Электролиты никелирования
Реферат
Дипломная работа содержит:
страниц – 87;
таблиц – 16;
рисунков – 20.
Список использованных источников содержит 29 наименований.
Объектом исследования является влияние добавки – аланина на процесс электрохимического никелирования.
Ключевые слова: никель, аланин, кислые электролиты, физико – механические свойства.
Содержание
РЕФЕРАТ…………………………………………………………………………...
СОДЕРЖАНИЕ…………………………………………………………………….
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………
2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР…………………………………………………….
2.1 Электролиты никелирования…………………………………………………..
2.1.1 Сульфатные электролиты……………………………………………………
2.2 Влияние состава электролита и режима электролиза на выход пот току и качество никелевых покрытий…………………………………………………….
2.3 Органические и неорганические добавки и их влияние на физико-механические свойства покрытий…………………………………………………
2.4 Кинетика электродных реакций в процессе никелирования………………...
2.4.1 Механизм разряда – ионизации никеля в электролите Уоттса……………
2.4.2 Электроосаждение никеля в цитратных электролитах…………………….
2.5 Кинетика электролитического выделения водорода………………………...
2.6 Комплексообразование металлов с аминоуксусной кислотой в водных растворах……………………………………………………………………………
2.7 Комплексообразование аланина………………………………………............
3 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ…………………………………………………... .
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………………………..
4.1 Методика исследования……………………………………………………….
4.1.1 Общие сведения………………………………………………………………
4.1.2 Приготовление электролитов………………………………………………..
4.1.3 Анализ электролитов…………………………………………………………
4.1.4 Подготовка поверхности электродов……………………………………….
4.1.5 Определение выхода металла по току………………………………………
4.1.6 Поляризационные измерения………………………………………………..
4.1.7 Определение буферной емкости электролита……………………………...
4.1.8 Электронные спектры поглощения…………………………………………
4.1.9 Исследование физико-механических свойств покрытий………………….
4.1.9.1 Измерение микротвердости………………………………………………..
4.1.9.2 Определение величины внутренних напряжений………………………..
4.1.9.3 Определение пористости покрытий……………………………………...
4.2 Результаты исследований……………………………………………………...
4.2.1 Буферная емкость электролита……………………………………………...
4.2.2 Влияние состава электролита и режима электролиза на выход по току никеля……………………………………………………………………………….
4.2.3 Электронные спектры поглощения………………………………………...
4.2.4 Изучение влияния аланина на процесс разряда ионизации никеля водорода…………………………………………………………………………….
4.2.4.1 Суммарные поляризационные кривые разряда ионов Ni2+ и Н2…….
4.2.4.2 Анодные поляризационные кривые…………………………………….
4.2.5 Исследование физико-химических свойств покрытий……………………
4.2.5.1 Определение величины внутренних напряжений………………………
4.2.5.2 Пористость покрытий никеля…………………………………………….
4.2.5.3 Исследование микротвердости……………………………………………
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………
5.1 Анализ рынка возможной реализации результатов исследования………..
5.2 Обоснование договорной цены на «Know how»…………………………..
5.2.1 Определение минимальной цены продавца «Know how»…………………
5.2.1.1 Расчет суммы затрат на сырье, материалы, реактивы, покупные изделия и полуфабрикаты………………………………………………………..
5.2.1.2 Расчет суммы затрат на энергоресурсы………………………………..
5.2.1.3 Расчет суммы затрат на специальное оборудование для научных и экспериментальных работ………………………………………………………..
5.2.1.4 Расчет суммы заработной платы с обязательными начислениями…..
5.2.1.5 Расчет суммы расходов по использованию вычислительной техники…
5.2.1.6 Расчет суммы накладных расходов……………………………………….
6 ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ………………………………
7 ВЫВОДЫ………………………………………………………………………..
8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………..
