CC BY
290
УДК 621.357.504
Л. В. Наумов
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ СПЛАВА КОБАЛЬТ-НИКЕЛЬ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЭЛЕКТРОЛИЗА
Аннотация. Рассматривается электроосаждение сплава кобальт-никель при вибрации катода в магнитном поле, а также из электролита после магнитогидродинамической активации. Получены технологические и кинетические закономерности осаждения сплава, а также исследованы физико-механические свойства покрытий. Показано, что данные методы электролиза позволяют существенно повысить микротвердость и износостойкость получаемых покрытий, а также скорость электроосаждения.
Ключевые слова: электроосаждение, сплав, электролит, катод, технологические закономерности, кинетические закономерности, магнитогидродинамическая активация.
L. V. Naumov
REGULARITIES OF COBALT-NICKEL ALLOY ELECTRODEPOSITING IN VARIOUS MODES OF ELECTROLYSIS
Abstract. The article considers electrodeposition of cobalt-nickel alloy under cathode vibration in a magnetic field, and also from electrolyte after magnetohydrody-namic activation. The author obtains technological and kinetic regularities of alloy deposition and investigates physical and mechanical properties of platings. The given methods of electrolysis allow to substantially increase microhardness and wear resistance of the platings as well as the rate of electrodeposition.
Key words: electrodeposition, alloy, electrolyte, cathode, technological regularities, kinetic regularities, magnetohydrodynamic activation.
Введение
Сплав кобальт-никель благодаря высокой твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, а также специальным магнитным свойствам широко применяется во многих отраслях промышленности: радиоэлектронике - в качестве магнитотвердого материала, машиностроении - для изготовления деталей пресс-форм и т.д.
В настоящее время разработано значительное количество электролитов для получения покрытий сплавом кобальт-никель, однако большинство электролитов по ряду технологических показателей (рабочая плотность тока, выход по току, рассеивающая способность, физико-механические свойства получаемых покрытий и др.) не соответствуют современным требованиям гальванического производства.
Для повышения производительности процесса и улучшения качества покрытий в гальваническом производстве применяют механическое перемешивание электролита. Однако при таком способе скорость движения ионов у поверхности катода по законам гидродинамики стремится к нулю, что приво-
дит к незначительному снижению диффузионных ограничений, т.е. эффективность такого перемешивания незначительна. Для достижения высокой эффективности перемешивания электролита вблизи катода предлагается использовать вибрацию катода и наложение на электролит магнитного поля.
В связи с этим наибольший интерес представляют методы получения покрытий при вибрации катода, наложении на электролит магнитного поля, а также из электролита после магнитогидродинамической активации. Применение таких методов позволяет повысить скорость осаждения за счет увеличения рабочей плотности тока, а также существенно улучшить качество и физико-механические свойства покрытий.
1. Исследование технологических закономерностей электроосаждения
Изучение закономерностей электроосаждения сплава кобальт-никель при различных режимах электролиза проводилось из сульфатного электролита (г/л): сульфат кобальта (на металл) - 30; сульфат никеля (на металл) - 25; кислота борная - 25; хлорид калия - 5; рН 4 - 5 [1, 2].
В ходе экспериментов были получены данные по влиянию различных технологических факторов на процесс электроосаждения сплава кобальт-никель.
Как видно из рис. 1, с увеличением концентрации никеля в электролите от 17 до 25 г/л при концентрации кобальта 30 г/л, плотности тока 1 А/дм2, рН 4,5 и температуре 20 °С содержание никеля в сплаве значительно возрастает при всех режимах.
Рис. 1. Зависимость состава сплава и выхода по току от концентрации никеля в электролите при различных режимах электролиза. Содержание никеля в сплаве (кривые 1-3) и выход по току (кривые 4-6): 1 и 4 - постоянный ток;
2 и 5 - вибрация катода; 3 и 6 - наложение на электролит магнитного поля
При наложении на электролит магнитного поля содержание никеля в сплаве несколько повышается относительно стационарного режима осаждения. Вибрация катода, наоборот, приводит к увеличению кобальта в осадке.
