CC BY
10
УДК 620.193.47
Осетров А.Ю., Зарапина И.В., Лужнова Д.А.
Исследование защитной эффективности никелевых покрытий на стали
Осетров Александр Юрьевич - к.х.н., доцент кафедры; ksanset@list.ru Зарапина Ирина Вячеславовна - к.х.н., доцент кафедры; Лужнова Дарья Андреевна - магистрант,
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», Россия, Тамбов, 392000, ул. Советская, д. 106/5, помещение 2.
В статье описан процесс нанесения никелевого покрытия на мелкие стальные детали, подобраны оптимальные параметры и состав электролита с добавлением коллоидного графита. Определены такие показатели полученного покрытия, как толщина и пористость. Установлено, что скорость коррозии на образцах с покрытием в 2,5 раза ниже, чем на образцах без покрытия, и защитный эффект составляет 69%. Ключевые слова: никелевое покрытие, скорость коррозии, защитный эффект.
Investigation of the protective effectiveness of nickel coatings on steel
Osetrov A.Yu., Zarapina I.V., Luzhnova D.A.
Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation
The article describes the process of applying a nickel coating to small steel parts, taking into account the optimal parameters and composition of the electrolyte with the addition of colloidal graphite. Such indicators of the obtained coating as thickness and porosity are determined. It has been established that the rate of obtaining samples with a coating is 2.5 times lower than on samples without coatings, and the protective effect is 69%. Key words: nickel plating, corrosion rate, protective effect.
Введение
Металлы и их сплавы являются важными современными конструкционными материалами, среди которых особенно популярны чугуны и стали разных марок за счёт их относительной дешевизны, но и они не лишены недостатков. Железосодержащие сплавы подвержены разрушению в определённых средах, что делает их защиту от коррозии актуальной проблемой.
Один из способов решения указанной проблемы -нанесение металлических покрытий [1-3].
Металлические покрытия получают нескольким способами: электроосаждением (гальванический способ), металлизацией (покрытие расплавленным металлом), путем погружения в горячий металл (горячий способ), термодиффузионным насыщением поверхностного слоя, плакированием, методом вакуумной конденсации, химическим, контактным и т.д.
По способу защиты металлические покрытия делятся на катодные и анодные. В обычных условиях катодные покрытия обеспечивают механическую защиту, изолируя основной металл от агрессивной среды, поэтому основное требование к катодным покрытиям - беспористость. Анодные покрытия защищают металл изделия главным образом электрохимически. В месте взаимодействия металл покрытия становится анодом и подвергается коррозии, а участки основного металла играют роль катодов и не разрушаются, до тех пор, пока сохраняется контакт покрытия с защищаемым металлом и через систему пропускается достаточный ток. Поэтому степень пористости анодных покрытий не играет почти никакой роли.
В связи с тем, что мелкие детали часто очень тяжело индивидуально закрепить на различные приспособления при нанесении гальванического покрытия, для электроосаждения на мелкие детали чаще всего применяют ванны барабанного и колокольного типа. Детали загружаются насыпью (навалом). Благодаря постоянному перемешиванию обрабатываемых деталей покрытие распределяется равномерно по всей их поверхности. Для того чтобы осуществить процесс электрохимического осаждения металла, покрываемые детали должны пройти предварительную подготовку (обезжиривание, травление, активацию и т.д.), после чего они закрепляются на специальные приспособления и погружаются в раствор электролита, содержащий ионы наносимого металла. Затем детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока, делая их катодом. В качестве анодов применяют пластины из наносимого металла, которые в ходе процесса электролиза растворяются, компенсируя тем самым убыль ионов наносимого металла из раствора. При пропускании через электролит постоянного электрического тока на катодах (покрываемых деталях) происходит разряд катионов и осаждение металла.
Увеличение износостойкости покрытий достигается путем введения специальных добавок [4,
5].
