электролита сжатым воздухом, периодическую фильтрацию и селективную очистку электролита, контроль и корректировку электролита, отличающийся тем, что химическую очистку электролита осуществляют доведением рН электролита до 5 20% -ным раствором серной кислоты и нагреванием электролита до температуры 65 - 70^oС, 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^oС, а затем скачкообразно повышают ее до 0,6 А/дм², а после нанесения никелевых покрытий детали промыкают холодной и горячей водой и сушат.

РИСУНКИ

Рисунок 1