Никелирование

НикелированиеНИКЕЛИРОВАНИЕ, технический процесс нанесения на поверхность металлов б. или м. тонкой пленки металлического никеля или никелевых сплавов; цель этого нанесения - уменьшить коррозию металла, увеличить твердость наружного слоя, повысить или изменить отражательную способность поверхности, сообщить ей более красивый вид. Полученное впервые Беттгером в 1842 г. и промышленно осуществленное в США с 1860 г., никелирование в настоящее время сделалось одним из наиболее широко усвоенных промышленностью способов покрытия металлов.

Существующие многочисленные способы никелирования могут быть подразделены на две главные группы: способы контактные и способы гальванотехнические; в настоящее время особенно часто прибегают к последним. Нанесение никелевой пленки применяется в отношении поверхностей различных металлов, причем в соответствии с характером никелирования их можно разделить на группы: 1) медные, латунные, бронзовые, цинковые, 2) железные, 3) оловянные, свинцовые и из сплавов типа британия-металла, 4) алюминиевые и из алюминиевых сплавов. Никелевые пленки представляют вполне удовлетворительную защиту железа от ржавления во внутренних помещениях.

Однако они недостаточны под открытым небом; кроме того на отполированные никелированные поверхности действуют горячие жиры, уксус, чай, горчица, вследствие чего столовая и кухонная никелированная посуда покрывается пятнами. В тех случаях когда требуется вполне надежная защита от воздействия непогоды и вместе с тем нарядный вид никелированной поверхности, на железо д. б. наложена двойная пленка - цинковая, а затем никелевая. Этот способ двойного покрытия (цинком, а затем никелем) применяется также в отношении т. н. корсетной стали. При необходимости получить особенно стойкие пленки, как например, на проволоках, откладывают одновременно никель и платину, причем содержание последней постепенно повышают от 25% до 100% и, наконец, прокаливают предмет в струе водорода при 900—1000°С. Крупные изделия, например, котлы для варки, барабаны центрифуг или вентиляторы, если по экономическим условиям не могут быть сделаны из чистого никеля, но недостаточно стойки при никелевой пленке по железу или меди, облицовываются слоем свинца в несколько мм, а по нему слоем никеля в 1—2 мм. Ржавление железных и стальных никелированных изделий объясняется присутствием электролита, остающегося в тонких порах никелевой пленки. Это явление устраняется, если изделия перед никелировкой выдержать в масле при 200°С, по охлаждении обезжирить, слабо омеднить, затем отникелировать в лимоннокислой никелевой ванне слабым током и наконец просушить в шкафу при 200°С; тогда влага удаляется из пор, которые закупориваются находящимся в них маслом.

Имеется ряд предложений накладывать двойные защитные пленки по литому железу, железным или стальным листам, проволокам и полосам в порядке обратном вышеуказанному, т. е. сначала покрывать изделия тонкой пленкой никеля контактным или электролитическим способом, а затем уже погружать в ванну с расплавленным цинком или оловом (Вивиен и Лефебр, 1860 г.). Предложено также добавлять некоторое количество никеля в сплав из 25—28 кг цинка, 47—49 кг свинца и 15 кг олова, служащий для покрытия железных листов горячим способом. Стойкость поверхностей алюминия и его сплавов против соли и морской воды м. б. достигнута гальваническим осаждением на них, после очистки их песчаною струей, последовательных слоев: никеля толщиною в 6 мкм, меди в 20 мкм и затем снова никеля в 50 мкм, после чего поверхность полируется. Стойкость алюминия против 15%- ной натровой щелочи достигается никелевой пленкой в 40 мкм толщиною. В некоторых случаях применяется покрытие не чистым никелем, а сплавом, например никелево-медным; для этого электролиз ведется в ванне, содержащей катионы в соотношении требуемого сплава; осажденная пленка затем переводится в сплав нагреванием изделия до краснокалильного жара.

