раствор для химического никелирования

Формула изобретения

Раствор для химического никелирования, содержащий уксуснокислый никель и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гипофосфит натрия и уксусную кислоту при следующем соотношении компонентов:

Никель уксуснокислый, г/л	19-21
Гипофосфит натрия, г/л	15-17
Уксусная кислота, мл/л	12-14

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химического нанесения покрытий, в частности химического никелирования металлов и сплавов, и может быть применено во многих отраслях приборостроения и машиностроения.

Известен раствор химического никелирования алюминия и его сплавов, содержащий никель сернокислый, натрий фосфорноватистокислый, натрий уксуснокислый, натрий фтористый, тиомочевину, кислоту уксусную (ОСТ 107.46 0092.001-86. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Типовые технологические процессы, с.110, карта 15, состав 4).

Недостатками этого раствора являются необходимость каждые 30 минут производить корректировку рН добавлением 4 мл/л 10% раствора едкого натра, избегая попадания щелочи на детали, что весьма проблематично, а также невысокая скорость покрытия (12 мкм/ч), большая остаточная концентрация никеля в отработанном растворе. Использование сернокислого никеля приводит к накоплению сульфат ионов, тормозящих восстановление никеля. Кроме того, тиомочевина не является эффективной стабилизирующей добавкой.

Известен также раствор химического никелирования алюминия и его сплавов, содержащий никель сернокислый, натрий фосфорноватистокислый, натрий уксуснокислый, тиомочевину, кислоту уксусную (ГОСТ 9.305-84. Карта 42, состав 5).

Недостатками этого раствора являются невысокая скорость покрытия (10 мкм/ч), трудность поддержания высокой температуры, большая остаточная концентрация никеля в отработанном растворе, отсутствие эффективной стабилизирующей добавки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является кислый раствор для химического никелирования алюминия и его сплавов (Авторское свидетельство СССР №130760), содержащий 2 компонента: никель уксуснокислый, гипофосфит кальция. Никелирование ведут с одноразовым использованием раствора до полного его истощения при t=96-98°C и рН в пределах 4,1-4,3.

Недостатком этого раствора является узкий интервал высоких температур, поддержание которого сопряжено с большими трудностями. Превышение заданной температуры ведет к самопроизвольному образованию никеля в объеме раствора, кроме того, низкая буферная емкость раствора ведет к быстрому снижению рН (при рН=3,5 процесс практически не идет), что снижает скорость покрытия и ограничивает работоспособность раствора. Для этого раствора также характерна высокая концентрация никеля в отработанном растворе. Кроме того, образующиеся в растворе фосфиты кальция тормозят процесс выделения никеля.

Задачей изобретения является создание простого по составу раствора для химического никелирования таких металлов, как алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, сталь, позволяющего работать в более низком диапазоне температур и обеспечивающего хорошую скорость процесса и возможность корректировки раствора при организации длительного рабочего цикла, а также снижение остаточного содержания никеля в отработанном растворе.

Указанный технический результат достигается тем, что раствор для химического никелирования, содержащий уксуснокислый никель, дополнительно содержит гипофосфит натрия и уксусную кислоту, при следующем соотношении компонентов:

никель уксуснокислый, г/л	19-21
гипофосфит натрия, г/л	15-17
уксусная кислота, ( =1,05 г/см3) мл/л	12-14

Заявляемый раствор прост по составу и обеспечивает возможность увеличения буферной емкости изменением содержания никеля уксуснокислого и уксусной кислоты при молярном соотношении соли никеля к гипофосфиту, равном 0,4-0,6, и корректировку раствора по рН и гипофосфиту натрия, т.к. изменение концентрации соли никеля мало отражается на скорости процесса. При этом обеспечивается длительный стабильный режим работы раствора до 6-7 часов при более низких температурах (83±2°С), достаточной скорости покрытия (до 18 мкм/ч) и достижении толщины покрытия до 55-57 мкм. Корректировка раствора производится после 4 часа работы один раз за 6-7 часовой цикл. Остаточная концентрация никеля в отработанном растворе составляет 18,4%.

Изобретение поясняется таблицами, где в таблице 1 приведены конкретные составы (1-3) растворов в пределах указанного диапазона значений, в таблице 2 показано как изменяется рН раствора, толщина покрытия, остаток никеля и гипофосфита в растворе в течение 7 часов; в таблице 3 приведена зависимость скорости осаждения никеля от продолжительности никелирования; в таблице 4 представлены данные, характеризующие качество покрытий.

Раствор для никелирования приготавливается следующим образом: нагреваем воду до температуры 70°С и растворяем никель уксуснокислый (ТУ 6-09-3848-75) 19-21 г и уксусную кислоту ( =1,05 г/л) 12-14 мл и добавляем воду до 1 литра.

Нагреваем полученный раствор до рабочей температуры 83±2°С и вводим 15-17 г гипофосфита натрия (ГОСТ 200-76). Раствор имеет рН=4,1-4,3. Затем опускаем предварительно подготовленную пластинку из алюминия, его сплава, меди, ее сплава или стали. О начале реакции свидетельствует выделение пузырьков водорода на пластинке.

В таблице 1 приведены конкретные составы (1-3) растворов в пределах указанного диапазона значений, обеспечивающие хорошее качество покрытия. Увеличение концентрации никеля уксуснокислого более 21 г/л приводит к уменьшению толщины покрытия из-за уменьшения растворимости никеля уксуснокислого, а уменьшение его концентрации менее 19 г/л приводит также к уменьшению толщины покрытия из-за недостатка ионов никеля. При увеличении концентрации гипофосфита натрия более 17 г/л или уменьшении менее 15 г/л, при увеличении концентрации уксусной кислоты свыше 14 мл/л или уменьшении менее 12 мл/л также наблюдается уменьшение толщины покрытия.

