Автореферат: Электроосаждение и свойства покрытий никелем и цинком из кислых лактатных электролитов

Повышение температуры электролита способствует смещению потенциала катода в положительную область потенциалов. Так, при плотности тока 0,5 А/дм² при увеличении температуры от 20 до 40 °С потенциал катода смещается в сторону менее отрицательных значений потенциала на 50-60 мВ.

Температурный коэффициент повышения скорости процесса, рассчитанный при потенциале -1200 мВ по уравнению (где i₁ и i₂ - плотности катодного тока выделения цинка при температуре t₁ = 20 и t₂ = 40 °С соответственно), равен 1,07 %. Это свидетельствует о диффузионных затруднениях процесса электроосаждения цинка из исследуемого электролита. Однако на потенциодинамических поляризационных кривых осаждения цинка предельный ток отсутствует за исключением поляризационной кривой, полученной при перемешивании, раствора.

Таким образом, на процесс осаждения цинка из лактатного электролита оказывают влияние температура, перемешивание раствора и концентрация цинка в электролите, но роль этих факторов на кинетику электроосаждения цинка не имеет решающего значения. Это позволяет сделать заключение, что стадия подвода электроактивной частицы, содержащей ион цинка, к поверхности катода не имеет существенного влияния.

Из предлагаемого электролита, содержащего сульфат цинка (на цинк) 5-20 г/л, молочную кислоту (80 %) 10-40 мл/л и рН 2-4 при катодной плот-ности тока 0,5-1,5 А/дм², осаждаемое покрытие цинком обладает мелкокрис-таллической структурой (рис. 6,а) с блочным ростом кристаллов (рис. 6,б).

а б

Рис. 6. Внешний вид цинкового покрытия: а - фотография (металлографический микроскоп) поверхности при увеличении Ч100; б - микрофотография поверхности размером 4Ч4 мкм, полученная на атомно-силовом микроскопе

Покрытия, полученные из данного электролита, хорошо подвергаются хроматированию в хромсодержащих растворах. При этом цинковое покрытие приобретает от желтовато-зеленого до золотисто-желтого с радужными оттенками цвет.

В таблице приведены значения переходного электросопротивления цинкового покрытия толщиной 5 мкм при диаметре контакта 3 мм, измеренные до и после климатических испытаний и после нанесения пассивной (радужной) пленки в растворе, содержащем (г/л): натрий бихромат 150-200, серную кислоту 8-12, в течение 0,1-0,3 мин при температуре 15-30 °С. Переходное электрическое сопротивление свежеосажденного покрытия цинком в 3 раза и в 2-10 раз меньше, чем у цинкового покрытия после климатических испытаний и нанесения хроматной пассивной пленки соответственно.

Таблица 1

Поскольку в данном растворе, как и других кислых электролитах цинкования, вследствие его химического растворения анодный выход по току больше 100 %, необходимо применять совместно растворимые цинковые и нерастворимые графитовые аноды.

Покрытие цинком обладает удовлетворительной паяемостью (коэффициент растекания припоя равен 70 %), достаточно высокой износостойкостью (2000 переключений при толщине покрытия 1 мкм), микротвердостью, равной 550 МПа, и коэффициентом трения 0,4.

На основании выполненных исследований для электроосаждения светлых полублестящих цинковых покрытий можно рекомендовать электролит следующего состава: сульфат цинка (на цинк) 5-12 г/л, молочная кислота (80 %) 10-40 мл/л, рН 2-4. При катодной плотности тока 0,5-1,5 А/дм² и комнатной температуре катодный выход по току равен 55-65 %, что соответствует скорости осаждения покрытия цинком 4-13 мкм/ч.

В приложении приведены технологические инструкции электроосаждения никеля и цинка из разработанных электролитов и акт внедрения процесса осаждения никеля.