Контактное никелирование. Стальные предметы, согласно указанию Ф. Штольба (1876 г.), после полировки и надлежащего обезжиривания кипятятся в ванне из 10—15%-ного водного раствора чистого хлористого цинка, к которому добавлено сернокислого никеля до образования зеленой мути от основной никелевой соли. Никелирование длится около 1ч. После этого предмет прополаскивается в воде с мелом, а ванна, после фильтрации и добавки никелевой соли, может применяться вновь. Получающаяся пленка никеля тонка, но держится прочно. Для повышения температуры ванны предложено или вести процесс под давлением (Ф. Штольба,. 1880 г.) или применять ванну с концентрированным раствором хлористого цинка. Во избежание ржавления предметов их выдерживают в течение 12 ч. в известковом молоке. Более сложная ванна для железных предметов, предварительно омедненных в ванне из 250 г сернокислой меди в 23 л воды с несколькими каплями серной кислоты, содержит 20 г винного камня, 10 г нашатыря, 5 г хлористого натрия, 20 г хлорного олова, 30 г сернокислого никеля и 50 г двойной сернокислой никелево-аммониевой соли.

Гальваническое никелирование. Обеднение никелевой ванны м. б. предупреждаемо достаточно легким растворением никелевых анодов. Вальцованные, и в особенности из чистого никеля, аноды растворяются трудно и потому при техническом никелировании пользуются в качестве анодов никелевыми брусками, содержащими до 10% железа. Однако такие аноды ведут к осаждению на предмете железа, а наличие железа в никелевой пленке влечет за собой целый ряд пороков никелирования. Как указано Калгане и Гаммоге (1908 г.), невозможно получить при анодах с железом осадок, вполне свободный от последнего. Но осадок никеля будет содержать уже только 0,10—0,14% железа, если в анодах содержание железа снижено до 7,5%; содержание железа в осадке можно еще уменьшить, заключая аноды в тканевые мешки, тогда как вращение электродов ведет к повышенному содержанию железа в осадке и к снижению его выхода. Присутствие железа в никелевой пленке ведет к отложению осадков с постепенно понижающимся содержанием железа и потому неоднородных в отношении механических свойств на различной глубине; К. Энгеман (1911 г.) считает эту неоднородность единственной причиной легкой отщепляемости никелевых пленок. Наличие железа м. б. причиною ряда других пороков никелирования (см. табл.), например, легкости ржавления пленок.

Порок Причина возникновения Мера борьбы
Осаждение никеля не происходит, газообразования нет Источник тока не работает Проверка и возобновление источника энергии
Провода приключены неправильно Переключение проводов
Ванна слишком холодна Нагрев ванны до температуры выше 15°С
Ванна слишком кисла Подливается водный раствор нашатырного спирта или водная взвесь углекислого никеля при непрерывном помешивании и частом испытании на конго-бумагу
Ванна содержит цинк Ванна делается щелочной посредством углекислого никеля, размешивается в течение нескольких часов, фильтруется и подкисляется 10%-ной серной кислотой
Неполное покрытие предмета никелевой пленкой Недостаточный ток Предметы подвешиваются на равных расстояниях от анодов, ванна подогревается не менее как до 20°С
Очень глубокие вогнутости поверхности предмета Устанавливаются небольшие вспомогательные аноды, вводимые в углубления предмета
Щелочность ванны Осторожное подкисление ванны 10%-ной серной кислотой при помешивании и постоянном испытании лакмусовой бумагой
Легкая отщепляемость белой или же желто-никелевой пленки при полировке Загрязненность поверхности предметов окислами и жиром Дополнительная очистка поверхности предметов
Слишком большое напряжение (выше 4 V) Увеличивают число никелируемых предметов или снижают напряжение до 2,5—3 V
Слишком большая кислотность ванны Нейтрализация нашатырным спиртом или водной взвесью углекислого никеля
Бедность ванны никелем Удаление части электролита и добавка никелевой соли, пока ванна не станет нормального зеленого цвета
Несоответственные вязкость и поверхностное натяжение ванны Добавка глицерина или амилового спирта, или растительных отваров, или других коллоидов
Выделение водородных ионов Добавка окислителей или поглотителей водорода; применение несимметричного переменного тока
Несоответственная подготовка поверхности предметов Сообщение поверхностям шероховатости, механически или химически, покрытие их тонким слоем никеля из горячего раствора хлористого никеля или холодного концентрированного раствора этило-сернокислого никеля
Отставание никелевой пленки или разрыв ее при изгибе и растяжении предметов Присутствие капиллярных прослоек электролита Просушка и нагрев предметов до 250—270°С
Недостаточная обрабатываемость листов, покрытых толстым слоем никеля Вероятно та же Промывка, просушка без доступа воздуха и наконец, нагрев до слабого краснокалильного жара
Поверхность в ямочках и пленка пронизана бесчисленными порами Пыль и частички волокон, плавающие в ванне Ванну кипятят, фильтруют и устанавливают в ней правильную реакцию
Образование газовых пузырьков Постукивание по токоведущему стержню. Пузырьки удаляют; устанавливают слабокислую реакцию
Грубость и неровность поверхности Выделение водорода Введение связывающего водород свободного хлора в газообразном виде временами пропускаемой струей или в водном растворе; с несколько меньшим успехом хлор м. б. заменен бромом; весьма рекомендуется добавление раствора хлористого кобальта
Недостаточная гибкость пленки Высокое сопротивление ванны Добавка соли натрия
Желтизна пленки; поверхность становится матовой, а затем получает желтый и тёмно-жёлтый цвет Наличие примесей железа в ванне, содержание которых повышается в старых ваннах Избегать старых ванн, не слишком двигать ванны, работать со слабыми токами
Чернота пленка, темные полосы в местах отставания при правильной плотности тока   Содержание в ванне посторонних металлов (до 1%) Удаление посторонних металлов