Выход по току сплава зависит от концентрации никеля в электролите и от режима электролиза. С увеличением концентрации никеля в электролите выход по току повышается вследствие смещения потенциала выделения сплава в сторону положительных значений. Применение вибрации катода и магнитного поля также повышает выход по току относительно стационарного режима осаждения, особенно это проявляется при наложении на электролит магнитного поля.
При концентрации никеля в электролите от 17 до 25 г/л получаются блестящие, хорошо сцепленные с основой покрытия.
С повышением плотности тока (рис. 2) содержание никеля в сплаве возрастает при всех режимах электролиза. Увеличение плотности тока приводит к смещению потенциала в более отрицательную сторону, и тем самым происходит увеличение доли тока, идущего на выделение никеля. Выход по току сплава с повышением плотности тока от 1 до 3 А/дм2 также незначительно увеличивается. Это объясняется увеличением перенапряжения выделения водорода на сплаве вследствие увеличения содержания никеля. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к снижению выхода по току, что связано со смещением потенциала выделения сплава в область более отрицательных значений.
Рис. 2. Зависимость состава сплава и выхода по току от плотности тока при различных режимах электролиза. Содержание никеля в сплаве (кривые 1-3) и выход по току (кривые 4-6): 1 и 4 - постоянный ток; 2 и 5 - вибрация катода; 3 и 6 - наложение на электролит магнитного поля
На постоянном токе осадки получаются блестящие при плотности тока от 1 до 1,5 А/дм2. Применение вибрации катода и магнитного поля позволяет получать блестящие покрытия при плотностях тока 2-2,5 и 3-3,5 А/дм2 соответственно.
С повышением температуры электролита от 20 до 40 °С содержание никеля в сплаве несколько увеличивается как на постоянном токе, так и при наложении на электролит магнитного поля. Вибрация катода несколько по-
нижает содержание никеля в осадке. Выход по току с увеличением температуры также повышается при всех режимах осаждения.
Состав сплава и выход по току зависит и от режима электролиза. При наложении на электролит магнитного поля содержание никеля в сплаве, по сравнению со стационаром, увеличивается на 2-3 %. Выход по току в магнитном поле также растет и стремится к 100 % (рис. 3).
Изменение рН электролита от 4 до 5 практически не оказывает влияние на состав сплава и выход по току (рис. 4).
О
и
к
и
і
ffi
Температура электролита. С
Рис. 3. Зависимость состава сплава и выхода по току от температуры электролита при различных режимах электролиза. Содержание никеля в сплаве (кривые 1-3) и выход по току (кривые 4-6): 1 и 4 - постоянный ток; 2 и 5 - вибрация катода;
3 и 6 - наложение на электролит магнитного поля
S'
о
н
о
к
п
о
и
Н
РЭ
рн
Рис. 4. Зависимость состава сплава и выхода по току от рН электролита при различных режимах электролиза. Содержание никеля в сплаве (кривые 1-3) и выход по току (кривые 4-6): 1 и 4 - постоянный ток; 2 и 5 - вибрация катода; 3 и 6 - наложение на электролит магнитного поля
2. Исследование кинетических закономерностей электроосаждения
Потенциодинамические исследования показали, что применение нестационарного электролиза существенно влияет на кинетику электроосаждения сплава кобальт-никель.
На рис. 5 представлены потенциодинамические поляризационные кривые выделения сплава кобальт-никель на постоянном токе (кривая 1), при вибрации катода (кривая 2), при наложении на электролит постоянного магнитного поля (кривая 3) и переменного магнитного поля (кривая 4).
