Выравнивание поверхности при декоративном никелировании

Лоуренс Сегер, Марк Скарио, Кристиан Киссиг
12.08.2020 602

Профилометрия позволяет определить характеристики выравнивания для электролитов Уоттса.

Благодаря декоративному никелированию можно получить самые красивые поверхности, на которые способна гальваника. Помимо глянцевой или сатинированной поверхности, оно обеспечивает коррозионную стойкость и универсальность финишной отделки, а также может использоваться в качестве подложки для декоративного хромового покрытия.

Рисунок 1. Портативный профилометр для измерения шероховатости поверхности пластины в ячейке Хулла.

К сожалению, многие электроосажденные металлические покрытия больше осаждаются на выступах поверхностей, чем на впадинах, поскольку на этих участках напряженность электрического поля (плотность тока) максимальна.

Рисунок 2. Портативный профилометр используется для измерения шероховатости поверхности пластины в ячейке Хулла. Было проведено пять измерений и вычислено среднее значение при плотностях тока 20, 40 и 80 А/фут2. Установленная оправка позволила выполнить каждое измерение пластины в том же самом месте.

Тогда как контроль характеристик никелевых покрытий тщательно фиксируется, и одна из важных особенностей, называемая “выравниванием”, делает никелирование таким привлекательным и выделяет его благодаря возможности сглаживать несовершенства поверхности.

Выравнивание целесообразно при никелировании, поскольку оно позволяет сократить объем подготовки поверхности перед нанесением покрытия, а при нанесении верхнего хромового покрытия позволяет исключить дополнительный этап полирования никелевого слоя. В данной статье мы рассматриваем роль шероховатости поверхности и ее измерения в определении состояния никелевой ванны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ

Общий термин «текстура поверхности» включает в себя три типа неровностей. Первый тип, характеризующийся наибольшими длинами волн, определяется как направление неровностей. Направление неровностей – это основной рисунок текстуры поверхности. Второй тип – это волнистость, которая включает в себя более редко расположенные (меньшая длина волны) отклонения от идеальной формы, которой обычно считается плоская поверхность. Третий тип – это шероховатость, которая представляет собой мелкие неровности поверхности (наименьшая длина волны). В своем обсуждении мы ограничимся шероховатостью.

Рисунок 3 Текстура поверхности определяет по трем основным характеристикам. Направление неровностей определяется посредством прямой черной линии, волнистость – красной пунктирной линии, а шероховатость – высокочастотной синей линии.

В литературе описано множество параметров, касающихся конкретных составляющих шероховатости и ее вычисления. Самый распространенный, одномерный параметр измерения шероховатости в США – это среднеарифметическое отклонение профиля (Ra), которое определяется в стандарте ASME B46.1 как “среднее арифметическое абсолютных значений отклонений высоты профиля от средней линии, зафиксированных в пределах длины оценки”. По некоторым данным, существует более 100 методов выражения шероховатости.

МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

Профилометрия – это наука измерения шероховатости, которая подразделяется на две категории: оптическая и контактная. Оптические средства измерения – это интерференционные приборы, предоставляющие трехмерное изображение поверхности и данные о ее шероховатости. Важное преимущество интерференционных приборов заключается в том, что для формирования изображения в них используется отражение белого света от поверхности. Это обеспечивает неразрушающий метод исследования поверхности. Такой метод важен при исследовании мягких материалов, таких как латунь, которые может повредить игла.

Контактная профилометрия – это стандартный метод, применяемый для образцов с гальваническим покрытием или отполированной поверхностью. Его применяют, например, в гальваническом цехе, чтобы определить, улучшилась ли текстура поверхности, стала ли она более гладкой после обработки или нанесения покрытия. В контактных приборах для исследования поверхности используется игла, подобно тому, как игла звукоснимателя перемещается по пластинке. По мере перемещения иглы по рельефу поверхности ее отклонения вверх и вниз измеряются и записываются.

Рисунок 4. На пластину слева были нанесены царапины глубиной 0,30 микрона. Пластина в центре была скрайбирована и покрыта никелем. Пластина справа вверху была разделена пополам и отполирована. Справа внизу – предполагаемый результат.

Состояние электролита декоративного никелирования в цехе можно оценить, периодически выполняя химический анализ компонентов ванны, однако если для никелевых ванн и есть своя “лакмусовая бумажка”, то это степень выравнивания, достигнутая на поверхности покрытой детали. Когда технические специалисты в этой области привлекаются для устранения проблем с никелевыми ваннами, целесообразно сначала определить уровень, до которого ванна может выровнять пластину ячейки Хулла.

