CC BY
28
УДК 621.357.7
Шувалов Д.А., Архипов Е.А., Григорян Н.С., Жирухин. Д.А., Смирнов К.Н., Ваграмян Т.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ КАДМИЕВЫХ ПОКРЫТИЙ
Шувалов Дмитрий Александрович, студент 4 курса факультета инженерной химии, e-mail: dmitrishuvalov1996@gmail.com
Архипов Евгений Андреевич, аспирант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Жирухин Денис Александрович, аспирант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Смирнов Кирилл Николаевич, к.т.н, доцент кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов
Ваграмян Тигран Ашотович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, д. 9
Цель работы - поиск поверхностно-активных веществ в качестве добавок для сульфатно-аммонийного электролита кадмирования с целью улучшения качества получаемых кадмиевых покрытий. Также задачей исследования ставится оптимизация уже известного состава сульфатно-аммонийного электролита кадмирования (по ГОСТ) и улучшение его технологических характеристик. В результате исследования был разработан новый состав электролита кадмирования и определен его режим работы, позволяющий осаждать кадмий в широком диапазоне рабочих плотностей тока с высоким выходом по току. Разработанный электролит является техническим решением поставленной задачи в данной работе.
Ключевые слова: кадмий, кадмиевые покрытия, электролит кадмирования, кадмирование, блескообразующая добавка, поверхностно-активные вещества.
RESEARCH OF THE PROCESSES OF ELECTRODENSION OF CADMIUM COATINGS
Shuvalov D.A., Arhipov E.A., Grigoryan N.S., Zhiruhin D.A., Smimov K.N., Vagramyan Т. A., D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The aim of the study is to find out surfactants, that can be used as additives for the sulfate - ammonium electrolyte of cadmium plating in order to improve the quality of the resulting cadmium coatings. Also, the task of the study is to optimize the already known composition of the sulfate-ammonium electrolyte of cadmium plating (according to GOST) and improve its technological characteristics.
As a result of the study, a new composition of the electrolyte of cadmium plating was developed and its operating mode was determined, which allows to precipitate cadmium in a wide range of operating current densities with high current output. The developed electrolyte is a technical solution to the problem in this work.
Key word: cadmium, cadmium surfaces, the electrolyte of cadmium plating, cadmium plating, brightening agent, surface-active substances.
Основное назначение кадмиевых покрытий — зашита стали от коррозии в условиях морского климата. Кадмий по сравнению с цинком, обладает большей коррозионной стойкостью в средах, содержащих хлорид-ионы, и защитные кадмиевые покрытия до сих пор не нашли себе достойной замены и востребованы во многих стратегически важных отраслях промышленности.
Из электролитов кадмирования широкое распространение получил сульфатно--аммонийный электролит с трилоном Б, смачивателем и добавкой диспергатором НФ. Он позволяет осаждать гладкие светлые мелкокристаллические покрытия даже на сложнопрофилированные изделия, имеет хорошую кроющую способность, но имеет также и ряд недостатков: узкий диапазон рабочих плотностей тока, сложность состава, низкое качество вводимых добавок. Задача данной работы состояла в оптимизации состава сульфатно-аммонийного электролита и улучшении его технологических характеристик.
В качестве исходного электролита был выбран сульфатно-аммонийный электролит по ГОСТ 9.305-86, состав и технологические характеристики которого указаны в таблице 1.
Табл.1 Состав и технологические характеристики
электролита
Компоненты и режим работы
Кадмий сернокислый, г/л 40-60
Аммоний сернокислый, г/л 240-260
Препарат ОС-20, г/л 0,7-1,2 Диспергатор НФ технический (марка Б), г/л 50-100
Уротропин технический, г/л 15-20
Плотность тока, А/дм2 1,2-1,5
Температура, оС 25-30
рН 4-6
В процессе поиска поверхностно-активных веществ в качестве добавок для сульфатно-аммонийного электролита кадмирования было исследовано влияние веществ различной природы на внешний вид покрытий, полученных на ячейке Хулла. Было установлено положительное действие добавки ЦКН-05. При использовании данной добавки улучшается качество получаемых покрытий и значительно увеличивается диапазон рабочих плотностей тока сульфатно-аммонийного электролита.
ЦКН-05 представляет собой продукт конденсации гексаметилентетрамина с дихлорэтаном, относится к классу поликонденсационных гетероциклических четвертичных аминов. Введение в электролит ЦКН-05 улучшает качество осаждаемых покрытий, а именно увеличивает поляризацию катода и выполняет роль электрохимически активного выравнивающего агента.