Потенциал -Е, мВ
Рис. 5. Потенциодинамические поляризационные кривые выделения сплава кобальт-никель при различных режимах электролиза: 1 - постоянный ток;
2 - вибрация катода; 3 - постоянное магнитное поле; 4 - переменное магнитное поле
Как видно из рис. 5, максимальное воздействие на процесс разряда сплава кобальт-никель оказывает наложение на электролит переменного магнитного поля (кривая 4). В этом случае потенциодинамическая кривая выделения сплава смещается в сторону более положительных значений относительно стационарного режима электролиза на величину порядка 190 мВ при плотности тока 3 А/дм2. При наложении на электролит постоянного магнитного поля (кривая 3) смещение потенциодинамической поляризационной кривой составляет 170 мВ. Электролиз с применением вибрации катода также приводит к деполяризации выделения сплава (кривая 2) относительно стационарного режима электролиза. Так, при плотности тока 3 А/дм2 деполяризация составляет 75 мВ.
Смещение потенциодинамической кривой в область более положительных значений под действием магнитного поля, очевидно, связано с изменением структуры комплексных ионов и увеличением скорости их движения.
3. Исследование электроосаждения покрытий сплавом кобальт-никель
из электролита после магнитогидродинамической активации
В процессе исследования технологических и кинетических зависимостей выявлено, что после магнитной обработки электролит сохраняет свои
свойства в течение 2-3 ч. В связи с этим разработана технология предварительной магнитогидродинамической активации электролита вне гальванической ванны, позволяющая вести процесс осаждения сплавов при повышенных плотностях тока.
На рис. 6 приведены потенциодинамические поляризационные кривые выделения сплава кобальт-никель при различных способах магнитной обработки электролита. Из рис. 6 видно, что поляризационная кривая, полученная из электролита, приготовленного на обработанной в магнитном поле воде (кривая 2), не отличается от поляризационной кривой, полученной на стационарном режиме (кривая 1), т.е. омагниченная вода практически не влияет на свойства электролита для осаждения сплава кобальт-никель. В то время как магнитная обработка электролита вне гальванической ванны сдвигает поляризационную кривую выделения сплава в область более положительных значений на 120 мВ (кривая 3), как и наложение на электролит магнитного поля (кривая 4).
А
ч
С
я
м
о
н
о
0
1 р С
Потенциал -Е. мВ
Рис. 6. Потенциодинамические поляризационные кривые выделения сплава кобальт-никель: 1 - на стационарном режиме; 2 - из электролита, приготовленного на намагниченной воде; 3 - из намагниченного электролита; 4 - в магнитном поле
Свойства электролита после магнитогидродинамической активации также аналогичны его свойствам в магнитном поле - наблюдается повышение электропроводности раствора.
На рис. 7 представлена принципиальная схема установки для магнитогидродинамической активации электролита.
Установка для магнитогидродинамической активации электролита включает в себя гальваническую ванну 3, регулируемый насос 4 и электромагнитное устройство. Электромагнитное устройство состоит из корпуса 5, в который помещен электромагнит. В зазоре между полюсами электромагнита расположены полимерные трубы 8, через которые циркулирует электролит. Активация осуществляется следующим образом. В начале процесса включают электромагнитное устройство (напряженность магнитного поля
80-200 кА/м) и насос для перекачивания электролита. После магнитогидродинамической активации всего объема электролита начинают процесс электролиза.
12 3 4 5 6
Рис. 7. Схема установки для магнитогидродинамической активации электролита:
1 - аноды; 2 - катод; 3 - гальваническая ванна; 4 - регулируемый насос;
5 - корпус; 6 - катушки; 7 - сердечник; 8 - трубопровод из полимерных труб
Магнитогидродинамическая активация электролита приводит к повышению плотности тока электроосаждения блестящих покрытий. Так, при покрытии из электролита после магнитогидродинамической активации блестящие покрытия осаждаются до плотности тока 4-4,5 А/дм2, что в 2 раза выше, чем при осаждении из неактивированного электролита. При электроосаждении из электролита после магнитогидродинамической активации образуются осадки с более мелкозернистой и однородной структурой, что способствует получению блестящих покрытий.
