(к. т.н., доцент), Д. В Вельдин (студент),
(к. т.н., доцент)
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ СПЛАВА КОБАЛЬТ-ЦИНК
г. Пенза, ГОУ ВПО Пензенский государственный университет
В настоящее время получение гальванических покрытий из экологически наименее опасных электролитов представляется весьма сложной задачей. Необходимость замены токсичных цианистых и роданистых комплексов привела к появлению электролитов на основе винной, молочной, аминоуксусной, серной и других кислот.
При электроосаждении отдельных металлов выбор состава электролита и режима электролиза обусловливается главным образом получением плотных мелкокристаллических или блестящих осадков, имеющих хорошее сцепление с основным металлом. При гальваническом осаждении сплавов, состав электролита и условия электролиза, помимо получения покрытий высокого качества, должны обеспечить осаждение сплава заданного состава, удовлетворяющего техническим требованиям, предъявляемым к покрытию.
Наибольшее распространение для электроосаждения сплавов кобальта получили сульфатные электролиты. Их достоинством является устойчивость: анионы сернокислых солей не восстанавливаются на катоде и не окисляются на аноде. Сульфатные электролиты менее токсичны и агрессивны, чем хлоридные и сульфаматные, обладают высокой электропроводностью, могут быть весьма концентрированными, так как сульфаты хорошо растворяются в воде.
Для осаждения магнитных покрытий никель-кобальт используют электролит [1], содержащий (г/л): сульфат никеля 130-140, сульфат кобальта 110-120, борную кислоту 20-30, хлорид калия 10-15. Режим электролиза: температура 50-60ºС, плотность тока 1,0-1,5 A/дм2, рН 4,0-5,0, аноды из сплава никель-кобальт. При рН более 5,0 коэрцитивная сила сплава падает, а магнитные свойства достигают максимума при температуре электролита 50-60ºС.
В литературе [1] имеются данные о влиянии состава электролита на состав сплава кобальт-никель и его магнитные свойства. С увеличением соотношения никель/кобальт в электролите от 1:1 до 5:1, содержание никеля в сплаве увеличивается от 5 до 40%. Из электролитов с меньшими концентрациями кобальта и никеля осаждаются покрытия с более выраженными значениями коэрцитивной силы, чем у более концентрированных.
С изменением катодной плотности тока от 1 до 4 А/дм2 содержание никеля в сплаве кобальт-никель увеличивается.
Влияние температуры электролита на состав сплава кобальт-никель и его магнитные параметры проявляются довольно резко. Максимум магнитных свойств наблюдается при температуре 40-45ºС, с увеличением температуры уменьшается коэрцитивная сила сплава. Такое влияние температуры на магнитные свойства сплава кобальт-никель можно объяснить изменением состава сплава: с повышением температуры увеличивается содержание никеля в сплаве и, соответственно, изменяется микроструктура.
На состав сплава кобальт-никель и, следовательно, на магнитные характеристики большое влияние оказывает рН электролита. С возрастанием рН от 1,0 до 4,0 резко изменяется состав сплава: содержание никеля увеличивается от 18 до 32%. При этом возрастает и коэрцитивная сила. При рH электролита от 4,0 до 7,0 состав сплава остается практически постоянным.
Для получения наилучших магнитных характеристик сплава кобальт-никель следует обеспечить содержание кобальта в сплаве ~80%. Для осаждения сплава с таким содержанием кобальта рекомендуется следующий состав электролита [2] в г/л: сульфат кобальта 130-140, сульфат никеля 110-120, борная кислота 20-30, хлорид калия 4-5, рН 4-5. Режим электролиза: катодная плотность тока 1-2 А/дм2, температура 20-25°С.
Недостатком сульфатных электролитов является повышенная хрупкость получаемых осадков.
В промышленности применяются сульфаматные электролиты, которые позволяют вести осаждение при высоких плотностях тока. Получаемые из них осадки менее хрупкие и могут подвергаться различным видам механической обработки.
Для использования в промышленности [3] рекомендуется электролит следующего состава (г/л): сульфамат никеля (кристаллогидрат) 430-440, сульфамат кобальта (кристаллогидрат) 26-27, хлорид никеля (кристаллогидрат) 2-4, борная кислота 40, лаурилсульфат натрия 0,7-1, сахарин 0,1. Режим электролиза: рН 3,5-3,8; температура электролита 55-60ºС; катодная плотность тока 5 А/дм2. Перемешивание сжатым воздухом.
