Niklowanie chemiczne

Niklowanie chemiczne jest cennym uzupełnieniem niklowania galwanicznego głównie w zakresie powłok technicznych i antykorozyjnych oraz tam, gdzie niklowanie elektrolityczne zawodzi np. przy niklowaniu wyrobów silnie profilowanych przy zachowaniu wąskich tolerancji wymiarowych.

Chemiczne powłoki niklowe można osadzać na drodze wymiany, kontaktowej i katalitycznej, lecz tylko ta ostatnia metoda znalazła zastosowanie w praktyce przemysłowej.

W procesie katalitycznego niklowania osadzenie powłoki niklowej na powierzchni katalizatora następuje w wyniku redukcji jonów niklawych wodorem in statu nascendi w kąpielach zawierających substancje redukujące. W procesie tym istotne jest, aby katalizatorem redukcji był nie tylko metal pokrywany, lecz także metal osadzany, co pozwala na osadzanie powłok o żądanej grubości.

Obecnie stosowane są dwa typy kąpieli do niklowania chemicznego:

  • alkaliczne pracujące w zakresie pH 8–10
  • kwaśne pracujące przy pH 4–6

Podstawowymi składniki chemicznych kąpieli niklowych są sole niklawe i reduktor, głównie podfosforyn sodowy. Ponadto w skład kąpieli wchodzą związki kompleksujące i buforujące oraz inhibitory, których zadaniem jest zapobieganie samorzutnemu rozkładowi kąpieli i przeciwdziałanie gwałtownym zmianom pH.

Reakcje zachodzące w procesie niklowania chemicznego można przedstawić następująco:

  • NiSO4 + 2 NaH2PO2 + 2 H2O → Ni + 2 NaH2PO3 + H2SO4 + H2

  • NaH2PO2 + H → P + H2O + NaOH

W reakcji 1 podfosforyn sodowy redukuje jon niklawy do niklu metalicznego. W reakcji 2 zachodzi redukcja podfosforynu z wydzieleniem wolnego fosforu, który tworzy z niklem roztwór stały.

Powłoki niklu chemicznego zawierają od 7 do 15% fosforu i można je nakładać bezpośrednio na stal, żelazo, nikiel, kobalt oraz aluminium i jego stopy. Pokrywanie innych metali nie będących katalizatorami redukcji jak miedź i mosiądz dokonuje się przez krótkotrwały styk metalu pokrywanego z metalem katalizującym. Po wytworzeniu pierwszych zarodków niklu na powierzchni, reakcja przebiega dalej samorzutnie na zasadzie autokatalizy.

W rozwoju technologii niklowania chemicznego można wyróżnić 3 typy kąpieli.

Pierwszy z nich to kąpiel o ograniczonej trwałości i małej szybkości osadzania powłoki. W momencie, gdy zawartość niklu w kąpieli spada do 50% jej eksploatacja staje się nieopłacalna. Powoduje to marnotrawstwo jeszcze 50% składników i zwiększone koszty neutralizacji ścieków.

Drugi typ to kąpiele katalityczne znane pod nazwą Kanigen (Cataltic Nickel Generation). Kąpiele te umożliwiają osadzanie powłok z zadowalającą szybkością i mogą być wielokrotnie regenerowane, co pozwala na wykorzystanie do 30g niklu z 1 l kąpieli. Niedogodnością procesu jest to, że regenerację kąpieli bezpieczniej jest wykonywać w temperaturze otoczenia lub o ok. 30°C niższej od temperatury pracy. Mimo tego mankamentu kąpiele te ze względu na wysoką trwałość są szeroko stosowane w przemyśle.

Trzeci typ to kąpiele katalityczne z możliwością ich uzupełniania w temperaturze pracy. Dzięki zastosowaniu kombinacji 2 różnych związków kompleksujących oraz uzupełnianiu pH za pomocą wodorotlenku amonowego lub węglanu potasowego możliwe jest, przy zachowaniu trwałości i wydajności, obniżenie temperatury pracy kąpieli do 85°C. Te właściwości kąpieli przy jednoczesnym uproszczeniu prowadzenia procesu technologicznego decydują o ich coraz szerszej aplikacji przemysłowej.

Składy kąpieli do niklowania chemicznego
—————-
###Kąpiele alkaliczne

Typowa kąpiel alkaliczna ma następujący skład:

Chlorek niklawy NiCl2.6H2O 30 g/l
Podfosforyn sodowy NaH2PO2 20 g/l
Cytrynian sodowy Na3C6H5O7.2H2O 50 g/l
Chlorek amonowy NH4Cl 15 g/l

Warunki pracy:

Temperatura 40-85°C
pH 8,8-9,5
Obciążenie kąpieli 0,6-1,0 dm²/l

Kąpiele alkaliczne są mniej trwałe niż kąpiele kwaśne i bardziej wrażliwe na zanieczyszczenia. Szybkość osadzania powłoki wynosi ok. 10µm/godz., a intensywne wydzielanie wodoru powoduje porowatość powłok. Ponad to kąpiele te są mniej ekonomiczne ze względu na duże straty amoniaku, który stosowany jest do uzupełniania pH.

