Некоторые практические рекомендации по эксплуатации электролитов никелирования

В практической гальваностегии процесс никелирования применяется преимущественно для защитно-декоративной отделки деталей из различных металлов (стали, меди и ее сплавов, алюминия и др.) и при получении многослойных покрытий Cu-Ni-Cr или Ni-Cr. Наибольшее распространение для промышленного применения получил электролит Уоттса, содержащий 200-300 г/л никеля сернокислого, 40-60 г/л никеля хлористого и 25-45 г/л борной кислоты, в который при необходимости могут вводиться блескообразующие, выравнивающие, смачивающие или какие-либо другие добавки.

В зависимости от необходимости решения тех или иных конкретных практических задач состав электролита может существенно изменяться. Например, для повышения рассеивающей способности электролита снижают концентрацию сульфата никеля и добавляют электропроводные соли, такие как сульфат натрия или (что более желательно) магния; с целью интенсификации процесса электроосаждения никеля в электролит вводятся более эффективные, чем борная кислота (H₃BO₃) буферирующие добавки, для получения пластичных толстых осадков вместо сульфата никеля может применяться уксуснокислый или сульфаминовокислый никель.

Однако основные неполадки и их причины, а также общие требования к ведению технологического процесса едины для всех электролитов никелирования.

В первую очередь необходимо отметить, что электролиты никелирования очень чувствительны к посторонним примесям, среди которых можно выделить 4 основные группы:

катионы (железо, медь, цинк, кадмий, свинец, хром, алюминий, аммоний);
анионы (NO₃^-, NO₂^-, ClO^-, ClO₃^-);
органические вещества;
механические примеси (пыль, шлам).

С другой стороны посторонние примеси можно разделить на систематические и случайные.

Систематические примеси накапливаются неизбежно. К таким примесям относятся продукты разложения органических добавок, катионы металлов, содержащихся в промывной воде (в основном – железо); катионы металлов, переходящие в электролит с поверхности обрабатываемых деталей в начальные моменты электролиза за счет химического взаимодействия; механические примеси (пыль из воздуха рабочей зоны, анодный шлам).

Рациональная организация технологического процесса при никелировании позволяет существенно снизить скорость накопления систематических примесей:

Необходимо избегать передозировки блескообразующих и других добавок. Для этого должен быть организован входной контроль количества добавок, регулярный контроль (анализ) электролита никелирования по основным компонентам и рН. Кроме того крайне важно соблюдать оптимальные условия электроосаждения, задаваемые технологическим регламентом.
При использовании для промывки деталей перед никелированием водопроводной воды возможно загрязнение электролита железом и органическими примесями. Поэтому промывка деталей непосредственно перед ванной никелирования должна осуществляться в дистиллированной или деонизованной воде. Если это требование невыполнимо в условиях производства, можно на линии подачи промывной воды установить промышленную фильтровальную установку, фильтрующую от взвесей железа и органики.
Загрузку деталей (подвески или барабан) в гальваническую ванну желательно производить при включенном источнике тока. При этом величина тока во время опускания деталей в ванну должна быть в 2-3 раза ниже рабочей и лишь когда все детали будут в электролите, ток увеличить до необходимого значения. Нерабочие части подвесных приспособлений должны быть изолированы токонепроводящими материалами; нельзя допускать контакта анодных держателей с электролитом.
Известно, что в процессе никелирования аноды растворяются неравномерно, что сопровождается образованием никелевого шлама. Поэтому, аноды необходимо помещать в чехлы из химически стойкой ткани (например, полипропиленовой или бязи); для снижения шламообразования использовать аноды никелевые непассивирующиеся (марка НПАН или НПАНЭ); крайне желательно осуществлять непрерывную фильтрацию электролита. В случае применения барботажа, перемешивания воздухом последний должен быть тщательно очищен от следов масел и других примесей. Качество очистки сжатого воздуха необходимо контролировать.

Случайные примеси попадают в электролит никелирования по ошибке обслуживающего персонала, в результате неверно организованного технологического процесса или при нарушении режимов эксплуатации электролита.