Основные результаты и выводы

1. Разработан кислый разбавленный лактатный электролит для электроосаждения никеля следующего состава: сульфат никеля 0,13-0,26 моль/л, молочная кислота (40 %) 30-40 мл/л, хлорид натрия 0,35 моль/л и гидроксид натрия до рН 3,5-4,5. Установлено влияние режима осаждения на катодный и анодный выход по току никеля и внешний вид покрытия. Ровные, мелкокристаллические полублестящие покрытия никелем, прочно сцепленные с основой из стали или меди, осаждаются при катодной плотности тока 1-2 А/дм², анодной - 0,5-1,0 А/дм² и температуре 20-25 С. Катодный выход по току равен 85-92 %, анодный - 75-82 %. Скорость осаждения покрытия никелем при данных режимах электролиза равна 9,5-16 мкм/ч. Электролит для осаждения никеля защищен патентом Российской Федерации № 2354756 «Способ нанесения гальванических покрытий никелем».

2. На основании проведенных исследований высказано предположение, что наиболее медленными являются стадия присоединения электрона (или электронов) и стадия образования поверхностных малорастворимых соединений никеля, например его гидроксидов.

3. Покрытие никелем имеет ярко выраженную мелкокристаллическую зернистую структуру с невысокой микротвердостью, достаточно высокой износостойкостью, неплохой способностью к пайке при использовании кислотных флюсов и переходным сопротивлением, равным 0,063-0,040 Ом, которое практически не зависит от нагрузки на контакт.

4. Разработан малотоксичный электролит цинкования следующего состава: сульфат цинка (на цинк) 5-12 г/л, молочная кислота (80 %) 10-40 мл/л, рН 2-4. Установлено влияние режима осаждения на катодный выход по току цинка и внешний вид покрытия. Ровные, мелкокристаллические покрытия цинком, прочно сцепленные с основой из стали, осаждаются при катодной плотности тока 0,5-1,5 А/дм² и комнатной температуре, катодный выход по току при этом равен 55-65 %, что соответствует скорости осаждения покрытия цинком 4-13 мкм/ч. Электролит для осаждения цинка защищен патентом Российской Федерации № 2400570 «Способ нанесения гальванических покрытий цинком».

5. Показано, что при плотностях тока до 0,5 А/дм² при электроосаждении цинка между (1 - ВТ) и 1/i_к, имеется линейная зависимость .

6. Роль молочной кислоты в растворе цинкования сводится к увеличению буферной емкости раствора и к образованию комплексного соединения с цинком. Это приводит к повышению стабильности электролита во времени.

7. Покрытия цинком имеют мелкокристаллическую структуру с блочным ростом кристаллов, обладают удовлетворительной паяемостью, достаточно высокой износостойкостью, величиной микротвердости 550 МПа и коэффициентом трения 0,4. Покрытия хорошо пассивируются в хромсодержащих растворах.

8. На примере никелевого и цинкового покрытий показано, что переходное электрическое сопротивление покрытий может быть использовано для количественной характеристики изменения состояния поверхности.

9. Разработаны технологии электроосаждения никеля и цинка из предлагаемых электролитов. Технологический процесс электроосаждения никеля внедрен на ООО «Мета-Кузнецк».

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ягниченко, Н. В. Электроосаждение никеля из кислых сульфатных электролитов, содержащих молочную кислоту / Ю. П. Перелыгин, С. Ю. Киреев, В. В Липовский, А. Ю. Киреев, Н. В. Ягниченко // Гальванотехника и обработка поверхности. - 2008. - Т. XVI. - № 2. - С. 139-140.

2. Ягниченко, Н. В. Переходное сопротивление гальванических покрытий как «структурно-чувствительное свойство» / С. Ю. Киреев, Ю. П. Перелыгин, В. В. Липовский, Ю. Н. Кубенко, Н. В. Ягниченко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 1. - С. 134-145.

Публикации в других изданиях

3. Ягниченко, Н. В. Влияние состава электролита на качество никелевых покрытий / Н. В. Ягниченко // Актуальные проблемы наук в России: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Кузнецк, 2007. - Вып. IV. - Т. III. - С. 63-66.

