Полирование цветных и редких металлов
Никель
Для электрохимического полирования никеля применяются в основном растворы серной кислоты и ее смеси с фосфорной кислотой. В качестве добавок к этим электролитам предложены хромовый ангидрид, трехвалентные соединения хрома и алюминия, соляная кислота, органические соединения — глицерин, этиловый спирт, лимонная кислота.
В сернокислом электролите полирование никеля происходит при концентрации основного компонента 60—70% (массовые доли). Отсутствие эффекта полирования при обработке никеля в растворе, содержащем 590 г/л H2SO4, связывают с сильной пассивацией анода, а в растворе, содержащем 1250 г/л H2SO4, — с очень низкой электропроводностью раствора [48]. Предполагается, что процесс полирования никеля в серной кислоте связан не только с концентрацией основного компонента, но и с содержанием воды [87]. Хорошее качество полирования достигается в случаях, когда молекулы воды играют роль акцептора.
Полирование никеля в сернокислом электролите происходит при плотностях тока, соответствующих горизонтальному участку поляризационной кривой и выше его, когда начинается выделение на аноде кислорода.
Возможность полирования никеля была установлена также для растворов соляной кислоты и ее смесей с глицерином. Поляризационная кривая процесса анодной обработки никеля в 9 н HCl, аналогична поляризационной кривой, получаемой при обработке никеля в сернокислом растворе. При плотности тока 0,37 А/см2 наблюдается растворение зеленой окисной пленки на металле и возникновение блеска поверхности [110]. В более поздних работах было подтверждено образование окисных пленок на никеле при его анодной обработке в растворе разбавленной соляной кислоты (1:1) и ее смеси с глицерином и водой в соотношении 2:1:1 [12 ]. Введение глицерина привело к снижению предельной плотности тока, что может быть связано с уменьшением агрессивности электролита по отношению к пленке и с затруднением диффузии кислоты к аноду. Данные об анодном поведении никеля в растворах соляной кислоты подтверждают возможность полирования металла в условиях окисной пассивности даже в весьма агрессивных растворах.
Наиболее простым и экономичным электролитом для полирования никеля является сернокислый, содержащий 1000—1100 г/л H2SO4. Электролиз ведут при температуре 20—40° С, плотности тока 20—40 А/дм2 и напряжении 10—15 В. Продолжительность полирования в зависимости от состояния исходной поверхности составляет 0,5—2 мин. Эксплуатация электролита возможна до накопления в нем 80—90 г/л сернокислого никеля.
Значительное разбавление кислоты или повышение ее концентрации свыше 1300 г/л приводит к ухудшению качества полирования и даже полному отсутствию блеска поверхности металла. С понижением концентрации кислоты для достижения эффекта полирования плотность тока должна быть повышена, что может вызвать разогревание анода и прианодного слоя электролита и привести к увеличению съема металла. Повышение концентрации кислоты сопровождается увеличением напряжения на ванне и также может вызвать возрастание съема металла, вследствие затруднения отвода тепла от анода.
Перед началом эксплуатации сернокислый электролит прорабатывают с никелевым анодом до накопления в нем З—4 г/л никеля. Продолжительность проработки может быть уменьшена введением в раствор небольшого количества сернокислого никеля.
Применение сернофосфорнокислого электролита позволяет значительно расширить рабочий диапазон плотностей тока. Полирование никеля в нем происходит при более низких плотностях тока, чем в сернокислом электролите, что существенно для производственных условий.
Соотношение концентраций H3PO4 и H2SO4 может изменяться в широких пределах [58]. Допускается содержание в смеси от 10 до 80% каждой кислоты при общем количестве их не более 90%. Концентрация воды изменяется от 10 до 40%. Электролит оптимального состава содержит (в массовых долях) 30—50% H3PO4, 50—30% H2SO4, 20% H2O. В таком растворе никель полируется при температуре 18—25° С и плотности тока от 5 до 100 А/дм2. Продолжительность электролиза составляет 5—10 мин. Для сернокислого электролита, содержащего 60—70% H2SO4, нижняя граница плотности тока, при которой происходит полирование, составляет 10—20 А/дм2. Добавка в сернофосфорнокислый раствор ингибитора ПБ-5 не оказывает заметного положительного влияния на качество полирования.
В электролите, содержащем 50% H3PO4, 30% H2SO4, 20% H2O, можно вести полирование никеля переменным током, но в узком диапазоне плотностей тока — от 75 до 100 А/дм2 [60], что делает этот способ неприемлемым для производства. Изменение соотношения концентрации кислот или введение в электролит ингибитора ПБ-5 ухудшает качество полирования.
Из неорганических добавок в электролиты для полирования никеля наиболее распространен хромовый ангидрид. Никель хорошо полируется в фосфорносернохромовокислых электролитах, применяемых для полирования углеродистых сталей, составы которых были приведены выше. Электролиз ведут при температуре 18—25° С и плотности тока 30—40 А/дм2.
Присутствующие в таком электролите шестивалентные ионы хрома способствуют повышению качества полирования, но не играют такой активной роли, как в процессе электрохимического полирования стали. Это, в частности, следует из того, что в электролитах, содержащих наряду с хромовым ангидридом глицерин или перекись водорода, хром находится в виде трехвалентных ионов, а качество полирования никеля достигается достаточно высокое. Один из таких электролитов имеет следующий состав: 1700 г H2SO4, 30 г CrO3, 15 г глицерина и до 1 л H2O. Плотность раствора 1,6 г/мл. Полирование ведут при температуре 20—40° С, плотности тока 25—30 А/дм2, напряжении 12—15 В в течение 0,5—1 мин.
Из органических соединений в полировочные электролиты добавляют кислоты или спирты. Для обработки никеля рекомендован электролит следующего состава (в г/л): H3PO4— 600—700, H2SO4— 1000—1200, лимонной кислоты— 15—20. Режим электролиза: плотность тока 30—50 А/дм2, температура 18—30° С, катоды никелевые или свинцовые. После приготовления электролита его прорабатывают с никелевыми анодами 3—5 А-ч/л. Корректирование электролита сводится к периодическому добавлению кислот и воды. По прошествии 450—500 А·ч/л добавляют 2 г/л лимонной кислоты. Появление матовости на поверхности анода вызывается разбавлением электролита водой или применением низкой плотности тока. Причиной точечного травления может быть понижение концентрации фосфорной или лимонной кислоты. Быстрое растворение никеля происходит при повышении температуры электролита.
Для полирования сплавов на никелевой основе, а также сплава ЭИ617 применяют смесь фосфорной и серной кислот с глицерином или диэтиленгликолем [68]. Примерный состав электролитов следующий (массовые доли, %):
1. Серная кислота.............. .....42
Фосфорная кислота...................35
Диэтиленгликоль ........ ..........23
2. Серная кислота...................................47
Фосфорная кислота...................38
Глицерин........................15
Электролит 1 приемлем для полирования сплава на никелевой основе, содержащего 12% кобальта и не содержащего титана. Он характеризуется несколько большим сроком службы, чем электролит 2. По мере накопления в электролитах никеля и хрома качество полирования ухудшается. Для регенерации раствора положительные результаты дало применение ионообменной смеси АН-1.
Никелевые сплавы с высоким содержанием железа полируют в электролите, содержащем 133 мл уксусной кислоты, 25 г CrO3, 7 мл H2O при плотности тока 23—29 А/дм2 [83].