CC BY
61
УДК 621.357.7
О.Ю. Петрушова, Т.Е. Цупак
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Миусская пл., д. 9, Кафедра ТЭП, e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СУЛЬФАТНО-ГЛИЦИНАТНО-ХЛОРИДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА NI-P
Рассмотрено влияние концентраций сульфата никеля, хлорид-иона, органических добавок сахарина и лаурилсульфата натрия на выход по току и содержание фосфора в сплаве. Исследовано влияние перемешивания на процесс электроосаждения сплава никель-фосфор: выход по току, состав сплава, микротвёрдость.
Ключевые слова: электроосаждение, сплав никель-фосфор, глицин, состав сплава, выход по току, микротвёрдость
Введение
В ранее опубликованных наших работах по электроосаждению сплава из сульфатно-
глицинатно-хлоридного электролита [1-3] проведены исследования по влиянию концентраций глицина [1-3], гипофосфита натрия [1-3] и рН электролита [3] на выход по току и состав сплава. В исследованном электролите аминокислота - глицин (HGly) помимо комплексообразующих свойств проявляет высокие буферирующие свойства, как это показано при никелировании [4].
Влияние перемешивания на процесс электроосаждения сплава никель-фосфор слабо освещено в имеющейся литературе. Авербух М.Е. и Вахидов Р.С. [5,6] указывают на положительное влияние активизации гидродинамического режима, которое способствует выравниванию состава раствора по объему, препятствуя повышению рН прикатодной зоны, и снижению выхода по току сплава при его одновременном обогащении фосфором.
Влияние содержания соли металла на процесс электроосаждения сплава из электролита с HзBOз рассмотрено лишь в отдельных работах [5,6]. В них показано, что в разбавленных по никелю растворах (менее 0,3 моль/л) повышение содержания ионов никеля вызывает резкое возрастание выхода по току сплава и снижение выхода по току водорода, а также обогащение сплава неметаллом. При увеличении концентрации соли металла выше указанного значения отмечается его незначительное влияние на рассматриваемые параметры. Методики исследования
Электроосаждение сплава никель-фосфор производили из сульфатно-хлоридных
электролитов с добавкой аминоуксусной кислоты.
Концентрацию сульфата никеля NiSO4•7H2O варьировали от 0,3М до 0,7М, соляной кислоты
HCl - от 0,05М до 0,1М. Концентрация аминоуксусной кислоты NH2CH2COOH составляла 0,2М, гипофосфита натрия NaH2PO2^O - 0,05М. Также в электролиты вводили добавки лаурилсульфата натрия (SLS) -0,05-0,1 г/л и сахарина - 2г/л. Значение рН электролитов повышали основным карбонатом никеля до 2,3. Измерения pH проводили с помощью рН метра «pH-METER-pH410». Температура раствора во время электролиза поддерживалась 50±1 0С с помощью термостата «LABTEX» LT-TWC/11. Перешивание раствора осуществляли микрокомпрессором ВК-1 и магнитной мешалкой ММ-3М. Сплав осаждали на катоды из меди (М-1) и углеродистой стали (08кп0М). Электролиз проводили при плотностях тока 2-10 А/дм2.
Катодный выход по току исследовали гравиметрически с использованием электронных весов «HTR-80CE». Содержание фосфора в сплаве Ni-P определяли фотометрическим методом с построением градуировочного графика на фотоколориметре «Экотест 2020».
Микротвердость измеряли до и после термообработки на микротвердомере по Виккерсу «HVS-1000» при нагрузке 100г (5спл 24 мкм).
Термообработку покрытий сплавом Ni-P проводили в электропечи СНОЛ-3/11-И2 в воздушной среде при 4000С в течение 1ч с шагом нагрева 50С/мин. Результаты исследования
В процессе электроосаждения сплава Ni-P происходит увеличение концентрации никеля в электролите, так как анодный выход по току превышает катодный. Поэтому было исследовано влияние концентрации ионов никеля в электролите на выход по току и состав
Рис. 1. Зависимость выхода по току сплава никель-фосфор от катодной плотности тока и концентрации М2+, М: 1 - 0,3; 2, 4 - 0,5; 3 - 0,7. Концентрация СГ,М: 1-3 - 0,1, 4 (пунктир) - 0,05
сплава никель-фосфор. Показано (рис. 1, кр. 2, 3), что с повышением концентрации никеля от 0,5М до 0,7М выход по току сплава практически не изменяется. При понижении концентрации соли никеля от 0,5 М до 0,3 М (рис. 1, кр. 1, 2), выход по току падает, качество катодных осадков ухудшается и допустимая плотность тока снижается до 7А/дм2.
Также было исследовано влияние концентрации хлорид-ионов на электроосаждение сплава никель-фосфор. Показано, что при снижении ) от 0,1 М до 0,05М происходит незначительное уменьшение выхода по току при плотностях тока 7-10 А/дм2 (рис. 1, кр. 4).
При перемешивании раствора (№2+ 0,5М; И 0,1 М; NH2CH2COOH 0,2 М; NaH2PO2•H2O - 0,05 М) воздушным способом или магнитной мешалкой происходит значительное снижение выхода по току, особенно при плотности тока 2 А/дм2 (рис. 2).
Состав сплава никель-фосфор (рис. 3) при варьировании концентрации соли никеля изменялся от 1,3 до 6,1 мас. %. Наиболее яркая зависимость состава сплава наблюдается при плотности тока 2 А/дм2. При плотностях тока 5-10А/дм2 изменение состава сплава незначительно.