Введение
Электролитический способ получения осадков никеля нашел широкое применение в промышленности. В отличие от других металлов, металлы группы железа осаждаются практически только из растворов простых солей. Наиболее изученными являются сернокислые электролиты никелирования, для них существует большое количество составов и режимов осаждения, предназначенных для различных условий эксплуатации. Все эти электролиты характеризуются значительными величинами катодной и анодной поляризации. При этом на величину этой поляризации, а следовательно на структуру и физико-химические свойства никелевых покрытий большое влияние оказывает состав электролита, и выбранный режим осаждения. Осадки, получаемые из этих сернокислых растворов, являются плотными, равномерными и мелкокристаллическими. Такой характер осадков обусловлен высоким ингибирующим действием чужеродных частиц, присутствующих в растворе и/или возникающих при электролизе[1, 2].
Такие частицы адсорбируются на активных центрах поверхности электрода и препятствуют свободному росту кристаллов. Осадки никеля содержат значительное количество посторонних включений (водород, углерод, гидроксидов и т.д.) и по физико-механическим свойствам существенно отличаются от свойств чистых металлов.
Никелевые покрытия обладающие определенными физико-механическими и химическими свойствами находят большое применение. В связи с этим особое внимание заслуживают работы по изучению влияния различных органических поверхностно-активных веществ на свойства и структуру осадков.
В последние годы при электролитическом осаждении металлов стали активно применять различные аминокислоты [4-8]. Использование аминокислот в гальванотехнике обусловлено тем, что электролиты на их основе позволяют заменить токсичные электролиты на менее опасные [9,10].
Кроме того, в настоящее время особое внимание уделяется проблемам очистки сточных вод гальванических производств, замене ряда токсичных соединений на менее опасные, легко удаляемые из промывных вод электрохимических производств. Среди органических соединений можно выделить ряд аминокарбоновых кислот [26], широко используемые в фармацевтической промышленности, которые легко поддаются как биодеградации, так и действию химических окислителей. Некоторые кислоты нашли применение и при осаждении металлов как добавки, улучшающие физико-химические свойства покрытий.
В ранее проведенных работах следует[33], что введение в состав электролитов никелирования аминоуксусной кислоты (глицина) является перспективным ,так как она может выполнять несколько функций, являясь буферирующей [12,13], комплексообразующей [10,13], поверхностно-активной [14] и электропроводящей [15] добавкой в электролитах, применяемых в гальванической промышленности. Все исследования проводились с добавкой глицина.
В целом поведение аминоуксусных кислот (в зависимости от длины цепи и конфигурации) практически не изучено. Отсутствует комплексное изучение влияния аминоуксусных кислот на процессы осаждения металлов, в частности никеля. Представляет практический интерес восполнить этот пробел. Целью данной работы является изучение влияния аминоуксусной кислоты (аланина А) в зависимости от концентрации добавки, рН раствора и температуры на процесс осаждения никеля и физико-химические и механические свойства электролитических осадков металла.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Область применения гальванических покрытий достаточно широка: их используют для повышения износостойкости, восстановления размеров деталей, изменения электрических свойств изделия, в качестве защитных покрытий, а также в декоративных целях.
Знание кинетических закономерностей электродных реакций позволяет научно обосновать выбор оптимальных условий проведения электролиза для получения покрытий с заданными свойствами.
Для получения покрытия с определенными свойствами в электролит кроме основной соли вводятся добавки, выполняющие разные функции. Так применяют комплексообразователи, буферирующие, электропроводящие, поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Электролиты никелирования
На практике чаще используют кислые электролиты, которые подразделяются на сернокислые, хлористые, сульфаминокислые (сульфаматные), кремнефтористоводородные, борфтористоводородные и др.
Щелочные электролиты делятся на этилендиаминовые, тартратные и др.
При электроосаждении Ni из кислых растворов наряду с Ni на катоде выделяется и H2, за счет чего в прикатодном пространстве повышается рН, а это может привести к образованию хрупких и шероховатых поверхностей Ni, что связано с осаждением основных солей Ni.
