История
Открытие процесса химического никелирования началось в 1946 году на 34-м ежегодном собрании AES, когда Эбнер Бреннер и Грейс Риддел заметили что электролит гальванического никелирования с добавкой гипофосфита позволяет осаждать покрытия в Выходом по току больше 100%.
Вскоре они установили, что осаждение никеля происходило даже при отсутствии внешнего тока. Было очевидно, что осаждение металла достигается химическим восстановлением. Уже в 1947 они описали составы электролитов для химического осаждения никеля и кобальта.
Дальнейшие исследования, проведенные Gutzeit в 1950-х годах, привели к научной основе большинства современных технологий химического никелирования.
Благодаря превосходным свойствам покрытий в отношении износостойкости, коррозионной стойкости и возможности осаждения покрытия на неэлектропроводящие материалы в последние годы отрасль химического никелирования значительно расширилась.
Теория
Процесс протекает исключительно на поверхностях обладающих каталитической активностью, это такие металлы как: Железо (Сталь), Никель, Кобальт, Палладий, Платина и др.
Особенностью автокаталитического (химического) осаждения металлов, является отсутствие необходимости в внешнем источнике тока. Источником электронов является реакция окисления восстановителя, которая как раз и протекает преимущественно на каталитической поверхности.
В случае использования в качестве восстановителя гипофосфита (самый распространенный тип растворов) осаждается сплав никеля с фосфором (в среднем 3-15 мас.%). А суммарную химические реакции можно записать так:
Преимущества и недостатки:
Преимущества, более высокая по сравнению с гальваническим никелем:
- Твёрдость, особенно после отжига в течении 1 часа при 400 °C
- Износостойкость
- Коррозионная стойкость
- Сплошность покрытия (меньшее количество пор при одинаковой толщине)
- Сплав равномерно покрывает всю площадь сложно профильных изделий
- Нет необходимости в источнике тока
Недостатки:
- Покрытие дороже гальванического никеля
- Растворы имеют свойства разлагаться, и имеют меньший ресурс
- Сложный состав, как следствие усложненная корректировка
- Недостаточная адгезия к основе, в случае отсутствия термообработки
По мимо этого, важно так же учитывать что свойства покрытия зависит от содержания в нем фосфора, как правило по содержанию выделяют покрытия:
- 3-5% P (с низким содержанием фосфора). Эти покрытия обладают отличной износостойкостью. У них отличная коррозионная стойкость в концентрированной каустической соде.
- 6-9% P (средний уровень фосфора). Защита от коррозии и стойкость к истиранию хорошие для большинства задач. Гальваническая ванна работает экономично.
- 10-14% P (с высоким содержанием фосфора). Покрытия очень пластичны и устойчивы к коррозии. В частности, они обладают коррозионной стойкостью к хлоридам и одновременно к механическому воздействию
Практика
Внешние условия и оборудование:
В качестве емкости в промышленности используют как правило специальные ванны из термо- и химически-стойких полимеров, оснащенные нагревателями, и фильтрами и другим оборудованием.
В лабораторных условиях используют стеклянную посуду, которую подогревают на плитках. Важно чтобы емкость не была очищенна от следов металлов, которые могут выпадать в результате "разложения раствора". Выпавший на стенки посуды никель удаляют растворами азотной или соляной кислот.
Процесс химического никелирования протекает при высоких температурах порядка 80-95 градусов.
Подготовка покрываемых изделий:
Подготовка обязательно включает обезжиривание и активацию. Активацию необходимо производить непосредственно перед никелированием. Составы растворов и режимы эксплуатации для обезжиривания и активации зависят от материала изделия и в частности описаны в ГОСТ 9.305-84 и множестве технической литературы.
Состав растворов:
Как правило электролит состоит из:
- ·Вещества, содержащие катионы Ni (как правило сульфат или хлорид никеля)
- Восстановители (как правило гипофосфит натрия, но так же применяют и другие)
- Комплексообразователей, "связывающие" никель в прочные комплексы, тем самым стабилизируя процесс
- Стабилизаторов, предохраняющих раствор от объёмной реакции (разложения)
- Ускорителей, интенсифицирующих процесс
- Буферизирующих добавок, поддерживающих кислотность растворов при оптимальных значениях
Так в ГОСТ 9.305-84 описаны следующие составы:
В специализированной литературе можно найти массу других вариантов. Например:
Так же существуют коммерческие предложения с растворами патентованных составов.
При выборе электролита стоит учитывать что как правило кислые растворы способны осаждать менее пористое покрытие с большей концентрацией фосфора (чем ниже pH тем больше доля фосфора и меньше скорость осаждения), в свою очередь щелочные растворы как правило более стабильны за счет применения сильных лигандов, образующих с никелем более прочные комплексные соединения.
Литература
Данная статья не носит научный характер и составлена в ознакомительных целях.
Для получения более полной информации по химическому никелированию рекомендую следующую литературу:
- К.М. Вансовская. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом
- М. Шалкаускас, А. Вашкялис. Химическая металлизация пластмасс
- В.Д. Скопинцев, Е.Г. Винокуров. Теоретические и прикладные аспекты автокаталитического формирования покрытий на основе сплава никель-фосфор
- М.А. Беленький, А.Ф. Иванов. Электроосаждение металлических покрытий. Справочник
- G.O. Mallory, J.B. Hajdu. Electroless plating fundamentals and applications