Аналитический процесс предполагает использование стальных пластин в ячейке Хулла, которые были механически поцарапаны в цехе с получением значения Ra, приблизительно равного 0,30 микрона; оправки, которая точно удерживает пластину в требуемом положении до и после измерений; портативного профилометра с батарейным питанием. Сначала определяют шероховатость поверхности пластин без покрытия, измерения проводят при 20, 40 и 80 А/фут2. Затем на пластины наносят никелевое покрытие и снова измеряют. Снижение шероховатости регистрируется и выражается в процентах от улучшения.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОФИЛОМЕТРИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРОДУКЦИИ

Чтобы продемонстрировать влияние никелевого слоя на выравнивание поверхности, мы подготовили пластину стандартной ячейки Хулла, как описано ниже.

Нижняя треть пластины была поцарапана шлифовальным кругом до глубины примерно 0,30 микрона. Пластина была установлена в монтажную оправку и выполнено измерение шероховатости. Затем пластину поместили в ванну блестящего никелирования на 150 секунд при 5 А для получения никелевого покрытия толщиной 6,34 микрон, которое было измерено методом рентгенофлуоресцентного анализа. Это значение было близко к предполагаемому теоретическому значению толщины (на основе закона Фарадея и учитывая 100% эффективность катода), равному 6,402 микрон. Затем образец снова поместили в монтажную оправку в исходное место измерения шероховатости и выполнили второе измерение.

Рисунок 5. Слева представлен профиль поверхности пластины, которая была механически поцарапана перед никелированием. Справа представлены данные, полученные после никелирования, согласно описанию в тексте.

На рисунке 5 представлена разница в профилях поверхности.

Обратите внимание, что, хотя некоторая степень волнистости наблюдается на графике никелированной пластины, шероховатость, зафиксированная перед никелированием, по большей части, исчезла. Также следует отметить, что по результатам измерения никелированной пластины наблюдается очень малая степень неровностей.

Результаты, полученные с помощью профилометра, можно визуально подтвердить методом растровой электронной микроскопии.

Рисунок 6. РЭМ-снимки скрайбированных пластин, полученные до (слева) и после (справа) никелирования, демонстрируют способность никелевого покрытия выравнивать шероховатые поверхности.

На рисунке 6 показано влияние никелевого покрытия, описанное выше. На микроснимке слева представлена пластина после скрайбирования для измерения шероховатости. Значение Ra, определенное методом профилометрии, составило 0,377 микрона.

Образец справа – никелированная пластина с шероховатостью поверхности 0,12 микрона.

При разработке оптимального варианта выравнивания мы задаем два вопроса. Какую использовать добавку или смесь добавок, и какова нужная концентрация? Профилометрия помогает количественно оценить этот процесс.

При нанесении двухслойных никелевых покрытий блескообразователи добавляют к полублестящему слою для получения равномерного покрытия. В блестящий никелевый слой добавляют серосодержащие компоненты для получения однородной мелкозернистой структуры. Иногда добавляют дополнительный блескообразователь и выравнивающую добавку. Отличный (но не полный) список блескообразователей можно найти в книге ”Наука о материалах для гальванических покрытий и подложек”, Джека У. Дини.

Исследование одной группы веществ, углеводородов ацетиленового ряда, показало, что, хотя некоторые компоненты весьма эффективны в верхнем диапазоне плотностей тока, при более низких значениях плотности тока они обеспечивают незначительное улучшение, а в отдельных случаях могут даже повысить шероховатость (см. рисунок 7).

Некоторые добавляемые смеси эффективно работают только при более высоких плотностях тока, а другие обеспечивают хорошее выравнивание при низких плотностях тока. С помощью этих данных инженеры могут определить, будет ли подходящим средством для решения проблемы один компонент или смесь, чтобы в полной мере использовать возможности добавок при высокой и низкой плотности тока.

Выравнивание с помощью этих добавок помогает улучшить характеристику шероховатости, однако неэффективно для таких характеристик, как волнистость и направление неровностей. После выбора оптимального выравнивающего состава можно переключить внимание на его концентрацию в ванне.

Рисунок 7. На графике слева представлено улучшение значения Ra для предварительно поцарапанной пластины ячейки Хулла до и после никелирования. На графике справа представлено улучшение показателей шероховатости поверхности в зависимости от содержания блескообразователя

Чтобы определить требуемую концентрацию блескообразователя, были проведены измерения наиболее эффективного материала при одной плотности тока и разных концентрациях. Результаты этой работы представлены на рисунке 7.

