Ангарск, Иркутская область, Россия
Россия
Рассмотрено влияние структуры различных групп органических соединений на физико-механические свойства полученных никелевых покрытий. Показано, что физико-химические свойства никелевых покрытий зависят от структуры введенных в сульфатный электролит никелирования органических добавок
органические добавки, сульфатный электролит никелирования, микротвердость, пористость, блеск
Никелевые покрытия широко распространены в машиностроении, приборостроении, автомобильной промышленности и других отраслях, вследствие хороших физико-химических свойств. Широкое распространение никеля в гальванотехнике объясняется прежде всего его физико-механическими свойствами. Никелевые покрытия хорошо полируются до зеркального блеска и приобретают красивый декоративный вид благодаря образованию пассивной пленки на поверхности. Являясь, в основном, защитно-декоративным покрытием, никель способен надежно защитить железо от коррозии только при условии беспористости осадка [1, 2]. Для снижения пористости и повышения твердости никелевых покрытий в электролиты никелирования вводят органических блескообразующих добавок, позволяющие получать блестящие никелевые покрытия без полировки. В мировой гальванотехнике более 80 % никелевых гальванопокрытий осаждают непосредственно из ванн блестящего никели [3, 4, 5].
Органические добавки значительно увеличивают микротвердость покрытий, улучшают внешний вид, снижают пористость, но также приводят и к увеличению внутренних напряжений покрытия.
Для получения блестящих никелевых покрытий предложены разнообразные добавки, относящиеся к различным классам органических соединений. Многие из них оказывают выравнивающее действие – сглаживают микропрофиль поверхности и уменьшают пористость осадков. Обычно в электролит вводят несколько органических добавок, которые при совместном действии не только придают блеск, но и изменяют некоторые физико-химические свойства никелевого покрытия [6, 7, 8].
Целью работы является исследование влияния блескообразующих добавок на свойства никелевых покрытий, таких как внешний вид покрытия, микротвердость и пористость.
Состав электролита и режим электроосаждения оказывает большое влияние на физико-механические свойства никелевых покрытий. Для никелирования применяются сульфатные, хлоридные, сульфаматные, борфторидные, кремнефторидные и другие электролиты [4].
Наибольшее распространение в промышленности получили сульфатные электролиты, в которых сульфат никеля является основным компонентом электролита, борная кислота вводится для регулировки рН, а хлорид-ионы для депассивации анодов [3, 5]. Исследования проводили в сульфатном электролите никелирования следующего состава: 
– 270 г/л; 
– 15 г/л; 
– 30 г/л. Электроосаждение проводили при рН = 5,0 и температуре 50 ºС, диапазон плотностей тока подбирали для каждой исследуемой добавки исходя из внешнего вида никелевого покрытия [4]. Толщина никелевых покрытий во всех опытах составляла 20 мкм.
Для сравнения физико-механических свойств исследованы никелевые покрытия, полученные с блескообразующими добавками, представленными в таблице 1. Оптимальные условия получения и характеристики полученных никелевых покрытий представлены в таблице 2.
Блеск никелевых покрытий определяли с помощью блескомера БФ5М-45/0/45. Установлено, что все исследуемые органические добавки дают блестящие никелевые покрытия, а показатели блеска составляют от 101 до 158 единиц.
Измерения твердости образцов проводили на микротвердомере DuraScan 70 с применением трехгранной пирамиды Виккерса по ГОСТ 2999-75. Во время испытаний были обеспечены: перпендикулярность приложения и плавное возрастание нагрузки 0,1 кг в течение 10-15 с. Выполняли серию из 5 испытаний в заданных точках, расстояние между центром отпечатка и краем соседнего отпечатка или краем образца выдерживалось не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.
Результаты определения микротвердости образцов представлены в таблице 2 и на рисунке 1. Установлено, что при введении органических добавок микротвердость никелевых покрытий увеличивается по сравнению с чистым электролитом. При чем введение в электролит добавок I и II повышает микротвердость незначительно, а добавки III, IV и V увеличивают твердость покрытий в 2 раза. На рисунке 1 видно, что чем ниже показатель блеска покрытия, тем меньше его твердость. И, наоборот, чем выше показатель блеска, тем выше микротвердость никелевого покрытия.
