Кандидат химических наук О. Н. ГАВРИЛИН, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Детали машин и механизмов, другие изделия из стали и медных сплавов нуждаются в защите от коррозии, электромагнитного излучения, прочих вредных воздействий.

С этой целью, а также для повышения износостойкости трущихся поверхностей и декоративной отделки на них наносят тонкий слой никеля.

История этой технологии насчитывает не одно десятилетие. Уже в первой половине XIX в. - в период интенсивного накопления химических знаний - существовали методы создания гальванических металлопокрытий. Кроме того, умели изготовлять зеркала из золота, серебра, меди: в водный раствор, содержавший соли металла, опускали стекло, и на него оседала соответствующая пленка. Добиться же подобного эффекта с никелем или кобальтом не удавалось.

И только в середине XIX столетия был выделен порошок металлического никеля из раствора его соли в присутствии восстановителя - гипофосфита натрия. Для химиков это была сенсация, и многие, повторяя опыт, убеждались в его результатах. Однако, не найдя применения открытию, о нем забыли на полвека. Между тем исследователи продолжали работать в том же направлении. И в 1904 г. американец Ру (Roux) обнаружил: на стальной пластине, погруженной в вышеупомянутый раствор, самопроизвольно образуется слой никеля. Но и тогда к новшеству не проявили интереса, видимо, время для его использования в промышленности еще не пришло.

И лишь через 40 лет независимо от предшественников и достаточно случайно это явление было "открыто" заново. Позже его довели до полноценной технологии, которую сразу взяли на вооружение производственники. Ученых в первую очередь интересовало, что собой представляет и как себя ведет в разных условиях новое покрытие. Выяснилось: оно состоит не из чистого никеля, как думали раньше, а из его сплава с фосфором (причем содержащимся в количестве порядка 10%, что очень много). Но атомная масса второго почти вдвое меньше, чем первого, следовательно, в данном случае на пять-шесть атомов металла приходится один атом фосфора. Вот почему по физико-механическим и химическим свойствам рассматриваемое соединение так сильно отличается от чистого никеля. Например, структура его уже не кристаллическая, а аморфная, и коэффициент трения вдвое ниже, чем у никеля. Химически же сплав инертен, значит, обладает высокой коррозионной стойкостью. Однако самое интересное - он имеет повышенную твердость, причем при нагревании до 400°С она повышается до 1000 кг/мм² .

Таким показателем может "похвастаться" лишь закаленная сталь или гальваническое хромовое покрытие. Последнее раньше и было единственным способом повышения износостойкости трущихся деталей. Но у него есть существенный минус, кстати, свойственный всем технологиям с использованием постоянного электрического тока: пленка металла распределяется по сложной рельефной поверхности неравномерно.

Толщина же никелевого сплава, образующегося химическим путем (т.е. без участия тока), одинакова

стр. 20

по всей обрабатываемой площади. Добавим: он экранирует высокочастотное электромагнитное излучение, имеет низкое переходное электрическое сопротивление и хорошо поддается пайке. Такие покрытия находят применение во многих отраслях промышленности: автомобильной, аэрокосмической, нефтехимической, электронной, пищевой, текстильной, а также в горном деле, железнодорожном транспорте, морском флоте, медицине, фармацевтике и т.д.

Однако и этой технологии были присущи недостатки. Если температура процесса оказывалась всего на несколько градусов выше заданной, раствор солей (кстати, весьма дорогостоящий) разлагался. Тогда его выливали, после чего очищали сточные воды. Мешало и плохое знание механизмов протекающих реакций. Поэтому приходилось часто проводить соответствующие анализы. В результате увеличивалась длительность, росла стоимость процесса.

Вот почему российские специалисты решили устранить перечисленные недостатки метода, поставив перед собой следующие задачи: сохранить стабильность используемого водного электролита даже при перегреве (вплоть до температуры кипения), повысить скорость осаждения до 20 мкм/ч и более. Причем она должна быть постоянной, чтобы контролировать толщину покрытия без применения измерительных приборов. Кроме того, предстояло провести точные расчеты изменения состава раствора в течение его эксплуатации. Это позволило бы корректировать количество компонентов химических преобразований без проведения дополнительных анализов.

Однако мы столкнулись с немалыми трудностями. Выяснилось: указанное разложение жидкой фазы вызвано постоянным присутствием в ней твердых инертных частиц, из-за своих малых размеров (десятые и сотые доли микрометра) не поддающихся фильтрации. Поэтому потребовалось подобрать каталитическое вещество, которое "отравляло" бы данные примеси. А чтобы не пострадало качество поверхности обрабатываемой детали, нужно было обеспечить довольно низкую концентрацию такого "яда" (применительно к химическому никелированию - стабилизатора). Еще одна его функция - обеспечение хорошей морфологии покрытий, т.е. они должны быть гладкими и блестящими. К тому же, вводя в электролит подобные добавки, нельзя допускать ухудшения механических и химических свойств наносимых пленок.

Не менее важен вопрос - как скорость рассматриваемого процесса зависит от температуры, кислотности, концентрации соли никеля и других компонентов раствора. Ведь на практике приходится иметь дело с разными его составами. Как говорят физикохимики, требовалось определить эффективную энергию активации и порядки реакций. При таком обилии факторов, влияющих на кинетику процесса и свойства покрытия, количество предстоящих опытов превысило бы все разумные пределы, да и анализ огромного массива данных был бы трудновыполним. Поэтому пришлось обратиться к методам математического моделирования эксперимента, дисперсионному анализу и уравнениям в частных производных. Тем не менее накопление нами данных и их математическая обработка заняли несколько лет. Наконец все задачи были решены, правда, сначала только на бумаге. Затем последовала производственная проверка. Итог проведенной работы - "путевка в жизнь" усовершенствованной технологии химического никелирования.

Не останавливаясь на достигнутом, мы решили расширить спектр свойств покрытий путем легирования никель-фосфорной матрицы другими металлами с различной концентрацией новых составляющих. С этой проблемой также удалось справиться, и теперь в арсенале промышленников нашей страны несколько методик нанесения химическим способом сплавов: никель-фосфор, никель-кобальт-фосфор, никель-вольфрам-фосфор, никель-кобальт-вольфрам-фосфор. Все они имеют математическое описание. Так что заложив в компьютер дискету, задав желаемые состав покрытия и скорость осаждения, можно сразу получить все параметры процесса: компоненты раствора и их концентрацию, режим реакции, диапазон значений его скорости.

Постоянный адрес данной публикации: