Література. 1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др.// Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия,1981.-424 с.

2. Структура и свойства сплава ВХ4 после алитирования // Дубинин Г.Н., Карпман М.Г., Головкина Н.А., Старокожев Б.С., Кальнер В.Д. - Защитные покрытия на металлах. - К.: Наук. думка, вып. 7, 1973.- с. 97 - 100.

3. Ушаков Б.А., Дубинин Г.Н., Саперов В.П. Алитирование нержавеющей стали. - Защитные покрытия на металлах -К.: Наук. дум­ка, вып. 4, 1971.- с. 141 - 146.

4. Хансен М, Андерко К. Структуры двойных сплавов. Спра­вочник // Пер. с англ. П.К.Новика и др.// Под ред. И.И.Новикова и И.Л. Рогельберга. Т. 1 - 2. М.: Металлургиздат, 1962.

5. Илющенко Н.Г., Беляева Г.И. Низкотемпературное алитирование сталей в расплавленных солях. -МиТОМ, 1968.- № 4.- с.14-17.

6. Семенович С.А., Смирнов А.В. Алитирование железа парами монохлорида алюминия.- МиТОМ, 1958.- № 5.- с. 48 - 51.

7. Аксенова З.В., Серебрякова И.Б., Сумик С.Н. Стойкость некоторых неметаллических материалов в расплавленом алюминии. В сб.: Защитные покрытия на металлах. Тр. Урал НИИЧМ, т. 13, 1972.- с.91-95.

1.10. Нікелювання

Хімічне нікелювання відноситься до числа найбільш важливих процесів поверхневої обробки металів. До тепер вже встановлені за­гально прийняті склади робочих розчинів, розробленні рентабельні раціональні схеми ведення технологічного процесу і конструкції виробничих установок.

При проведенні хімічного нікелювання немає необхідності в електроконтактуванні деталей. Особливо цінне нанесення покриттів на дрібні деталі. Одержане при цьому покриття – рівномірне по товщині. Йому притаманна висока корозійна стійкість і в залежності від призначення виробу покриттю може бути надана необхідна твердість.

Як показує досвід, процес хімічного нікелювання може бути швидко організований і освоєний в різних галузях промисловості, причому для цього не потрібні великі виробничі площі.

В основі процесу хімічного нікелювання лежить реакція відновлення іонів нікелю гіпофосфітом у водяних розчинах [1,2].

1.10.1. Хімізм процесу відновлення нікелю гіпофосфітом

Як було сказано вище, процес хімічного нікелювання базується на реакції відновлення іонів нікелю гіпофосфітом у водяних розчинах і проводиться шляхом занурення в нагрітий до 90-95 ˚С розчин деталей, поверхня яких підготовлена прийнятими в гальваностегії методами. Покриття, що утворюється, складається не з чистого нікелю, а являє собою складну систему, в якій є до 12 % фосфору.

Процес утворення нікелю може бути виражений сумарним рівнянням:

NiSO₄+NaH₂PO₂+H₂O = Ni+NaH₂PO₃+H₂SO₄ (1.1)

Процес утворення нікель-фосфористого сплаву має ступеневий характер.

Першою стадією процесу є розклад гіпофосфіту з утворенням атомарного водню за рівнянням:

NaH₂PO₂+H₂O=NaH₂PO₃+2H (1.2)

Атомарний водень утворюється за рахунок розриву зв'язку P-H і O-H гіпофосфористої кислоти.

Другою стадією процесу є взаємодія з адсорбованою каталітичною поверхнею металу атомарного водню та іонів нікелю з утворенням металевого нікелю:

Ni²⁺ +2H=Ni+2H⁺ (1. 3)

Одночасно з протіканням реакції (1.3) атомарний водень реагує з іонами Н₂РО₂- або Н₂РО₃-, утворюючи атомарний фосфор згідно рівняння:

Н₃РО₄+Н=Р+2Н₂О (1. 4)

або

Н₃РО₃+3Н = Р+3Н₂О (1. 5)

Фосфор, який виділяється згідно реакції (1.4) або (1.5), легує нікель.

Адсорбований на поверхні металу атомарний водень тільки част­ково приймає участь в реакціях (1.3), (1.4) чи (1.5). Частина атомів рекомбінується і виділяється в молекулярному стані у вигляді газу.