4. Ягниченко, Н. В. Электроосаждение никеля из разбавленного электролита с добавкой молочной кислоты / С. В. Кабанов, И. Г. Кольчугина, Н. В. Ягниченко // Защитные и специальные покрытия и обработка поверхности в машиностроении и приборостроении: сб. ст. V Всерос. науч- практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2008. - С. 72-77.

5. Ягниченко, Н. В. Электроосаждение никеля из разбавленного лактатного электролита / Ю. П. Перелыгин, С. В. Кабанов, И. Г. Кольчугина, Н. В. Ягниченко // Покрытие и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентоспособность: сб. тез. докл. V Междунар. конф. - М., 2008. - С. 99-100.

6. Ягниченко, Н. В. Электроосаждение светлых полублестящих никелевых покрытий из разбавленного лактатного электролита // Надежность и качество: сб. ст. Междунар. симпозиума. - Пенза, 2008. - Т. 2. - С. 356- 357.

7. Ягниченко, Н. В. Влияние плотности тока на катодный выход по току металла / Ю. П. Перелыгин, А. Ю. Киреев, Н. В. Ягниченко // Покрытие и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентоспособность: сб. тез. докл. VI Междунар. конф. - М., 2009. - С. 95-96.

8. Ягниченко, Н. В. Исследование кинетических закономерностей электроосаждения никеля из разбавленного электролита, содержащего молочную кислоту / С. В. Кабанов, И. Г.Кольчугина, Н. В. Ягниченко // Деп. в ВИНИТИ № 38-В2009 от 22.06.2009.

9. Ягниченко, Н. В. Электроосаждение цинка из лактатного электролита / Ю. П. Перелыгин, С. Ю. Киреев, И. Г.Кольчугина, Н. В. Ягниченко // Защитные и специальные покрытия и обработка поверхности в машиностроении и приборостроении: сб. ст. VI Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 40-42.

10. Ягниченко, Н. В. Электрохимическое осаждение цинка и сплава олово-цинк из лактатных электролитов / С. Ю. Киреев, И. А. Аверин, Н. В. Ягниченко // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. XIII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 12-14.

11. Ягниченко, Н. В. Влияние плотности катодного тока на выход по току металла / Ю. П. Перелыгин, А. С. Мещеряков, Т. В. Зуева, Н. В. Ягниченко // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. XIII Междунар. науч.-прак. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 17-21.

12. Ягниченко, Н. В. О роли молочной кислоты при электроосаждении цинка / С. В. Кабанов, И. Г. Кольчугина, Н. В. Ягниченко, Е. Г. Трошкина // Деп. в ВИНИТИ № 21-В-2010 от 25.01.2010.

13. Пат. 2354756 Российская Федерация. Способ нанесения гальванического покрытия никелем / Перелыгин Ю. П., Киреев С. Ю., Ягниченко Н. В., Липовский В. В. - №. 2007142436/02; заявл. 16.11.2007; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

14. Пат. 2400570С Российская Федерация. Способ нанесения гальванического покрытия цинком / Киреев С. Ю., Перелыгин Ю. П., Ягниченко Н. В., Киреев Ю. И., Киреев Т.Н. - № 2009136608/02; заявл. 02.10.2009; опубл. 27.09.2010, Бюл. № 27.

15. Ягниченко, Н. В. Кинетические закономерности электроосаждения цинка из раствора, содержащего молочную кислоту / ю. п. Перелыгин, С. В. Кабанов, И. Г. Кольчугина, Н. В. Ягниченко // Защитные и специальные покрытия и обработка поверхности в Машиностроении и приборостроении: сб. ст. VII Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2010. - С. 69-73.

16. Ягниченко, Н. В. Физико-механические свойства цинкового покрытия, осажденного из лактатного электролита / ю. п. перелыгин, Н. В. Ягниченко, С. Ю. Киреев, И. А. Аверин // Покрытие и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентоспособность: сб. тез. докл. 8-й Междунар. конф. - М., 2011. - С. 54.