Оптимальную концентрацию добавки подбирали с помощью тестирования электролита в ячейке Хулла. концентрация добавки ЦКН-05 ниже 7 мл/л в электролите приводит к резкому ухудшению кроющей способности. При увеличении концентрации ЦКН-05 до 15 мл/л качество покрытий, осаждаемых на пластинке, возрастало, в дальнейшем же качество покрытий не улучшалось и применять концентрацию выше 15 мл/л было нецелесообразно.
Тестирование показало, что добавка ЦКН-05 позволяет получать компактные полублестящие покрытия в широком диапазоне плотностей тока (0,055 А/дм2). При более высоких плотностях тока осаждается шероховатое покрытие с плохой адгезией, а при еще большем увеличении - порошкообразное.
Также с помощью теста Хулла были исследованы зависимости свойств покрытий от рН и температуры электролита и определены их оптимальные интервалы, при которых осаждается покрытие
удовлетворительного качества - рН=3-5 и 15-40оС.
По представленным характеристикам стоит отметить, что электролит работает в более широком температурном диапазоне, чем электролит по ГОСТ. Понижение температуры приводит к снижению рабочих плотностей тока. Повышение температуры выше допустимого предела приводит к образованию крупнокристаллического покрытия, т.е ухудшается его качество. Также отклонение от пределов рН приводит к ухудшению качества покрытия, как в случае понижения показателя, так и превышения.
После проведения поляризационных изменений были получены кривые, характеризующие влияние добавок на каждый из исследуемых электролитов, а также получены парциальные кривые осаждения кадмия в потенциодинамическом режиме.
В присутствии добавок увеличивается поляризация и поляризуемость электролитов. Однако электролит по ГОСТ имеет меньшую катодную поляризацию и поляризуемость, чем электролит с добавкой ЦКН-05. Разница в устройстве поляризационных кривых в электролитах без добавок с их наличием подтверждает эффективное действие подобранных поверхностно-активных веществ.
Были исследованы зависимости ВТ от плотности тока. При низких плотностях тока выхода по току в электролитах очень высоки (ВТ=100%).Однако, в электролите по ГОСТ ВТ резко снижается при плотностях тока превышающих рабочий предел. Связано это с образованием порошкообразного кадмиевого покрытия, обладающего плохой адгезией. В разрабатываемом электролите наблюдается более плавное снижение ВТ с увеличением плотности тока.
Показатель рассеивающей способности по металлу при =1 А/дм2 в электролите с добавкой ЦКН-05 несколько ниже, чес в электролите по ГОСТ.
Шероховатость покрытий, полученная из исследуемых электролитов, свидетельствует о том, добавка ЦКН-05 способствует равномерному росту кристаллов кадмия на покрываемом изделии. При малых плотностях тока в разрабатываемом электролите осадки кадмия более гладкие и мелкокристаллические, что доказывают показатель и поляризационные измерения.
На основе полученных результатов можно установить состав и режим работы электролита с ЦКН-05 (табл.2)
Табл.2 Состав и режим работы разработанного электролита
Компоненты и режим работы
Кадмий сернокислый, г/л 50
Аммоний сернокислый, г/л 250
ЦКН-05, мл/л 15
Плотность тока, А/дм2 0,05-5
Температура, оС 15-40
рН 3-5
Таким образом, была подобрана эффективная добавка ЦКН-05, при введении которой в электролит значительно увеличивается интервал рабочих плотностей тока (0,05-5 А/дм2) получения качественных покрытий. Определены оптимальные условия для работы сульфатно-аммонийного электролита кадмирования, определена оптимальная концентрация добавки ЦКН-05 (15 мл/л), установлен диапазон рабочих плотностей тока, что позволяет осаждать кадмий с высоким ВТ. Разработанный электролит кадмирования, позволяет получать компактные полублестящие покрытия в значительном интервале рабочих плотностей тока при значительном увеличении температурного предела.
Список литературы
1. Бурдина Е.И. Кинетика электроосаждения, структура и свойства металлорганических покрытий на основе меди, кадмия и никеля. - Ростов-на-Дону: Изд-во южного федерального университета, 2014. - 149с.
2. Гальванотехника для мастеров: Справ.изд. В ирбилис С. Пер. с польск; Под ред. А. Ф. Иванова. -М.: Металлургия, 1990. -208 с.
3. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. Т. I.; Под ред. А. А. Герасименко.—М.: Машиностроение, 1987. — 688 с.Ильин В.А.
4. Цинкование, кадмирование, оловянирование и свинцевание. Изд. 5-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние.1983. - 87 с. (Б-чка гальванотехника/Под ред. П.М.Вячеславова. Вып.2).
5. ГОСТ 9.305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий. - М. Изд. -стандартов, 1986. - 105 с.
6. Григорян Н.С., Абрашов А.А., Кулюшина Н.В., Ваграмян Т.А.. Защитные металлические и конверсионные покрытия. Лабораторный практикум: учеб. пособие .- М.:РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. 150