Нікельфосфорний сплав, що формується хімічним способом, на думку деяких дослідників, знаходиться в рідкому стані. Такі сплави характеризуються відсутністю елементів кристалічної структури і відносяться до аморфних тіл. Термічна обробка нікель-фосфорних сплавів обумовлює перехід з аморфного стану в кристалічний.

1.10.2. Особливості процесу хімічного нікелювання

З теоретичних досліджень і великого практичного досвіду можна зробити наступні висновки про особливості процесу хімічного нікелювання.

1. При хімічному нікелюванні деталі в розчині підвішуються на металевій або вініпластовій підвісці. Можна також підвішувати на кап­роновій нитці чи в сітках.

2. Оскільки відновлення нікелю проходить на поверхні виробу, то товщина нікелю, що виділяється на всіх ділянках, однакова неза­лежно від конфігурації деталей.

3. Відновлення нікелевих солей за допомогою гіпофосфіту протікає тільки на деяких металах, які відносяться до VIII групи Періо­дичної системи елементів, які можуть каталізувати процес. Домішки солей свинцю і кадмію повністю завершують процес відновлення нікелю.

4. Реакція відновлення нікелю протікає з утворенням кислоти, що викликає необхідність буферування розчину. Збільшення кислотності призводить до зниження швидкості процесу. Інтенсивне нікелювання проходить при рН = 3.8-5.5. При рН < 3 процес відновлення нікелю практично завершується, а при рН > 5.9 осаджений нікель стає крихким і розтріскується. Під час нікелювання розчин потрібно підлужнювати.

5. На швидкість процесу великий вплив мають органічні речовини, які вводяться в розчин. Дія цих добавок залежить як від природи органічних речовин, так і від їх конфігурації. В якості таких добавок застосовують органічні кислоти: глінолеву, лимонну, яблучну тощо.

6. Відновлення нікелю завжди супроводжуються виділенням вод­ню, який частково відновлює іони нікелю до металевого.

7. Характерним для процесу є вплив концентрації основних компонентів на швидкість відновлення нікелю. В лужних розчинах швидкість процесу залежить від концентрації гіпофосфіту, тоді як концентрація нікелевої солі помітно не впливає. В кислотних розчинах зростання швидкості процесу під впливом зростання швидкості концентрації гіпофосфіту підпорядковується більш складним закономірностям.

8. Встановлено також, що процес хімічного нікелювання гарно протікає по нікелю, але при цьому необхідно проводити декапірування в концентрованій соляній кислоті при кімнатній температурі чи в 25 %-му розчині сірчаної кислоти при температурі 40-50 °С.

1.10.3. Область практичного застосування хімічно нікельованих покриттів

Застосування хімічного нікелювання дуже доречне в деяких областях техніки завдяки специфічним особливостям процесу і властивостей відновленого нікелю. Процес хімічного нікелювання доцільно використовувати на виробництвах, де необхідно покривати рівномірним шаром деталі складного рельєфу, точно відобразити контури різних фасок, відсічних кромок тощо.

Рекомендується використовувати хімічне нікелювання для за­хисту виробів, які працюють в умовах середньої і підвищеної корозійної дії, замість багатошарових покриттів, таких як нікель – хром і мідь – нікель – хром. Хімічне нікелювання в даному випадку дозволяє знач­но економити метал.

Враховуючи високу твердість покриття, особливо після термообробки, високу зносостійкість і малий коефіцієнт тертя, хімічне нікелювання може бути рекомендоване для зміцнення поверхонь, які піддаються зношуванню. Найбільш доцільно застосовувати хімічне нікелювання для покриття деталей, які зношуються в умовах зворотно-поступального руху.

При підвищеній корозійній стійкості, яка визначається рівно­мірністю товщини шару хімічно відновленого нікелю, можна в деяких випадках замінювати дорогу нержавіючу сталь на більш дешеву, яку піддали хімічному нікелюванню.

При нанесенні нікелевого покриття хімічним способом на раніше нікельовану поверхню адгезія осаду є дуже висока. Враховуючи цю особливість, хімічне нікелювання можна використати для виправлення дефектів в нікелевих покриттях (включаючи електролітичні), які можуть з’явитися при зберіганні чи експлуатації виробу. Крім цього, цей метод є цінним для відновлення рівномірно зношених деталей.