Таблица 1. Используемые блескообразующие добавки
|
Номер добавки |
Органическое соединение |
|
I |
4-метил-N-(2,2,2-трихлорэтил)бензолсульфонамид
|
|
II |
2-хлор-N-(2,2,2-трихлор-1-{[(4-хлорфенил)сульфонил]амино}этил)ацетамид
|
|
III |
тиомочевина
|
|
IV |
1-хлораллилизотиуроний хлорид
|
|
V |
6-окса-3,9-диселенаундекан |
Таблица 2. Оптимальные условия получения и характеристика никелевых покрытий
|
Добавка |
Плотность тока, А/дм2 |
Концентрация, г/л |
Качество покрытия (внешний вид) |
Блеск, единицы |
Пористость, пор/см2 |
Микротвердость по Виккерсу (HV), кгс/мм2 |
|
без добавки |
4-5 |
- |
матовое |
0 |
60-70 |
260 |
|
I |
5-6 |
0,1-0,3 |
блестящее |
146 |
0,3-0,6 |
440 |
|
II |
6-12 |
0,1-0,3 |
блестящее |
101 |
0-0,2 |
358 |
|
III |
0,7-1,0 |
0,3-0,4 |
блестящее |
148 |
35-40 |
536 |
|
IV |
18-20 |
1,0-1,2 |
блестящее |
158 |
0,6-0,8 |
526 |
|
V |
15-18 |
0,01-0,02 |
блестящее |
138 |
2-5 |
543 |
Рисунок 1. Гистограмма блеска и микротвердости никелевых покрытий
Однослойные никелевые покрытия имеют большое количество пор, что приводит к низким показателям твёрдости и снижению коррозионной стойкости. Пористость никелевых покрытий определяли методом нанесения раствора по ГОСТ 9.302-88. При проведении исследования на подготовленную деталь накладывали фильтровальную бумагу, смоченную раствором 
(10 г/л) и (20 г/л) и выдерживали в течение 10 мин при температуре 18-25 ºС [5]. Установлено, что самый высокий показатель пористости наблюдается у матовых никелевых покрытий. При введении в электролит добавки III (тиомочевина) пористость снижается почти в 2 раза, но все равно остается достаточно высокой. Несмотря на высокие показатели блеска, вероятно поэтому тиомочевину не применяют в промышленных электролитах никелирования. Однако, производное тиомочевины – изотиурониевая соль (добавка IV) значительно снижает пористость покрытия, практически при тех же показателях блеска и микротвердости поверхности [9, 10].
|
|
|
|
Добавка III (тиомочевина)
|
Добавка IV (1-хлораллилизотиуроний хлорид)
|
|
|
|
|
Добавка V (6-окса-3,9-диселенаундекан)
|
Добавка II (2-хлор-N-(2,2,2-трихлор-1-{[(4-хлорфенил)сульфонил]амино}этил)ацетамид)
|
Рисунок 2. Визуализация структуры покрытия с органической добавкой (х8000)
Фотографирование поверхности образцов и визуализацию структуры покрытия проводили на сканирующем электронном микроскопе Thermo Fisher Scientific Quattro C. На рисунке 2 видно, что введение органической добавки в электролит изменяет структуру никелевого покрытия. Так тиомочевина (добавка III) позволяет получить блестящее мелкокристаллическое покрытие, а производное тиомочевины (добавка IV) дает уже более выраженную структуру поверхности и повышенный показатель блеска. Добавки II и V дают еще более развитую поверхность никелевого покрытия, однако показатель блеска при этом снижается.
Таким образом, установлено, что физико-химические свойства никелевых покрытий зависят от структуры введенных в сульфатный электролит никелирования органических добавок.
1. Ямпольский, А.М. Краткий справочник гальванотехника / А.М. Ям-польский, В. А. Ильин – Л.: Машиностроение, 1981 – 269 с.
2. Свирь, К.А. Влияние блескообразующих добавок на физико-химические свойства никелевых покрытий // К.А. Свирь, Э.Д. Османова, Г.К. Буркат // Изве-стия СПбГТИ(ТУ) – 2017. – Т.41. – С. 44-49.
3. Дасоян, М.А. Технология элек-трохимических покрытий. / М.А. Дасоян, И.Я Пальмская, Е.В. Сахарова – Л.: Машиностроение, 1989. – 391 с. – ISBN 5-217-00381-2
4. Грилихес, С.Я. Электролитиче-ские и химические покрытия. Теория и практика / С.Я. Грилихес, К.И. Тихонов. – Л.: Химия, 1990. – 288 с. ил. – ISBN: 5-7245-05339.
5. Мамаев, В.И. Никелирование / В.И. Мамаев, В.Н. Кудрявцев. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2014. – 192 с. – ил., табл.; 21. – ISBN 978-7237-1150-1.
6. Сосновская, Н.Г. Структурный подход к разработке блескообразующих добавок в электролит никелирования / Н.Г. Сосновская, Н.В. Истомина, В.А. Грабель-ных, И.Н. Богданова, И.Б. Розенцвейг, Н.А. Корчевин // Современные электрохимиче-ские технологии и оборудование: матери-алы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 15–19 мая 2023 г. / Белорус. гос. технол. ун-т. – Минск: БГТУ, 2023. – С.180-183.
7. Истомина, Н.В. Блестящее ни-келирование: проблемы и перспективы / Н.В. Истомина, Н.Г. Сосновская, А.О. По-лякова // Вестник Ангарской гос. тех. ака-демии. – 2014. – № 8. – С. 77-80.
8. Березин, Н.Б. Развитие теории блескообразования / Н.Б. Березин, Ж.В. Межевич // Вестник технологического университета. – 2016. – Т.19, № 9. – С. 60-63.
9. Иванова, А.О. Использование добавок изотиурониевых солей в технологии блестящего электрохимического никелирования / А.О. Иванова, Н.Г. Сосновская, В.С. Никонова, Е.П. Леванова, С.И. Попов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. – 2017. – Т.7, №4. – С. 136-141.
10. Сосновская, Н.Г. Электроосаждение блестящих никелевых покрытий из сульфатного электролита в присутствии изотиурониевых солей / Н. Г. Сосновская, Н. В. Истомина, Л. М. Синеговская, И. Б. Розенцвейг, Н.А. Корчевин // Гальванотехника и обработка поверхности. – 2019. – Т.27, № 4. - С. 4-11.