Как и ожидалось, максимальная эффективность (оптимальная степень выравнивания) снова была достигнута при максимальном значении плотности тока. Следует отметить, что после определенной концентрации (примерно 0,2 г/л) увеличение дозы блескообразователя обеспечивало весьма небольшое преимущество. С другой стороны, результаты быстро ухудшались при снижении концентрации ниже 0,1 г/л. Недостаток блескообразователя может сделать детали блёклыми или привести к тому, что готовому изделию потребуется полировка. Избыток блескообразователя требует дополнительных затрат, но при этом обеспечивает незначительное повышение эффективности.

Аналогичные результаты получили Оникиу и Муресан при изучении роли тиомочевины в качестве добавки к электролитам никелирования. Они установили связь выравнивания и глянцевания с размером сформированных зерен.

Покрытия с более мелкозернистой структурой, полученные при высокой плотности тока, и добавки, адсорбированные преимущественно на микропиках поверхности, проявили локальное сопротивление, повышающее плотность тока в углублениях и впадинах, таким образом способствуя выравниванию.

КОРРЕКТИРОВКА ВАННЫ

Чтобы в полной мере понять, сбалансированы ли компоненты в ванне, идеальным вариантом было бы проведение полного химического анализа, однако пятиминутное испытание с помощью пластин в ячейке Хулла и профилометра может дать представление о том, ухудшается ли качество покрытых деталей. Добавление дополнительного блескообразователя до того, как качество деталей упадет ниже допустимого предела, помогает сократить потраченное время и расходы.

Электролиты никелирования Уоттса в сочетании с органическими добавками способствуют выравниванию высокочастотных неровностей под никелевым покрытием, снижая шероховатость и улучшая глянцевитость. Шероховатость можно количественно определить, быстро, просто и экономично, с помощью портативного профилометра, который можно использовать как в лаборатории, так и в производственных условиях.

Сбор данных профилометра позволяет специалисту разработать и подготовить комплекс добавок, предназначенных для улучшения характеристик шероховатости поверхности на участках высокой или низкой плотности тока, или направленных на более широкий диапазон плотностей тока, посредством смешивания конкретных материалов. Никелевые ванны, неэффективные из-за низкой концентрации блескообразователя, органических загрязнений или несбалансированных добавок, можно откорректировать с последующим ухудшением характеристик выравнивания.

Доктор Лоуренс Сегер, Марк Скарио и Кристиан Киссиг, Компания COLUMBIA CHEMICAL

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Чистая платина и золото в аддитивном гальваническом процессе
Чистая платина и золото в аддитивном гальваническом процессе
По данным компании, чистое золото и платина превосходно проводят электричество и обладают другими эксплуатационными преимуществами…
05.09.2022
55
Пленкообразование и образование шлама при использовании медных анодов
Пленкообразование и образование шлама при использовании медных анодов
Роль пленкообразования и образования анодного шлама при использовании фосфорсодержащих медных анодов в гальваническом производстве.
Ричард У. Стрейкен
28.10.2020
166
Использование неорганического композиционного покрытия для ремонта противокоррозионной защиты стальных конструкций*
Использование неорганического композиционного покрытия для ремонта противокоррозионной защиты стальных конструкций*
Разработанная паста в отличие от широко известных составов для удаления продуктов коррозии стали позволяет без…
Дёмин С.А., Виноградов С.С., д.т.н. Вдовин А.И
12.11.2020
363
Процесс нанесения покрытий на пластмассы впервые в Европе соответствует требованиям REACH
Процесс нанесения покрытий на пластмассы впервые в Европе соответствует требованиям REACH
Несколько лет назад компания Coventya запустила долгосрочный научно-исследовательский проект, направленный на удаление продуктов, содержащих Cr…
Coventya
02.08.2021
156
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
531
Золочение: твердое или мягкое
Золочение: твердое или мягкое
Чтобы правильно определить, какой тип золотого гальванопокрытия лучше подойдет для конкретного применения, необходимо рассмотреть пять…
Мэтт Линдстедт
08.10.2019
1653
Методы очистки сточных вод
Методы очистки сточных вод
При выполнении отделочных операций, помимо соблюдения стандартных требований, необходимо учитывать влияние на окружающую среду и…
Тим Ханна
04.08.2020
430
Разработка технологий вакуумного напыления для получения хромовых покрытий
Разработка технологий вакуумного напыления для получения хромовых покрытий
В данной статье рассматриваются преимущества вакуумной технологии и характеристики PVD-систем, разработанных в компании Kolzer.
Антонио Д'Эспозито, Изабела Ланге
04.08.2020
607
Влияние выпрямления тока с точки зрения гальваников
Влияние выпрямления тока с точки зрения гальваников
Целью настоящей статьи является освещение важнейших эксплуатационных параметров, которые зависят от выбора выпрямителя и обусловливают…
Вадим Патраков, Felipe Atti Dos Santos
23.03.2021
365