1. Характеристика производственных процессов никелирования

Никелирование — самый популярный гальванотехнический процесс. Привлекательный вид, высокая коррозионная стойкость и механические свойства говорят в пользу более широкого применения никеля с декоративно-защитными и функциональными целями.

Никель, нанесенный непосредственно на сталь, носит характер катодного покрытия и, следовательно, защищает только механическим путем. Несплошность покрытия способствует образованию коррозионных пар, в которых сталь является растворимым электродом. В результате этого возникает коррозия под покрытием, которая разрушает стальную подложку и приводит к отслаиванию никелевого покрытия. С целью предупреждения этого явления сталь необходимо покрывать плотным без пористости толстым слоем никеля.

Никелевые покрытия являются основой многослойных декоративно-защитных систем Ni—Сг и Сu-Ni—Сг. Применение ванн с блескообразователями значительно упрощает технологию нанесения многослойных покрытий. Из-за высоких механических свойств никель применяют для восстановления изношенных деталей машин, гальванопластического изготовления инжекционных форм, и конструкционных элементов, которые трудно или даже невозможно изготовить обычными механическими методами. В химической промышленности толстым слоем никеля покрывают детали, подверженные воздействию крепких щелочей

Никелирование применяется в машиностроении, приборостроении н других отраслях промышленности. Никелем покрывают детали из стали и цветных металлов для защиты их от коррозии, декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу. Благодаря высокой коррозионной стойкости в растворах щелочей никелевые покрытия применяют для защиты химических аппаратов от щелочных растворов. В пищевой промышленности никель может заменять оловянные покрытия. В оптической промышленности получил распространение процесс черного никелирования.

Многие неорганические соединения даже в очень малых концентрациях оказывает вредное воздействие на рыб и их кормовые ресурсы. Большинство водных организмов более чувствительны к действию токсичных веществ, чем человек и теплокровные животные. Разные виды организмов неодинаково переносят действие неорганических соединений.

Никель. В реках России содержится в концентрациях 0,0008-0,0056 мг/л. В источниках водоснабжения он обнаружен в количестве в среднем 0,0117 мг/л.

Сульфат и хлорид никеля сообщают воде металлический привкус в концентрации 50 мг/л, окрашивают воду в концентрации 1000 мг/л, на запах не ощущаются. В концентрации 1 мг/л никель заметно увеличивает мутность воды.

Влияние на человека и теплокровных животных. Смертельная доза для теплокровных животных составляет 34 мг/кг массы, для собак – 10-20 мг/кг массы.

Никель способен вызвать аллергические реакции («никелевая чесотка», экзема), всасываться кожей и оказывать общетоксическое действие. По некоторым данным никель обладает канцерогенным и мутагенным действием.

Влияние на водные организмы. Нахождение в воде, загрязненной никелем в концентрациях, указанных ниже, в течение 96 часов приводит к гибели следующих водных организмов: комаров – 8,6 мг/л, гаммарид – 13,0 мг/л, моллюсков – 11,4 мг/л, щетинкового червя – 14,1 мг/л, улиток – 14,3 мг/л. Токсическое действие проявляется на гольяна при концентрации 0,38 мг/л, на бокоплава – при 2,5 мг/л, на радужную форель – при 25,0 мг/л, на карпа – при 45,0 мг/л.

Начиная с концентрации 1,0 мг/л, никель снижает эффективность биологической очистки сточных вод, ослабляет интенсивность процессов нитрификации активного ила, значительно снижает аэробное окисление сточных вод на биологических фильтрах; при концентрации 2,0 мг/л никель оказывает токсическое действие на микрофлору метантенков и тормозит сбраживание осадка.

Влияние на сельскохозяйственные культуры. Вредное действие на растения при поливе вызывает концентрация никеля 0,5 мг/л. Никель вызывает хлороз овса при концентрации 1 мг/л, а при концентрации 2,5 мг/л – задержку роста. Сульфат никеля в концентрации 2,5 мг/л вызывает гибель растений. ОДК с учетом фона 20 мг/кг для песчаных и супесчаных почв, 40 мг/кг для кислых (суглинистых и глинистых) почв, 80 мг/кг для близких к нейтральным и нейтральных (суглинистых и глинистых) почв.