Для исключения появления случайных примесей все химикаты и расходные материалы на складах хранения и на гальваническом участке должны быть маркированы и проверены на соответствие маркировки; подсобные емкости и приспособления для приготовления и корректировки электролитов никелирования необходимо содержать в чистоте и не применять для других процессов. Особое внимание необходимо уделять анодному процессу, поскольку при превышении допустимой анодной плотности тока аноды будут пассивироваться, перестанут растворяться и на них возможно выделение газообразного хлора. Последний, растворяясь в электролите, реагирует с водой с образованием ClO^- и ClO₃^- анионов. Эти анионы активно окисляют органические добавки и препятствуют их блескообразующему и выравнивающему действию. Для избежания этого рекомендуется поддерживать соотношение катодной и анодной поверхностей как 1:2 (чтобы анодная плотность тока не превышала 2-2,5 А/дм²). При этом надо учитывать, что при использовании листовых анодов при расчете их рабочей площади учитывается вся поверхность, обращенная к подвескам с покрываемыми изделиями и лишь 20-40% поверхности, обращенной к стенкам ванны (в зависимости от расстояния до стенок ванны).

При рассмотрении влияния случайных примесей необходимо особо отметить ионы аммония (NH₄⁺) и нитраты (NO₃^-). Растворы аммиака или азотной кислоты могут быть ошибочно применены при корректировке рН электролита в щелочную или кислую области, соответственно. При этом наличие в электролите никелирования ионов аммония приводит к резкому повышению внутренних напряжений и охрупчиванию покрытия; присутствие же нитратов существенно снижает скорость осаждения никеля, причем при концентрации NO₃^- иона 1 г/л и более никель вовсе перестает выделяться на катоде. Избавиться же от этих примесей в электролите невозможно при помощи каких-либо доступных в условиях производства способов. Таким образом загрязнение ими электролита приводит к необходимости его полной замены.

Одним из важнейших параметров электролита никелирования является рН, соответственно вопрос о приемлемых веществах для регулирования кислотности имеет очень большое значение.

Чаще всего электролиты никелирования в процессе эксплуатации защелачиваются. Причиной этого является разряд на катоде ионов водорода (2H⁺+2e→H₂), нарушение вследствие этого баланса H⁺/OH^- в прикатодном слое в сторону увеличения концентраций OH^-. Накопление ионов OH^- приводит к повышению рН до такого значения, когда в прикатодном слое образуются гидроксиды никеля, которые приводят к ряду негативных явлений, в общем случае проявляющихся в ухудшении качества и свойств никелевых покрытий.

Для снижения рН электролита никелирования можно применять серную или соляную кислоты, при этом решение о применении той или другой кислоты принимается на основании данных химического анализа на хлориды, т.е., если хлоридов недостаток, используется соляная кислота, а при их избытке – серная.

При использовании серной кислоты ее необходимо разбавлять до концентрации 20-30%, особенно, если в электролите имеются блескообразующие добавки. Эта необходимость обусловлена двумя причинами: 1) резким нагревом раствора при контакте концентрированной серной кислоты с электролитом, приводящим иногда к вскипанию и выбросу кислого расмтвора из ванны; 2) способностью концентрированной серной кислоты к локальному осмолению органических добавок, приводящему к снижению их эффективности и появлению в электролите нежелательных побочных продуктов.

При использовании соляной кислоты ее также желательно разбавлять водой 1:1 для снижения летучести паров HCl.

Для повышения значения рН в крайнем случае можно использовать 5-10% раствор едкого натра, однако увеличение концентрации ионов натрия приводит к снижению буферной емкости электролита и более быстрому его защелачиванию, особенно в прикатодном слое, что может привести к охрупчиванию никелевого покрытия и к подгарам на выступающих частях деталей. Поэтому, для повышения рН рекомендуется применять основной карбонат никеля в виде водной суспензии. Он нейтрализует ионы водорода по следующей схеме: (NiOH)₂CO₃+4H⁺→2Ni²⁺+3H₂O+CO₂. При взаимодействии образуются ионы никеля и вода, углекислый газ улетучивается, а в электролит не поступает никаких посторонних ионов.

Таким образом при эксплуатации электролитов никелирования необходимо обеспечивать строгий контроль и поддержание оптимальных условий и режимов электролиза, концентрации основных компонентов, а также следить за накоплением вредных примесей.