Магнитогидродинамическая активация электролита увеличивает содержание никеля в сплаве и значительно повышает выход по току сплава по сравнению с электроосаждением из неактивированного электролита. Так, содержание никеля в сплаве при концентрации никеля в электролите 25 г/л, температуре электролита 20 °С, плотности тока электроосаждения 3 А/дм2 и рН электролита 4,5 соответственно составляет: из электролита после магнитогидродинамической активации - 25 % и из неактивированного электролита -22 %. Выход по току для оговоренных выше условий электроосаждения составляет: из электролита после магнитогидродинамической активации - 96 % и из неактивированного электролита - 92 %.
4. Исследование физико-механических свойств покрытий сплавом кобальт-никель
Микротвердость гальванических покрытий сплавом кобальт-никель, полученным при температуре 20 °С и рН электролита 4,5 в зависимости от плотности тока и режима осаждения, представлена в табл. 1.
Увеличение микротвердости осадков, полученных с применением вибрации катода, наложения на электролит магнитного поля и после магнитогидродинамической активации электролита объясняется получением при данных режимах электролиза более мелкозернистых покрытий.
Таблица 1
Влияние плотности тока и режима электролиза на микротвердость покрытий сплавом кобальт-никель
Плотность тока, А/дм2 Микротвердость, ГПа
Стационарный режим Вибрация катода Магнитное поле Магнито-гидро- динамическая активация
1 4,4 4,7 5,25 5,25
2 4,5 4,85 5,З 5,З
З 4,б 4,9 5,4 5,4
4 4,б5 5,0 5,4 5,4
Исследование зависимости микротвердости осадков от плотности тока показало, что она незначительно повышается при увеличении плотности тока. Увеличение микротвердости, очевидно, связано с тем, что с ростом плотности тока происходит увеличение содержания никеля в сплаве.
Износостойкость покрытий сплавом кобальт-никель, полученным на стационарном режиме, вибрации катода, в магнитном поле и после магнитогидродинамической активации электролита толщиной З мкм и нагрузке на контакт 2Н соответственно равна: 90000, 100000, 115000, 115000 циклов. Все осадки получены при плотности тока З А/дм2, температуре электролита 20 °С и рН 4,5.
Увеличение износостойкости покрытий, полученных при вибрации катода, в магнитном поле и после магнитогидродинамической активации электролита относительно покрытий, полученных на стационарном режиме, очевидно, связанно с более мелкозернистой структурой сплавов, полученных с применением данных режимов электролиза.
Заключение
Магнитогидродинамическая активация вне гальванической ванны обеспечивает те же свойства электролита, что и наложение на электролит магнитного поля. При этом в 2 раза увеличивается рабочий диапазон плотности тока получения блестящих покрытий, повышается выход по току сплава, микротвердость, износостойкость и улучшается внешний вид покрытий относительно стационарного режима осаждения. На этот способ не влияют такие параметры, как размеры ванны и нахождение в электролите деталей для покрытия. Поэтому способ магнитогидродинамической активации вне гальванической ванны более технологичен в работе, чем наложение на электролит магнитного поля.
Список литературы
1. Вячеславов, П. М. Электрохимическое осаждение сплавов / П. М. Вячеславов. - Л. : Машиностроение, 1971. - 144 с.
2. Вансовская, К. М. Промышленная гальванопластика / К. М. Вансовская, Г. А. Волянюк. - Л. : Машиностроение, 198б. - 105 с.
References
1. Vyacheslavov, P. M. Elektrokhimicheskoye osazhdeniye splavov / P. M. Vyacheslavov. - L. : Mashinostroyeniye, 1971. - 144 s.
2. Vansovskaya, K. M. Promyshlennaya gal'vanoplastika / K. M. Vansovskaya, G. A. Volyanyuk. - L. : Mashinostroyeniye, 198б. - 105 s.
Наумов Лев Васильевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет (г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: lvn-25@yandex.ru
УДК 621.357.504 Наумов, Л. В.
Закономерности электроосаждения сплава кобальт-никель при различных режимах электролиза / Л. В. Наумов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). -С. 76-84.
Naumov Lev Vasylyevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of machine building technology, Penza State University (Penza, 40 Krasnaya str.)