Недостаток проводящих солей

Добавление проводящих солей в количестве 2—3 кг на 100 л ванны: нашатырь, хлористый калий и хлористый натрий дают повышение проводимости на 84,31 и 18% соответственно
Бедность ванны солью никеля Добавка никелевой соли
Загар поверхности Слишком большая проводимость ванны из-за чрезмерной крепости ее Контроль концентрации ванны (например, постоянства плотности в 5° Вẻ) и плотности тока
Образование полос  Загрязнения, производимые полировальным кругом в небольших углублениях Устранение затруднительно; достигается до известной степени мгновенным погружением в котел со щелоком или механической протиркой предметов
Изменения концентрации и возникновение потоков жидкости Уменьшение плотности тока и повышение температуры ванны
Образование пятен Недостаточная очистка готовых отникелированных изделий Тщательная промывка в проточной воде изделий после никелирования, затем погружение в кипящую вполне чистую воду, отряхивание изделий и просушка в нагретых опилках
Непрочное приставание никелевой пленки к железу Наличие ржавчины Тщательное освобождение от ржавчины. Гальваническое нанесение промежуточного слоя из цианкалиевой ванны, после чего пленка утолщается в кислой ванне

Электролитическая ванна для никелирования составляется гл. образом из двойной никелево-аммониевой соли, причем для устранения основных солей добавляют слабые кислоты. Большая кислотность ванны ведет к более твердым пленкам. Необходимо иметь в виду, что технический никелевый купорос не пригоден для ванн, т. к. часто содержит медь; ее следует удалить пропусканием сероводорода через водный раствор купороса. Применяются также хлористые соли, но при сульфатных ваннах осадки тверже, белее и более стойки, чем при хлоридных. Высокое сопротивление никелевой ванны выгодно снижать добавкой различных проводящих солей - особенно нашатыря и хлористого натрия - и нагреванием. Нейтрализация избыточной серной кислоты в старых растворах успешно производится углекислым никелем, который получается из теплого водного раствора сернокислого никеля, осаждаемого содой. Для белизны и гладкости пленок сделано большое количество предложений добавлять к никелевой ванне различные органические кислоты (винную, лимонную и т. д.) и их соли, например, уксусно-, лимонно- и виннокислые соли щелочных и щелочноземельных металлов (Кейт, 1878 г.), пропионовокислый никель, борно-виннокислые соли щелочных металлов. При необходимости получить толстые никелевые осадки предложено добавление борной, бензойной, салициловой, галловой или пирогалловой кислот, и кроме того 10 капель серной, муравьиной, молочной кислоты на 1 л ванны, чтобы предупредить поляризацию на изделии. Как указал Пауелл (1881 г.), прибавка бензойной кислоты (31 г на ванну из 124 г сернокислого никеля и 93 г лимоннокислого никеля в 4,5 л воды) избавляет от необходимости пользоваться химически чистыми солями и кислотами. Осадок никеля имеет хорошие свойства также и при простой ванне из никелево-аммонийного сульфата, но при условии щелочности раствора, что достигается добавкой аммиака. Весьма хорошие осадки получаются из нейтрального раствора фтористо-борнокислого никеля при комнатной температуре (при температуре выше 35°С раствор разлагается с образованием нерастворимой основной соли) и плотности тока 1,1—1,65 А/дм2. Приводим несколько рецептов ванн. 1) 50 ч. бисульфита натрия, 4 ч. азотнокислого окисного никеля и 4 ч. концентрированного нашатырного спирта растворяют в 150 ч. воды. 2) 10—12 ч. сернокислого никеля, 4 ч. двойной никелево-аммониевой сернокислой соли, 1—3 ч. борной кислоты, 2 ч. хлористого магния, 0,2—0,3 ч. лимоннокислого аммония, доливается до 100 ч. (всего) воды. Ток плотностью 1,6 А/дм2 отлагает пленку со скоростью 2 мкм/ч.; повышая температуру до 70°С, можно снизить сопротивление ванны в два-три раза и тем ускорить никелирование. 3) Электролит из 72 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли, 8 г сернокислого никеля, 48 г борной кислоты и 1 л воды особенно благоприятен для мягкости и непористости осадка, т. к. снижает выделение водорода.