Процесс химического никелирования проводился на пластинах из чистого алюминия (толщиной 0,5 и 1,0 мм), а также на деталях из алюминиевых сплавов - Д-16 и Ал-2 и на деталях из меди и ее сплавов - латунь Л63 и ЛС59 и стали. Подготовка поверхности указанных материалов производилась в соответствии с требованиями типового технологического процесса (ОСТ 107.460092.001-86). Электролит для химического никелирования готовился из реактивов марки "х.ч." на дистиллированной воде. Эксперименты проводились в стаканах из термостойкого стекла объемом 250 и 500 мл. Необходимая температура поддерживалась с помощью термостата водяного 1ТЖ-0-03. Скорость набора толщины никелевого покрытия, а также расход никеля определялись металлографическим методом на микротвердомере ПМТ-3 с погрешностью измерения ±0,1 мкм. При корректировке электролита расход никеля определялся по результатам анализа на содержание никеля (ОСТ 107.460092.01-86, книга вторая, с.187-188). Расход гипофосфита определялся по результатам анализа на содержание гипофосфита натрия также по ОСТ 107.460092.01-86. Контроль величины рН осуществлялся с помощью рН-метра-милливольтметра рН - 150 М. Пористость никелевого покрытия определялась методом паст по ГОСТ-9.302-88. Пасту наносили на поверхность детали, выдерживали в течение одного часа. Подсчет пор производился невооруженным глазом. Результаты считаются удовлетворительными, если среднее число пор на 1 см² не превышает трех (ГОСТ 9.301-86). Проверка прочности сцепления покрытия с основным металлом производилась методом изменения температур (термоудара) в электропечи при температуре 200°С в течение 30 минут и погружением в воду с температурой 15-25°С. Сцепление покрытия с металлом считается хорошим, если не происходит отслаивания или вздутия покрытия.

Данные, характеризующие процесс химического никелирования алюминия, меди, стали, приведены в таблице 2, где показано как изменяется рН раствора, толщина покрытия, остаток никеля и гипофосфита в растворе в течение 7 часов. Из таблицы 2 видно, что процесс никелирования идет стабильно и с большим приростом толщины покрытия до 4 часов и далее требуется корректировка раствора, после которой процесс стабилен в течение 2 часов, т.е. общее время эффективной работы раствора составляет 6 часов. Корректировка раствора проводится добавлением 0,1 н раствора едкого натра и расчетного количества гипофосфита натрия. Зависимость скорости осаждения никеля от продолжительности никелирования приведена в таблице 3.

Прочность сцепления никеля с основным металлом, а также пористость покрытия испытывались на деталях из алюминия и его сплавов (Д-16, АЛ-2), меди, ее сплавов (латунь Л63 и ЛС59) и стали. Качество покрытия оказалось хорошим (отслоения покрытия не наблюдалось) и соответствующим требованиям ГОСТа 9.302-88 и ГОСТ 9.301-86. Данные представлены в таблице 4.

Таким образом, заявляемый раствор для никелирования прост по составу, обеспечивает хорошее качество покрытия при более низких температурах, возможность организации 6 часового рабочего цикла при достижении толщины покрытия 55-57 мкм и скорости до 18 мкм/ч.

Таблица 1 Раствор для химического никелирования
Наименование компонентов					Содержание компонентов в составе:
					1			2			3
Никель уксуснокислый, г/л					19			20			21
Гипофосфит натрия, г/л					17			16			15
Уксусная кислота, мл/л					14			13			12
Таблица 2
Время, ч	pH	Al			Cu				Сталь
		, мкм	Остаток Ni, %	Остаток , %	, мкм	Остаток Ni, %	Остаток , %		, мкм	Остаток Ni, %		Остаток , %
1	4,10	18	86,0	92,8	16	86,7	92,4		16	85,1		92,3
2	4,00	30	79,5	79,0	27	78,3	79,0		27	78,7		78,8
3	3,90	37	63,2	67,1	35	60,6	66,8		34	61,9		66,7
4	3,85	41	56,5	46,4	40	54,1	47,5		40	54,8		47,9
5	4,15	50	37,4	92,2	50	38,0	93,7		49	37,6		93,2
6	3,95	55	23,0	88,6	55	22,5	88,8		54	23,1		87,4
7	3,85	57	18,4	83,9	58	18,7	84,1		56	19,0		84,2

Таблица 3 Раствор для химического никелирования
Время, ч	V, мкм/ч
	Al			Cu		Сталь
1	18			16		16
2	12			11		11
3	7,0			8,0		7,0
4	4,0			5,0		6,0
5	9,0			10		9,0
6	5,0			5,0		5,0
7	2,0			3,0		2,0
Таблица 4
Марка		Время, час	Толщина, мкм		Пористость		Качество покрытия *
Алюминий		1	18		0		Отслоения нет
АДН-1,0		2	30		0		Отслоения нет
11391		3	37		0		Отслоения нет
		4	41		0		Отслоения нет
		5	50		0		Отслоения нет
		6	55		0		Отслоения нет
		7	57		0		Отслоения нет
Д-16		1	16		0		Отслоения нет
АЛ-2 (литье)		1	19		0		Отслоения нет
Сталь-10		1	16		0		Отслоения нет
Медь M1		1	17		0		Отслоения нет
Латунь Л63		1	16		0		Отслоения нет
Латунь ЛС59		1	16		0		Отслоения нет