Базовые составы растворов и электролитов

Существующая нормативно-техническая документация (НТД) определяет перечень состав растворов и электролитов, допустимых к применению на производстве для получения требуемого качества обработки поверхности и получаемых покрытий. Государственные и отраслевые стандарты имеют прямо ограничительный характер. Однако в научно-технической и патентной литературе постоянно появляются публикации с рекомендации с рекомендациями по применению новых электролитов, отличающихся от указанных в НТД как по своему составу, так и по свойствам получаемых покрытий. Это требует постоянной корректировки НТД. В конечном счете увеличивается номенклатура составов растворов, рекомендуемых в НТД, что зачастую не оправдано. Так, например, согласно ГОСТ 9.305-84 для нанесения блестящего никелевого покрытия рекомендовано 10 составов электролитов, из них 7 электролитов имеют практически одинаковую область применения и отличаются главным образом блескообразующими и выравнивающими добавками, перечень которых в научно-технической и патентной литературе значительно шире. Поэтому возникает справедливый вопрос об обоснованности сделанного предпочтения тому или иному составу, а также о необходимости расширения номенклатуры растворов и электролитов, рекомендуемых НТД к использованию. Проблема выбора постоянно обостряется не только для органов стандартизации, и в первую очередь для технологов. Поэтому представляется целесообразным не ограничить круг рекомендуемых электролитов, а определить перечень «базовых» составов растворов и электролитов, имеющих наиболее широкую область применения, наименее экологически опасных и наиболее технологичных. Естественно, предлагаемый перечень не препятствует применение других растворов и электролитов и может служить основой для дальнейшего совершенствования технологии гальванопроизводства.

Базовый состав раствора или электролита включает в себя основные компоненты и наиболее распространенные добавки, а также перечень других компонентов, позволяющих расширить область применения данного вида обработки (покрытия). Таким образом базовый состав может и не являться составом одного, конкретного раствора или электролита.

Базовый состав электролита никелирования (г/л):

Никель сернокислый 250-320

Никель хлористый 40-60

Кислота борная 25-40

1. Режим матового никелирования:

   1. Температура раствора 20-55°С.

   2. pH раствора 4,0-55.

   3. Катодная плотность тока 0,5-2,0 А/дм².

   4. Для повышения пластичности покрытия допускается снизить содержание сернокислого никеля до 200 г/л и ввести сернокислый магний 20-50 г/л.

   5. Допускается замена хлористого никеля на хлористый натрий 7-20 г/л.

2. Состав и режим блестящего никелирования:

   1. Дополнительно ввести

1,4-бутиндиол (в пересчете на 100%-ный) 0,15-0,3 г/л

сахарин 1,0-2,0 г/л

фталимид 0,08- 0,12 г/л

pH раствора 4,0-4,8, катодная плотность тока 3-6 А/дм².

2. Дополнительно ввести

1,4-бутиндиол (в пересчете на 100%-ный) 0,027-0,135 г/л

сахарин 0,3-2,0 г/л

блескообразователь НИБ-3 6-10 мл/л

блескообразователь НИБ-12 0,003-0,015 мл/л

pH раствора 3-5, катодная плотность тока 2-7 А/дм², норма расхода добавки Лимеда НИБ-3 составляет 12-17 мл/м², Лимеда НИБ-12 – 0,8-1,25 мл/м² при толщине покрытия 10 мкм.

3. Дополнительно ввести

сахарин 0,3-2,0 г/л

(или хлорамин Б 0,8-2,0 г/л

блескообразователь Лимеда НИБ-13 1,7-3,5 мл/л

pH раствора 3,5-5,5, катодная плотность тока 2-8 А/дм², норма расхода добавки Лимеда НИБ-13 составляет 20-25 мл/м² при толщине покрытия 10 мкм.

4. Дополнительно ввести

композиция ДХТИ-401 2-3 г/л

pH раствора 4,5-5,5, катодная плотность тока 2-10 А/дм², норма расхода добавки 10-30 г/м² при толщине покрытия 10 мкм.