Получение никелевых пленок особого вида. 1) Белая пленка по цинку, олову, свинцу и британия-металлу получается в ванне из 20 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли и 20 г углекислого никеля, растворенных в 1 л кипящей воды, и нейтрализованной при 40°С уксусной кислотою; ванна должна поддерживаться нейтральной. 2) Матово-белая пленка получается в ванне из 60 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли, 15 г перекристаллизованного сернокислого никеля, 7,4 г нашатыря, 23 г хлористого натрия и 15 г борной кислоты на 1 л воды; ванна д. б концентрирована до 10° Вẻ; напряжение от 2 до 2,5 V. 3) Черная пленка получается на поверхностях, тщательно обезжиренных или покрытых тонким слоем белого никеля путем электролиза в ванне из 60 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли, 1,5 г роданистого аммония и около 1 г сернокислого цинка на 1 л воды 4) Черная пленка получается также в электролите из 9 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли в 1 л воды с последующей добавкой 22 г роданистого калия, 15 г углекислой меди и 15 г белого мышьяка, предварительно растворенного в углекислом аммонии; глубина черного тона вырастает с содержанием в растворе мышьяка. 5) Глубоко синяя пленка получается в ванне из равных частей двойной и простой сернокислых солей никеля, доведенной до 12° Bẻ, причем на литр добавляют 2 ч. аммиачного отвара лакричного корня; электролиз длится 1 час при 3,5 V, а затем еще 1/2 часа при 1,4 V. 6) Коричневая пленка получается так: электролиз при напряжении 0,75—1 V ведется в ванне из 180 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли и 60 г сернокислого никеля, растворенных в возможно малом количестве кипящей воды, добавленной до 50 см3 и смешанной затем с растворами 30 г сернокислого никеля и 60 г роданистого натрия, каждый в 0,5 л воды, после чего добавляют раствор до 4,5 л. Полученной пленке черного цвета придают коричневый оттенок, погружая изделие на несколько секунд в ванну из 100,6 г перхлората железа и 7,4 г соляной кислоты в 1 л воды: после промывки и просушки поверхность изделия для закрепления тона лакируют.