Цель работы заключается в исследовании защитной эффективности никелевых покрытий на мелких деталях, изготовленных из стали Ст20, полученных в присутствии коллоидного графита.
Для ее достижения были поставлены и решены следующие задачи:
1. Подбор состава электролита и оптимальных условий для получения гальванических покрытий из никеля.
2. Подбор оптимальных параметров для проведения процесса формирования никелевого покрытия на защищаемой поверхности в присутствии коллоидного графита.
3. Проведение оценки механических и физико-химических параметров никелевого покрытия, полученного электрохимическим способом в присутствии суспензии коллоидного графита.
Экспериментальная часть
Была собрана установка для нанесения гальванического покрытия из никеля на мелкие детали насыпью (рис. 1). Установка включает в себя электролизер из акрилового стекла толщиной 5 мм, в который помещается вращающийся каркас, обтянутый мелкой латунной сеткой и подключен к отрицательному источнику постоянного тока. Растворимыми анодами служат металлические пластинки из никеля. Особенностью установки является возможность управлять технологическими параметрами процесса никелирования. Блок управления позволяет менять скорость вращения катода, регулировать длительность проведения процесса. Сам электролизер помещается в термостат, благодаря чему есть возможность проводить процесс при различной температуре.
Рис.1. Схема установки для никелироавания: ПП -
подготовка поверхности; ЭЛ - электролизер; ПС - промывка и сушка; ИПТ- источник постоянного тока; БУ - блок управления.
Исследования проводились на образцах стали марки Ст20, которые представляют собой плоские шайбы с внешним диаметром 2,38 см с общей площадью защищаемой поверхности 10 см2.
Рабочий раствор электролита готовили методом последовательного добавления Н3ВО3 (35 г/л), №2804 (70 г/л) и N1804 (120 г/л) при температуре 7075° С. Последним добавляется NaCl (40 г/л), но уже при комнатной температуре. Значение рН составляет 5,5. В ходе выполнения работы было произведено покрытие четырех партий деталей - в электролите никелирования без добавок, в электролите с содержанием суспензии коллоидного графита с массовым содержанием, равным 0,1, 1,0 и 10,0 масс.%.
Получение суспензии коллоидного графита проводились путем электрохимической эксфолиации материала электродов, изготовленных из электроконтактного графитового материала.
Частота вращения барабана была равна 28 об/мин, время испытания 40 мин. Плотность тока был выбрана с учётом площади всех деталей, умноженной на площадь той части барабана, что опущена в электролит и составила 1,5 А/дм2. Температура раствора электролита 20 °С.
Качество сцепления покрытия с основным металлом проводили согласно ГОСТ 9.302-88. На поверхность контролируемого покрытия острием (твердость материала острия должна быть выше твердости покрытия) нанесли не менее трех параллельных рисок с расстоянием между ними от 2 до 3 мм и перпендикулярно к ним не менее трех параллельных рисок. Риски нанесли в одном направлении острием, установленным под углом 30°, глубиной до основного металла. Отслаивания покрытия между линиями и в сетке квадратов не наблюдалось. Все образцы показали хорошую адгезию, различий между качеством сцепления на образцах не выявлено.
Толщину покрытия оценивали методом капли. Образцы обезжирили этиловым спиртом, затем на поверхность покрытия нанесли каплю раствора (хлорид железа (III) с концентрацией 300 г/л, сульфат меди с концентрацией 100 г/л) и выдерживали в течение 30 секунд. Затем каплю насухо удалили фильтровальной бумагой. После на то же место нанесли следующую каплю и процедуру повторяют до появления розового пятна. Толщина покрытия в микрометрах вычисляется по следующей формуле:
H = Hk(n - 0,5)
где Hk - толщина покрытия, снимаемая одной каплей раствора за определенное время, мкм (для никелевого покрытия и температуре воздуха 20 °С равно 0,69 мкм),
n - количество капель, израсходованное на растворение покрытия.