Рис. 2. Зависимость выхода по току сплава никель-фосфор от катодной плотности тока: 1 - без перемешивания; 2 - перемешивание мешалкой ММ-3М; 3 - воздушное перемешивание микрокомпрессором ВК-1
Содержание фосфора в покрытии №-?, осажденном при перемешивании, значительно возрастает (рис. 4). Полученные результаты по влиянию перемешивания на выход по току и состав сплава качественно согласуются с данными, приведёнными в [9-11].
Было исследовано влияние органических добавок сахарина и лаурилсульфата натрия на покрытия сплавом никель-фосфор. Показано, что добавки в значительной степени не влияют на выход по току, разница 1-2% при плотностях тока 5-10А/дм2. Содержание фосфора же при введении добавок значительно снижается, примерно одинаково при всех плотностях тока (табл. 1).
Микротвердость покрытий (табл. 1), осажденных из электролита с перемешиванием ниже, чем из электролита без перемешивания, хотя содержание фосфора в покрытии выше. При осаждении на сталь покрытие при плотности тока 5 А/дм2 отслаивалось, поэтому вводили сахарин 2г/л, что привело к значительному улучшению качества покрытий №-?. При всех параметрах электроосаждения наибольшая микротвёрдость отмечена у покрытий, осажденных при плотности тока 7А/дм2
4 6 ^ A/дм2
10
12
4*
1
4 6 ^ A/дм2
12
Рис. 3 Зависимость состава сплава никель-фосфор от катодной плотности тока и концентрации М2+, М: 1 - 0,3; 2 - 0,5; 3 - 0,7
Рис. 4. Зависимость состава сплава никель-фосфор от катодной плотности тока: 1 - без перемешивания с добавками и сахарина; 2 - перемешивание мешалкой ММ-3М; 3 - воздушное перемешивание микрокомпрессором ВК-1; 4 - без перемешивания без добавок и сахарина
Таблица 1. Микротвёрдость покрытий сплавом Ni-P (Состав электролита: NiSO4-7H2O - 0,5М, HCl - 0,1М, NH2CH2COOH - 0,2М, NaH2PO2 H2O - 0,05М)_ _
ik, А/дм2 Электролит с воздушным перемешиванием Электролит без перемешивания с добавками SLS и сахарина
wp, мас.% wp, ат.% Без т/о, ГПа После т/о, ГПа wp, мас.% wp, ат.% Без т/о, ГПа После т/о, ГПа
2 - - - - 4,7 8,4 4,9 7,7
5 5,9 10,6 5,5 6,9 2,5 4,6 6,2 8,2
7 4,6 8,2 6,2 7,2 2,1 3,6 6,8 8,4
10 3,8 6,7 5,9 6,5 1,7 2,9 6,5 8,2
Выводы:
Повышение концентрации никеля от 0,5 М до 0,7М мало влияет на выход по току и состав сплава.
Все виды перемешивания приводят к значительному увеличению содержания фосфора в сплаве, особенно при повышенных плотностях
тока, а также к снижению выхода по току сплава. Это можно объяснить диффузионными ограничениями по фосфорсодержащему компоненту.
Повышение концентрации хлорид-иона приводит к незначительному увеличению выхода сплава по току при повышенных плотностях тока.
Петрушова Ольга Юрьевна аспирант кафедры Технологии Электрохимических Процессов, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Цупак Татьяна Евгеньевна д.т.н., профессор кафедры ТЭП, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Петрушова О.Ю., Шеламова С.В., Цупак Т.Е. Электроосаждение никеля и сплава никель-фосфор из сульфатно-хлоридных электролитов, содержащих аминоуксусную кислоту // VIII международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2012». М: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. Т. XXVI. С.121-125.
2. Петрушова О.Ю., Пузакова Т.В., Цупак Т.Е. Разработка электролита для электроосаждения сплава никель-фосфор с добавкой аминоуксусной кислоты // Материалы IX Международного Конгресса молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2013». М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. Т. XXVII. №7. С. 44-51.
3. Петрушова О.Ю., Цупак Т.Е. Электроосаждение сплава никель-фосфор из сульфатно-глицинатно-хлоридных электролитов // Гальванотехника и обработка поверхности. 2014. Т.XXII. №1. С. 16-23.
4. Кудрявцев Н.Т., Цупак Т.Е., Пшилусски Я.Б. // Защита металлов. 1967. Т.3. № 4. С.447.
5. Вахидов Р.С. Электроосаждение некоторых металлофосфорных сплавов: дисс. ...д-ра хим. наук: 02.00.04. М., 1974. 41с.
6. Авербух М.Е., Вахидов Р.С. Электроосаждение никель-фосфорных сплавов из электролитов с различным соотношением компонентов//Электрохимия.- 1976, Т.12, №3.- С.397-400.
Olga Yur 'evna Petrushova, Та 'yana Evgen 'evna Tsupak
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
EFFECT OF SULFATE-GLYCINATE-CHLORIDE ELECTROLYTE COMPOSITION AND ELECTROLYSIS CONDITIONS ON THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF NI-P ALLOY
Abstract
Effect of nickel sulfate, chloride ion concentrations and organic additives (saccharin and SLS) on the current efficiency and the phosphorus content has been studied. Effect of Mechanical Electrolyte Mixing on the electrodeposition of nickel-phosphorous alloy: current efficiency, alloy composition, microhardness has been investigated.
Key words: electrodeposition; nickel-phosphorus alloy; glycine: chemical alloy composition; current efficiency, microhardness.