Никелирование алюминия и его сплавов. Предложено несколько процессов. 1) Подготовка поверхности алюминиевых изделий состоит в обезжиривании, затем очистке пемзой и наконец погружении в 3%-ный водный раствор цианистого калия; после электролиза в никелевой ванне изделия промываются холодной водой. 2) После промывки 2%-ным раствором цианистого калия изделия погружаются в раствор из 1 г хлористого железа (феррохлорид) на 0,5 л воды и технической соляной кислоты, пока поверхность не станет серебряно-белой, и затем никелируются в течение 5 мин. при напряжении 3 V. 3) Полировка изделий, удаление полировочного состава бензином, выдержка в течение нескольких минут в теплом водном растворе фосфорнокислого натрия, соды и смолы, промывка, погружение на короткое время в смесь из равных частей 66%-ной серной кислоты (содержащей несколько хлористого железа) и 38%-ной азотной кислоты, новая промывка и электролиз в ванне, содержащей никелевую соль, горькую соль и борную кислоту; напряжение 3—3,25 V. 4) По Ж. Канаку и Э. Тассилли: протравка изделия кипящей калиевой щелочью, чистка щеткой в известковом молоке, 0,2%-ная цианкалиевая ванна, ванна из 1 г железа в 500 г соляной кислоты и 500 г воды, промывка, никелирование в ванне из 1 л воды, 500 г хлористого никеля и 20 г борной кислоты при напряжении 2,5 V и плотности тока 1 А/дм2, наконец полировка матово-серого осадка. Железная ванна служит для огрубления поверхности алюминия и тем содействует прочности, с какою удерживается пленка на металле. 5) По Фишеру, ванна для никелирования составляется из 50 г сернокислого никеля и 30 г нашатыря в 1 л воды при плотности тока 0,1—0,15 А/дм2, за 2—3 часа получается толстый осадок, который обладает высоким блеском после полировки стеариновым маслом и венской известью. 6) Горячая ванна (60°С) составляется из 3400 г двойной никелево-аммониевой сернокислой соли, 1100 г сернокислого аммония и 135 г молочного сахара в 27 л воды. 7) Холодная ванна содержит азотнокислый никель, цианистый калий и фосфорнокислый аммоний.

Контроль никелевой пленки. Распознавание состава металлической пленки на предмете, по Л. Ловитону (1886 г.), может производиться посредством нагревания предмета в наружном пламени бунзеновской горелки: никелевая пленка синеет, получает черный отблеск и сохраняется невредимою; серебро не изменяется в пламени, но чернеет при обработке разбавленным раствором сернистого аммония; наконец оловянное покрытие быстро становится от серо-желтого до серого и исчезает при обработке указанным реагентом. Проверка качества никелевой пленки на железе и меди в отношении пор и изъянов может производиться при помощи т. н. ферроксилового испытания и с особым удобством при помощи ферроксиловой бумаги, покрытой гелем агар-агара с железисто-синеродистым калием и хлористым натрием. Наложенная в смоченном виде на испытуемую поверхность и по прошествии 3—5 мин. закрепленная в воде, эта бумага дает документальное изображение малейших пор, которое м. б. сохраняемо.

Регенерация никеля со старых изделий. Удаление никелевого покрытия с изделий из железа и других неамальгамируемых металлов производится следующими способами: а) парами ртути под вакуумом или под обыкновенным давлением; б) нагреванием обрезков с серой, после чего слой металла легко удаляется молотками; в) нагреванием обрезков с веществами, отдающими серу при высокой температуре) при внезапном охлаждении пленка никеля соскакивает; г) обработкой нагретой до 50—60°С серной или азотной кислотой; железо переходит в раствор, и никель остается почти нерастворенным; однако несмотря на свою простоту этот способ мало применим, т. к. полученный никель сохраняет еще значительное содержание железа, не удаляемое и при повторной обработке кислотою (Т. Флейтман); д) длительным нагреванием при доступе воздуха или водяного пара, после чего обрезки подвергаются механическим ударам и никель отскакивает; е) электролитическим растворением: железный покрываемый никелем предмет делают анодом в ванне, содержащей углекислый аммоний; если покрытие состоит из сплава никеля, то необходимо регулировать напряжение, причем при 0,5 V осаждается медь, а при напряжении большем 2 V - никель; при этом процессе железо не разъедается; ж) железные или стальные обрезки делают анодом в ванне из водного раствора натриевой селитры, тогда как катод состоит из угольной палки; напряжение не должно превосходить 20 V; з) с цинковых кружек никель удаляется электролизом предметов, сделанных анодом в 50°-ной серной кислоте; кислота этой концентрации обладает свойством растворять только никель, серебро и золото, но не другие металлы, если идет ток; напряжение применяется 2—5 V; в качестве катодов служат железные листы, на которых никель осаждается в виде пыли; цинк не растворяется, хотя бы кружки и оставались в электролите долгое время.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 14 - 1931 г.