Процес хімічного нікелювання є незамінним при відсутності електроустановок, наприклад, у польових умовах чи в невеликих майстернях.

Оскільки хімічне нікелювання не впливає на магнітні власти­вості металу, то воно може бути використане при покритті деталей електроапаратури і деталей електромагнітів.

Хімічне нікелювання з успіхом застосовується для покриття кераміки, феритів, пластмас і інших діелектриків для утворення метало-провідної поверхні.

Хімічне нікелювання знаходить широке застосування для покриттів деталей з алюмінієвих сплавів і титану, феритових і керамічних деталей під пайку з метою одержання якісної пайки припоями.

1.10.4. Устаткування і необхідні хімічні реактиви для проведення процесу хімічного нікелювання

1.10.4.1. Матеріали для устаткування

Для проведення операцій технологічного процесу хімічного нікелювання використовують ванни, які широко застосовуються в технологічних процесах нанесення гальванічних покриттів. Вибір матеріалу ванни для проведення операцій хімічного нікелювання позв'язаний зі значними труднощами. При підборі матеріалу для ванни необхідно врахувати наступні обставини.

По-перше, матеріал ванни повинен бути теплостійким при температурі до 100 °С.

По-друге, він повинен бути хімічно стійким у розчинах, які застосовуються при хімічному нікелюванні (рН = 3.9), тобто під час процесу не повинно проходити відновлення нікелю на стінках ванни.

По-третє, він повинен забезпечувати можливість розчинення осаду нікель-фосфорного сплаву азотною кислотою. Цей осад при проведенні процесу осідає на дні і на стінках ванни.

По-четверте, матеріал ванни не повинен забруднювати розчин шкідливими домішками.

І, нарешті, по-п’яте, матеріал ванни повинен бути достатньо теп­лопровідним, оскільки обігрів ванн хімічного нікелювання допускається тільки за допомогою пароводневих сорочок чи сорочок з водяними розчинами солей (для підвищення температури кипіння теп­лоносія).

Натуральними матеріалами є скло, фарфор, кераміка, емаль і інші. При незначному об’ємі виробництва в якості ванн для хімічного нікелювання використовують скляні колби.

На практиці для виготовлення ванн хімічного нікелювання знаходить широке застосування посуд із фарфору, але потрібно мати на увазі, що він має малу теплопровідність.

1.10.4.2. Обігрів ванни

Необхідна температура розчину може бути досягнута при використанні будь-якого джерела тепла: пари, електрики, газу як зовнішнім, так і внутрішнім обігрівом. Зовнішній обігрів проводиться або за допомогою водяної (чи парової) сорочки, або за допомогою електронагрівачів. Внутрішній обігрів проводиться за допомогою скляних парових змійовиків, які занурюються в розчин, або стальних змійовиків, ізольованих спеціальною змазкою.

На деяких заводах для хімічного нікелювання деталей (діаметром до 500мм) застосовуються фарфорові котли. Вони монтуються в стальну ванну, ізольовану ззовні теплоізоляцією. Вода, залита в со­рочку ванни, обігрівається гострою парою.

Щоб уникнути утворення надлишкового тиску пари в сорочці ванни, вона з’єднана з атмосферою за допомогою спеціальної труби. Для контролю тиску пари в сорочку вмонтовано манометр. В сорочці ванни також є аварійний кран, який дозволяє контролювати рівень води. При виникненні в процесі нікелювання дефектів у футировці шар легко відновити, наносячи обмазку на пошкоджені ділянки, попередньо їх зачистивши.

У вітчизняній промисловості до теперішнього часу невідоме застосування виробничих установок для хімічного нікелювання в проточному розчині, які забезпечують його коректування і фільтрацію. На заводах широко застосовують одноразове використання розчину, а відпрацьовані зливаються в каналізацію.

1.10.4.3. Конструкція виробничої установки для хімічного нікелювання

На сьогоднішній час розроблена установка, яка дозволяє проводити нікелювання деталей в проточному розчині, який періодично піддається фільтрації і автоматичному коректуванню необхідними хімікатами.