В литературе [4] описан фторборатный электролит для получения сплава кобальт-никель, следующего состава (г/л): борфторид кобальта 0,7-1, борфторид никеля – суммарная концентрация 1 М, сахарин 0,66, рН 3. Режим осаждения: температура 50ºС, плотность тока 6-20 А/дм2. Содержание никеля 40-100%. Выход по току сплава 66-96%.
Для осаждения сплава кобальт-вольфрам [5] используют электролит: сульфамат кобальта 52-58, вольфрамат натрия 33-39, сульфат аммония 250-300, едкий натр 10-11, гидроокись аммония (25%) до рН 9-9,5. Режим электролиза: температура 58-60ºС, катодная плотность тока 3-3,5А/дм2. Аноды из кобальтовых пластин и прутков вольфрама. Выход по току 65-69%.
Осаждение сплава кобальт-медь [1] ведут из электролита (г/л): кобальт 3,0-3,5, медь 1,0-1,5, пирофосфат натрия 20-25, цитрат аммония 35-40. Режим электролиза: температура 15-25ºС, рН 8-8,2, плотность тока 0,3-0,4 А/дм2, аноды из стали 12Х18Н9Т или графита. Покрытия сплавами кобальт-медь содержат 20-40% меди. При увеличении суммарной концентрации металлов в электролите повышается содержание меди в сплаве, так как константа нестойкости комплекса меди изменяется при этом больше, чем у комплекса кобальта.
В работе [6], из электролита (в г/л) сульфат никеля 240, хлорид никеля 50, борная кислота 30, сульфат кобальта 10-30, получали покрытия из сплавов Ni-Co с Al2O3. Наночастицы Al2O3 добавляли в электролит в количестве 5 и 10 г/л. Установлено, что наночастицы Al2O3 внедряются в матрицу сплавов и улучшают истираемость, противокоррозионную устойчивость и механические свойства покрытия.
Анализ литературных источников показал, что наиболее широкое применение нашли сульфатные электролиты. Эти электролиты просты по своему составу, менее токсичны и агрессивны, обладают высокой электропроводностью и могут быть весьма концентрированными. Однако, по степени токсичности, виннокислые электролиты выглядят еще более привлекательно.
Исследования электроосаждения кобальта проводили из электролита следующего состава:
Сульфат кобальта-10-15г/л;
Винная кислота до соотношения 1:1 по металлу
рН=3,3-4 (поддерживалась гидроксидом натрия)
Из данного электролита осаждаются плотные, мелкокристаллические, компактные осадки кобальта. Покрытие имеет хорошие защитно-декоративные свойства. В рабочем диапазоне плотностей тока получаются блестящие покрытия с хорошей адгезией к основе.
Для получения сплава кобальт-цинк в электролит кобальтирования ввели сульфат цинка в количестве 0,5-1г/л. Покрытия сплавом кобальт-цинк имеют мелкозернистую структуру, хорошую отражательную способность. Покрытия наносились на медную подложку М00 и имели хорошее сцепление с основой. Наилучшие образцы были получены при катодной плотности тока 2-2,5 А/дм2 и рН=4. Все эксперименты велись при температуре 293-297К на постоянном токе.
Список литературы.
1. Мельников по гальванопокрытиям в машиностроении: 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1991. – 384 с.
2. Дасоян электрохимических покрытий / , , // – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. – 391 с.
3. Вячеславов формование / , // – Л.: Машиностроение, 1979. – 200 с.
4. Anantha Раdmаnаbhan S., Srinivasan N. S., Vasu К. J. «J. Electrochem. Soc. India», 1973. – V. 22, № 3. – Р. 167-171.
5. Волянюк формование деталей из сплава никель-кобальт. // Повышение качества и надежности гальванических покрытий. – Л.: ЛДНТП, 1978. – С. 39-43.
6. Garac G. Effect of nano-Al2O3 on the electrodeposition of Ni-Co alloys / G. Garac, C. Iticescu // 55 Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry «Electrochemistry. From Nanostructures to Power Plants», 19-24 Sept., 2004. – Lausanne. Int. Soc. Electrochem. 2004. – P. 588.