Средняя толщина покрытия, осадившегося за 40 мин на деталь, составила 9 мкм. Различия толщин покрытий в присутствии коллоидного графита и без него не наблюдалось.
Пористость покрытия определяли методом погружения. Предварительно образцы обезжиривали этиловым спиртом, поверхность никеля активировали в растворе соляной кислоты, затем детали промыли дистиллированной водой и высушили. После детали погрузили в раствор 32 (гексацианоферрат калия - 3 г/л, хлорид натрия - 10 г/л) и выдержали в нём в течение 5 мин. На контролируемой поверхности подсчитали число синих точек, соответствующих числу пор. Оно составило в среднем 130 на 10 см2 для образцов, полученных в рабочем растворе никелирования и 80 на см2 в присутствии 10 масс.%. При меньшем содержании графита. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что добавление в электролит никелирования суспензии коллоидного нанографита снижает пористость покрытия в 1,5 раза.
Коррозионные испытания проводились гравиметрическим способом в 3%-ном растворе хлорида натрия.
Скорость коррозии рассчитывалась по следующей формуле:
К = (то - т1)/5т, где то - масса образца до проведения коррозионных испытаний,
т1 - масса образца после проведения коррозионных испытаний,
5 - площадь испытуемой детали, т - время проведения коррозионных испытаний, 7
сут.
Защитный эффект покрытия X определялся из разницы между скоростями коррозии образца с покрытием и без покрытия по формуле:
X = (Кб.п. - Кс.п.)100%/ Кб.п., где Кб.п. - скорость коррозии образца без покрытия,
Кс.п. - скорость коррозии образца с покрытием. Величина скорости коррозии и защитный эффект представлены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость скорости коррозии и защитного эффекта от содержания графита
Концентрация Скорость Защитный эффект, %
суспензии коллоидного графита, масс.% коррозии, г/(м2-ч)
- 0,16752 -
0,1 0,06299 67
1,0 0,06432 69
10,0 0,06499 68
Заключение
Было установлено, что скорость коррозии на образцах с покрытием в 2,5 раза ниже, чем на образцах без покрытия и защитный эффект составляет 69 %.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что оптимальное содержание суспензии
коллоидного графита находится в интервале от 1,0 до 10,0 масс.%.
Если говорить о механизме вышеописанных явлений, то можно сделать предположение о том, что введение суспензии коллоидного графита влияет на кинетику роста кристаллических центров, т.е. полученное покрытие состоит из мелких плотноупакованных кристаллов, благодаря чему и скорость коррозии, и пористость покрытия значительно снижаются.
Список литературы
1. Функциональная гальванотехника: учебное пособие/ В. И. Мамаев. - Киров: ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2013. - 208 с.
2. Некоторые вопросы нанесения защитных никелевых покрытий /А.А. Рыбина, П.А. Чеботарев, А.Ю. Осетров, И.В. Зарапина // «Актуальные вопросы электрохимии, экологии и защиты от коррозии», посвященная памяти профессора, заслуженного деятеля науки и техники РФ В.И. Вигдоровича: материалы II-ой Международной конференции 27-29 октября 2021 года. - Тамбов, Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2021. - С. 226-230 (364 с).
3. Определение оптимальной величины плотности тока при нанесении никелевых покрытий /А.А. Рыбина, П.А. Чеботарев, А.Ю. Осетров, И.В. Зарапина // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: материалы XIII Международной научно-инновационной молодежной конференции; ФГБОУ ВО «ТГТУ», 11-12 ноября 2021 г. - Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2021. - С. 175 - 177. (208 с.)
4. Кругликов С.С., Волков В.А. Включения серы в никелевые покрытия // Электрохимия. - 1970. - Т.4, №7. - С. 1033-1036.
5. Никелевые покрытия с высокодисперсной фазой технического углерода // Р.Е. Фомина, Г.Г. Мингазова, С.В. Водопьянова и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т. 16, №21. - С. 306-308.