5. Для нанесения покрытия «сил-никель» дополнительно ввести

1,4-бутиндиол (в пересчете на 100%-ный) 0,15-0,3 г/л

сахарин 1,0-2,0 г/л

фталимид 0,08- 0,12 г/л

коалин (размер частиц 0,1-3,0 мкм) до 3 г/л

pH раствора 3,0-4,0, катодная плотность тока 3-6 А/дм², фильтрацию электролита не производить.

1. Температура раствора 50-60°С.

2. Перемешивать раствор сжатым очищенным от пыли и масла воздухом со скоростью 0,01-0,02 м³/мин на 1 дм длины катодной штанги.

1. Фильтрация электролита непрерывная или периодическая.

2. Аноды помещать в чехлы из бязи и бельтинга (кроме электролита «сил-никель»).

3. При низких плотностях тока допускается отсутствие чехлов.

4. Соотношение анодной и катодной поверхностей от 3:1 до 2:1.

5. Периодически или непрерывно проводить селективную очистку электролита.

6. Неполадки при никелировании (таблица 1) [2].

Таблица 1

Характеристика	Причины неполадок	Способы устранения неполадок
Слабый блеск покрытия	Недостаток блескообразователя	Добавить блескообразователь
	Низкое pH	Повысить pH
	Низкая плотность тока	Повысить плотность тока
Хрупкий осадок	Высокое pH	Подкислить электролит
	Загрязнение железом	Селективно очистить электролит
	Органические загрязнения	Химически очистить электролит
	Избыток перекиси водорода	Прогреть электролит
	Высокая плотность тока	Снизить плотность тока
	Недостаток борной кислоты	Откорректировать концентрацию борной кислоты
	Плохая промывка перед никелированием	Улучшить промывку
	Избыток блескообразователя	Обработать активированным углем или проработать током
Питтинг	Органические загрязнения	Обработать активированным углем или перманганатом калия, откорректировать по добавкам
	Завышена плотность тока	Снизить плотность тока
	Низкое pH	Повысить pH
	Слабое перемешивание	Усилить перемешивание
	Низкая температура	Повысить температуру электролита
	Занижена концентрация смачивателя	Откорректировать концентрацию смачивателя
	Занижена концентрация борной кислоты	Откорректировать концентрацию борной кислоты
Расслаивание никеля при многослойном никелировании	Пассивация предварительно нанесенного никелевого слоя	Уменьшить межоперационный перерыв, проверить контакты
	Завышена концентрация бутиндиола	Произвести химическую очистку или разбавить электролит
Покрытие: полосчатое, шероховатое, с продольными трещинами и питтингом	Загрязнения: железо > 0,2 г/л	Добавить 0,5-1 мл/л 30-33 %-ной H2O2, подщелочить гидроокисью никеля до pH 6.0, осадок отфильтровать, довести pH до нормы
темно-серое, с пузырями	Кадмий, медь > 0,02 г/л	Провести селективную очистку при pH 2,5-3,0 и плотности тока 0,1-0,2 А/дм2 На гофрированных железных катодах до получения светлых покрытий. Довести pH до нормы и добавить блескообразователи
темное, полосчатое, растрескивающееся	Цинк > 0,01 г/л
Шелушащееся	Алюминий > 0,2 г/л
Шелушащееся, местами отсутствует	Хром > 0,05 г/л
Отслаивание покрытия от основы	Плохая подготовка перед никелированием	Повторить подготовительные операции
	Наличие свинца	Провести селективную очистку
Шероховатость осадков	Завышена плотность тока	Снизить плотность тока
	Механические загрязнения	Усилить фильтрацию
	Плохая промывка	Улучшить промывку
	Низкая концентрация никеля	Добавить соль никеля
	Занижена температура	Повысит температуру
Шелушение покрытия	Присутствие в электролите окислителей	Обработать электролит активированным углем и прокипятить
Низкая рассеивающая и кроющая способность электролита	Низкая электропроводность электролита	Добавить хлорид никеля
	Органические и неорганические загрязнения	Провести очистку электролита
	Плохие контакты	Проверить все контакты
	Мала площадь анодов	Увеличить площадь анодов
	Занижена плотность тока	Повысить плотность тока