Zaletą kąpieli alkalicznych jest łatwa kontrola pH. Kąpiele o zakresie pH 8,8 – 10 mają zabarwienie niebieskie, przy niższej wartości pH staja się zielone.

Mimo powyższych zastrzeżeń kąpiele alkaliczne używane są z dobrymi wynikami do niklowania niektórych metali nieżelaznych np. tytanu, a także innych materiałów jak krzem, ceramika krzemowa i tytanowa oraz tworzywa sztuczne.

###Kąpiele kwaśne

Kąpiele kwaśne są stabilne, charakteryzują się szybkością osadzania w zakresie 15 – 20µm/godz i znalazły zastosowanie do nakładania powłok niklowych na większość metali, a przede wszystkim na stal.

Typowa kwaśna kąpiel do niklowania chemicznego posiada skład następujący:

Siarczan niklawy NiSO4.7H2O 25 g/l
Podfosforyn sodowy NaH2PO2.H2O 30 g/l
Kwas mlekowy C3H6O3 35 ml/l
Wodorotlenek sodowy NaOH 10 g/l
Dodatki stabilizujące 15 ml/l

Warunki pracy:

Temperatura 85-95°C
pH 4,4-4,6
Obciążenie kąpieli 0,6-1,0 dm²/l
Filtracja okresowa

Szybkość osadzania powłoki niklowej określona jako stosunek grubości powłoki do czasu jej nakładania zależy przede wszystkim od pH i temperatury kąpieli. Stwierdzono, że szybkość osadzania powłoki niklowej wzrasta ze wzrostem pH i temperatury kąpieli i najwyższą wartość osiąga w temperaturze zbliżonej do temperatury wrzenia. Należy jednak zwrócić uwagę, że przekroczenie dopuszczalnych wartości tych parametrów może doprowadzić jeśli nie do rozkładu kąpieli, to do tworzenia się zarodków rozkładu powodujących chropowatość powłok.

Zatem, aby ilość niklowanej powierzchni uzyskana z jednostki objętości kąpieli do czasu jej wymiany określana „czasem życia kąpieli” była jak największa, należy przestrzegać nie tylko warunków pracy, lecz także wskazówek dotyczących czystości kąpieli oraz sposobu jej konserwacji i uzupełniania.

Z reakcji opisującej proces niklowania chemicznego wynika, że dla osadzenia 1 gramoatomu niklu zużywa się:

  • 1 gramocząsteczkę siarczanu niklawego
  • 3 gramocząsteczki podfosforynu sodowego
  • 1 gramocząsteczkę wodorotlenku sodowego dla zobojętnienia powstającego w reakcji kwasu

Związki te stanowią podstawowe składniki roztworów regeneracyjnych. W skład tych roztworów wchodzą również pozostałe składniki kąpieli w ilości odpowiadającej stratom przez zużycie, rozkład i wynoszenie. Regeneracja kąpieli polega na jej uzupełnianiu, zgodnie z wynikami analizy niklu, roztworami regeneracyjnymi w równej objętości.

Konserwacja kąpieli polega na:

  • okresowej filtracji kąpieli dla usunięcia zanieczyszczeń,
  • sprawdzeniu poziomu kąpieli i uzupełnieniu do początkowej objętości,
  • określeniu pH kąpieli i ew. uzupełnieniu 20% roztworem NaOH przy intensywnym mieszaniu ,
  • regeneracji kąpieli zgodnie z wynikami analizy,
  • wykonaniu prób na szybkość osadzania powłoki. Próbki stalowe o powierzchni 15 cm2 wstępnie odtłuszczone i wytrawione nikluje się w kąpieli w czasie 1 godz., po czym mierzy grubość nałożonej powłoki. Powinna ona wynosić, w zależności od ilości regeneracji od 10 do 20µm.

Właściwości powłok niklu chemicznego
—————-

Powłoki niklu chemicznego charakteryzują się jednakową grubością na wszystkich powierzchniach pokrywanego przedmiotu. Przy prawidłowo prowadzonym procesie rozrzut grubości powłoki wynosi 0,5µm.

Powłoki zawierają od 7 do 15% fosforu i bezpośrednio po nałożeniu wykazują strukturę bezpostaciową, która po obróbce cieplnej ulega zmianie z wydzieleniem fosforku niklu. Zmiana struktury pociąga za sobą wzrost twardości i odporności na zużycie. W zależności od czasu i temperatury obróbki cieplnej uzyskuje się powłoki niklu chemicznego o twardości i odporności na zużycie odpowiadającej powłokom chromu technicznego.

Cechą charakterystyczną chemicznych powłok niklowych jest wysoka odporność korozyjna. Powłoki te są całkowicie odporne na działanie kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów i estrów, wykazują również wysoka odporność na wodę morską i wodę destylowaną. Wysoka odporność korozyjna związana jest z małą porowatością powłok osadzonych z kąpieli kwaśnej. Badania wykazały, że powłoki o grubości powyżej 15µm są całkowicie szczelne. Przyjęto, że dla ciężkich warunków korozyjnych grubość powłok niklu chemicznego powinna wynosić 25 – 30µm.

Powłok niklu chemicznego nie należy stosować na wyroby narażone na działanie roztworów soli amonowych oraz kwasu azotowego i octowego.

Komentarze