Большинству предприятий недоступно дорогостоящее оборудование для количественного определения микроколичеств посторонних веществ (ионы металлов) и органических добавок. Наиболее простой выход из положения заключается в регулярном тестировании электролита при помощи гальванической ячейки с угловым катодом. Такая ячейка с углом катода 51° по отношению к аноду носит название «ячейки Хулла»*. На катодной пластине при средней плотности тока 2,5 А/дм² реализуются плотности тока от 0,1 А/дм² на дальнем от анода краю и до 7,5 А/дм² на ближнем, что охватывает весь диапазон возможных рабочих плотностей тока. По внешнему виду покрытия, т.е. характеру и расположению дефектов на катодной пластине, можно с достаточной долей вероятности судить о причинах брака. В некоторых, наиболее простых случаях причину брака можно установить по внешнему виду покрытия на деталях, полученного непосредственно в электролите никелирования.

Для удобства работы технологов приводим так называемую «карту неполадок», в которой указываются характерные дефекты и их возможные причины.

Таблица. Карта возможных дефектов покрытия и их причин

Дефект	Возможная причина дефекта
1. Слабый блеск покрытия	Недостаток блескообразователя. Занижен рН электролита. Низкая плотность тока. Электролит перегрет
2. Хрупкий осадок	Завышен рН. Высокая плотность тока. Избыток блескообразователя. Наличие органических загрязнений. Загрязнения железом. Недостаток H₃ВО₃
3. Питтинг	Загрязнение электролита железом, органическими веществами. Завышена плотность тока. Занижен рН. Низкая температура элекролита. Слабое перемешивание. Недостаток смачивателя или H₃BO₃
4. Шероховатое покрытие с набросами	Наличие механических примесей. Загрязнение железом. Завышены рН или плотность тока. Шламование анодов
5. Вуаль на покрытии, матовые пятна, подгар на участках деталей с высокой плотностью тока.	Завышена концентрация блескообразователя. Загрязнение электролита нефтепродуктами
6. Отслаивание покрытия от основы (плохое сцепление)	Плохая подготовка деталей перед покрытием. Загрязнение электролита нефтепродуктами, свинцом
7. Покрытие с продольными трещинами, полосчатое. Питтинг	Загрязнение электролита железом >150 мг/л
8. Покрытие темно-серое с пузырями	Загрязнение электролита медью, кадмием >20 мг/л
9. Темные пятна или полосы, трещины	Загрязнение электролита цинком >10 мг/л.
10. Покрытие шелушится, местами отсутствует	Загрязнение электролита алюминием >200 мг/л, хромом >40 мг/л
11. Низкая скорость осаждения, отсутствие покрытия на отдельных участках покрываемых деталей.	Загрязнение электролита нитратами. Плохой контакт деталей с подвесками. Низкие рН электролита, плотность тока или температура. Плохая предварительная подготовка. Взаимное экранирование деталей на подвеске
12. Низкая рассеивающая способность электролита	Низкая электропроводность, очень высокая концентрация солей. Загрязнение веществами органической и неорганической природы. Плохой контакт деталей с подвесками. Малая площадь анодов
13. Аноды покрыты коричневой или черной пленкой.	Мала площадь анодов, высокая анодная плотность тока. Мало хлоридов в электролите

В заключение необходимо отметить, что перед определением состояния электролита никелирования с помощью ячейки Хулла, проба электролита для тестирования сначала анализируется на содержание основных компонентов и рН. В случае несоответствия этих параметров оптимальным значениям их нужно откорректировать на основании анализов и лишь после этого приступать к тестированию электролита с помощью ячейки Хулла.

Смирнов К.Н.

Advices to Platers

Some practical advices concerning the operation of nickel plating baths.

Major failures and coating defects occurring in nickel electroplating are discussed. One of the causes may be certain impurities in nickel plating bath such as cations, anions, organic substances and solids (dust, sludge). These impurities are classified as systematic and occasional ones. Advices are given how to avoid or to reduce the build-up of impurities in the plating solution. Coating defects caused by impurities are considered and preventive measures are recommended.

Smirnov K.N.

* Более подробные рекомендации по применению ячейки Хулла для контроля гальванических процессов опубликованы в статье «Ячейка Хулла. Рекомендации по контролю работоспособности гальванических растворов».