Angarsk, Irkutsk region, Russian Federation
Russian Federation
The influence of the structure of various groups of organic compounds on the physico-mechanical properties of the obtained nickel coatings is considered. It is shown that the physi-co-chemical properties of nickel coatings depend on the structure of organic additives intro-duced into the sulfate electrolyte of nickel plating
organic additives, sulfate electrolyte nickel plating, microhardness, porosity, gloss
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. Yampol'skiy, A.M. Kratkiy spravochnik gal'vanotehnika / A.M. Yam-pol'skiy, V. A. Il'in – L.: Mashinostroenie, 1981 – 269 s.
2. Svir', K.A. Vliyanie bleskoobrazuyuschih dobavok na fiziko-himicheskie svoystva nikelevyh pokrytiy // K.A. Svir', E.D. Osmanova, G.K. Burkat // Izve-stiya SPbGTI(TU) – 2017. – T.41. – S. 44-49.
3. Dasoyan, M.A. Tehnologiya elek-trohimicheskih pokrytiy. / M.A. Dasoyan, I.Ya Pal'mskaya, E.V. Saharova – L.: Mashinostroenie, 1989. – 391 s. – ISBN 5-217-00381-2
4. Grilihes, S.Ya. Elektrolitiche-skie i himicheskie pokrytiya. Teoriya i praktika / S.Ya. Grilihes, K.I. Tihonov. – L.: Himiya, 1990. – 288 s. il. – ISBN: 5-7245-05339.
5. Mamaev, V.I. Nikelirovanie / V.I. Mamaev, V.N. Kudryavcev. – M.: RHTU im. D.I. Mendeleeva, 2014. – 192 s. – il., tabl.; 21. – ISBN 978-7237-1150-1.
6. Sosnovskaya, N.G. Strukturnyy podhod k razrabotke bleskoobrazuyuschih dobavok v elektrolit nikelirovaniya / N.G. Sosnovskaya, N.V. Istomina, V.A. Grabel'-nyh, I.N. Bogdanova, I.B. Rozencveyg, N.A. Korchevin // Sovremennye elektrohimiche-skie tehnologii i oborudovanie: materi-aly Mezhdunar. nauch.-tehn. konf., Minsk, 15–19 maya 2023 g. / Belorus. gos. tehnol. un-t. – Minsk: BGTU, 2023. – S.180-183.
7. Istomina, N.V. Blestyaschee ni-kelirovanie: problemy i perspektivy / N.V. Istomina, N.G. Sosnovskaya, A.O. Po-lyakova // Vestnik Angarskoy gos. teh. aka-demii. – 2014. – № 8. – S. 77-80.
8. Berezin, N.B. Razvitie teorii bleskoobrazovaniya / N.B. Berezin, Zh.V. Mezhevich // Vestnik tehnologicheskogo universiteta. – 2016. – T.19, № 9. – S. 60-63.
9. Ivanova, A.O. Ispol'zovanie dobavok izotiuronievyh soley v tehnologii blestyaschego elektrohimicheskogo nikelirovaniya / A.O. Ivanova, N.G. Sosnovskaya, V.S. Nikonova, E.P. Levanova, S.I. Popov // Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotehnologiya. – 2017. – T.7, №4. – S. 136-141.
10. Sosnovskaya, N.G. Elektroosazhdenie blestyaschih nikelevyh pokrytiy iz sul'fatnogo elektrolita v prisutstvii izotiuronievyh soley / N. G. Sosnovskaya, N. V. Istomina, L. M. Sinegovskaya, I. B. Rozencveyg, N.A. Korchevin // Gal'vanotehnika i obrabotka poverhnosti. – 2019. – T.27, № 4. - S. 4-11.