С другой стороны, увеличение кислотности электролита приводит к снижению рассеивающей способности электролита и выхода по току ввиду расхода энергии на восстановление ионов водорода. Выделение последнего ухудшает свойства получаемых осадков. Образуется пористый шероховатый осадок с питтингом. Поэтому, как правило, никелирование проводят при рН электролита в пределах 4,0- 5,5.
Чистоту никелевых электролитов поддерживают непрерывной фильтрацией, их селективной и периодической химической очисткой, а также зачехлением анодов.
Для стабильной работы анодов, т.е. для равномерного растворения анодов, их подвергают термообработке и придают эллиптическую или ромбовидную форму. Эти факторы сказываются на скорости растворения Ni, а поэтому и на качестве получаемых осадков.
Также применяются аноды в виде кусочков металла размером 25×25×5 мм. Эти аноды равномерно растворяются. Их помещают в титановые корзины, на которые надевают мешки из полипропиленовой ткани. Соотношение Sа:Sк при электролизе необходимо поддерживать 2:1. [11]
В современные электролиты никелирования вводят специальные добавки неорганического или органического происхождения, которые повышают растворимость анодов, предупреждают образование шлама, позволяют получить непосредственно из ванн блестящие осадки с выравниванием поверхности основного метала, предупреждают питтингообразование, повышают твердость и уменьшают пористость осадков.(гинберг)
2.1.1 Сульфатные электролиты
В практике гальваностегии наиболее распространены электролиты на основе сульфата никеля. Эта соль хорошо растворяется в воде (до 400 г/л). В качестве депассиваторов анодов в эти растворы вводят соли щелочных металлов — хлорид натрия, реже — хлорид калия. В ряде рецептур электролитов на основе сульфата никеля в качестве активатора анодов используют хлорид никеля. Однако особых преимуществ хлорид никеля по сравнению с хлоридами щелочных металлов в электролитах никелирования в качестве активатора анодов не имеет.
В роли буферного соединения обычно используют борную кислоту. Можно в качестве буфера использовать и соли уксусной кислоты. Для электролитов с низким значением рН более эффективны добавки буферных соединений в виде фторида натрия и других фторидов.
Для повышения электрической проводимости ряда электролитов, особенно имеющих низкое содержание сульфата никеля (150—200 г/л), в раствор вводят сульфат натрия или сульфат магния [16,17].
Сульфатные электролиты никелирования имеют высокий катодный выход по току: 90—100 %.
Типичные составы электролитов для обычного (матового) никелирования и режимы их работы приведены в таблице 1.
Таблица 1 ¾ Составы электролитов матового никелирования
| Состав электролита и режим работы | Электролит | |||||
| Состав, г/л: | ||||||
| NiSO4 7Н2О NiCl2 6Н2О NaCl H3BO3 Na2SO4 10 Н2О MgSO4 7Н2О NaF Янтарная кислота Натрия лаурилсульфат рН электролита | 140-200 30-40 - 25-40 60-80 - - - - 5,2-5,8 | 150-200 - 10-15 25-30 40-50 50-60 - - - 5,0-5,5 | 140-150 - 5-10 25-30 40-50 25-30 - - - 5,0-5,5 | 300-350 45-60 - 30-40 - - - - - 1,5-4,5 | - - 25-40 - - 2-3 - - 2-3 | - - - - - 0,05-0,1 2,5-3,5 |
| Режим осаждения: | ||||||
| Температура, ºС | 20-55 | 20-30 | 20-35 | 45-65 | 50-60 | 50-60 |
| Катодная плотность тока, А/дм2 | 0,5-2,0 | 0,5-2,0 | 0,5-1,5 | 2,5-10 | 5-10 | 5-30 |
Электролит 1 — предусмотрен ГОСТ 9.305—84. Электролиты 2, 4 — для стационарных ванн. Электролит 3 — для колокольных и барабанных ванн. Электролит 5 — для получения толстослойных осадков никеля. Электролит 6 —для получения осадков никеля при высоких плотностях тока.