Установка складається з хімічних апаратів (збірники, підігрівач, холодильник, фільтри), які розміщенні на несучій металевій кон­струкції. Матеріал апаратури – сталь з покриттям кислотостійкої емалі Еі-1. Проточні апарати (теплообмінники, реактор і фільтри) вибрані ємністю 100-150 л. Всі апарати з’єднані гумовими (паровими) шлангами, що перекриваються спеціальними кранами-пробками.

Установка складається з двох систем апаратів – робочої і коректувальної. В першій проходить нагрів і протікання робочого розчину через реактор, нікелювання деталей, охолодження розчину і його подача в апарати коректувальної системи, яка призначена для коректування та фільтрації робочого розчину.

На установці є апаратура для автоматичного контролю і коректування рН розчину.

На рис.1.60 приведена схема виробничої установки для хімічного нікелювання.

Напорний бак 1 робочої системи наповнюється спеціальним розчином з 8 через гумовий шланг. З патрубка в дні напорного баку розчин через кран зливається по шлангу в теплообмінний нагрівач, де проходить його попередній підігрів до температури 70-75 °С. Нагрівач обігрівається парою. Для подачі в сорочки теплообмінника охо­лоджуючої води слугує спеціальний гвинт.

Рис.1.60. Схема виробничої установки для хімічного нікелювання

Відпрацьована пара, конденсат і вода випускаються в загальноцехову конденсатну лінію. З нагрівача розчин вільно зливається через короткий шланг у реактор 3, який обігрівається парою. Охолоджуюча вода подається в сорочку реактора через спеціальний кран. В реакторі робочий розчин нагрівається до температури 90-95 °С. В реакторі є патрубки, опущені на дно, для перемішування розчину інертним газом. З реактора розчин зливається по шлангу в теплообмінник-холодильник, встановлений на такій висоті, що кінець зливного патрубка співпадає з рівнем дзеркала розчину в реакторі. Реактор і холодильник утворюють системи посудин, завдяки чому рівень розчину в реакторі підтримується на постійній висоті. У внутрішню і зовнішню сорочки холодильника охолоджуюча вода подається по двох незалежних гілках. З холодильника розчин зливається через шланг і кран в 9. Ємкість 9 коректувальної системи має в кришці 3 патрубки. Перший – для розчину, який подається з холодильника, другий – для подачі розчину в напорний бак, третій – для впуску стиснутого повітря.

Напорний бак коректувальної системи аналогічний до напорного баку робочої системи.

Обидва фільтри 6 однакові по будові і ємкості. В якості фільтруючої перегородки може бути використане скловолокно.

Коректувальний балон 7 не має кришки. Зверху в нього опущені шланги від двох фільтрів, трубка аероліфта, яка подає розчин в датчик рН-метра, трубка зворотнього стану розчину з датчика і труба, що підводить інертний газ для перемішування.

Передавлюючий патрубок з’єднаний шлангом з прийомним патрубком напорного бачка робочої системи. Третій патрубок закритий триходовим краном, який в одному положенні впускає в ємкість стиснуте повітря, а в другому – випускає повітря в атмосферу.

Для надання установці більшої маневреності нижні точки робочої і коректувальної системи з’єднані шлангом, перекритим спеціальним краном, що дозволяє в необхідних випадках направляти розчин з будь-якої системи в потрібну ємкість. Деякі технічні характеристики установки:

Ємкість розчину для нікелювання, л........................ 100

Загальний об’єм розчину, залитого в установку, л. 1050-1100

Максимальні габарити обробляємих деталей, мм... 250х250х650

Розхід повітря, л/год................................................. 1600

Розхід пари, кг/год..................................................... 80

Розхід води, л/год..................................................... 1500

1.10.4.4. Використовувані хімікати

Нікель хлористий, нікель сіркокислий, оцтовокислий натрій, лимоннокислий натрій, лимонна кислота, гіпофосфіт натрію, гіпофосфіт калію, гіпофосфіт кальцію, амоній хлористий, 25 % водний амоній, сірчанокислий алюміній, клей Б –88, лак ХВЛ-21, етилацетат, окис хрому.

Дата добавления: 2015-07-18