Электролиты никелирования очень чувствительны к различным примесям органического и неорганического происхождения, особенно таких металлов, как цинк, свинец, медь, железо. Это факт следует учитывать при приготовлении электролитов.
В настоящее время в отечественной промышленности используется довольно большое количество электролитов блестящего никелирования. Большинство из них обладает выравнивающим действием.
Для получения защитно-декоративного покрытия на деталях, не требующих высокой антикоррозионной стойкости, применяют электролиты блестящего никелирования. Для этих покрытий характерны повышенные твердость и износостойкость.
Основные недостатки блестящих покрытий (в сравнении с матовыми) – сильное наводороживание гальванического осадка и покрываемого металла, большое количество примесей в осадке, повышенные значения внутренних напряжений. Поэтому у большинства блестящих никелевых покрытий пониженная коррозионная стойкость и склонностью осадка к растрескиванию. Несмотря на все эти недостатки, метод получения зеркально блестящих поверхностей широко распространен, так как при его применении отпадает трудоемкая операция механического полирования поверхности и значительно повышается плотность тока, приводящая к интенсификации гальванических процессов.
Содержание серы в никелевых покрытиях сказывается на напряжении сжатия, на изменении внутренних напряжений, твердости осадка и других свойствах осажденного металла.
Наиболее широкое применение получили сернокислые электролиты блестящего никелирования (табл.2).
Таблица 2 - Состав (г/л) электролитов блестящего никелирования и режим работы
| Компоненты электролита и | Номер электролита | |||||
| режим работы | ||||||
| NiSO4-7H2O | 260-300 | 250-300 | 280-300 | 250-300 | 280-300 | |
| NiCl2-6H2O | 40-60 | 40-60 | 40-60 | 10-15 | 10-15 | |
| Н3ВО3 | 35-40 | 30-40 | 35-45 | 30-40 | 25-40 | |
| 1,4 бутиндиол 35%-ный, мл/л | 0.2 | 0.2 | 0.1 | - | 2-3 | 0.5 |
| Сахарин | 0.7-1.5 | 0.7-1.5 | - | - | - | - |
| Фталимид | 0.08-0.1 | 0.08-0.1 | - | - | - | - |
| Хлорамин Б | - | - | - | - | 1-2.5 | 2-2.5 |
| ОС-20 | - | - | - | - | 0.001-0.005 | - |
| ik, А/дм2 | 4-6 | 4-6 | 2-6 | 2-6 | 3-5 | 2.5-3,5 |
| t,°С | 55-60 | 50-60 | 50-60 | 45-60 | 45-60 | 50-60 |
| рН | 4-4.8 | 4-4.8 | 4.5 | 4.3-4.8 | 4.5-5.5 | 4.5-5.5 |
Большинство электролитов блестящего никелирования содержат серусодержащие добавки. Это ведет к снижению коррозионной стойкости блестящих никелевых покрытий по сравнению с матовыми, механически полированными осадками, полученными из электролитов без добавок. Кроме того, в электролитах блестящего никелирования для получения блестящих осадков приходится увеличивать концентрацию выравнивающей добавки— сильного блескообразователя, что способствует снижению выравнивающей способности.
Для повышения коррозионной стойкости блестящих никелевых покрытий разработаны системы двух- и трехслойных никелевых покрытий , а также покрытие никель–сил.
На свойства никелевых покрытий влияет также режим работы. Увеличение температуры и плотности тока в заданных пределах способствует уменьшению внутреннего напряжения и увеличению блеска покрытий. Оптимальной считается температура 50—60 °С. Все электролиты требуют перемешивания, непрерывного фильтрования и селективной очистки [12]