Фазлутдинов К.К.

26.11.2018 (обновленно 11.05.2021)

4069 просмотров

Механизм и технология химического никелирования сплавом никель-бор. Структура и свойства покрытия.

Содержание:

 1. Общие сведения о покрытии никель-бор.

2. Структура и свойства покрытия никель-бор.

3. Коррозионные свойства никель-борного покрытия.

1. Общие сведения о покрытии никель-бор.

Покрытие никель-бор является "родственником" никель-фосфорного. Поверхность Ni-B покрытий может иметь различный внешний вид, в зависимости от состава раствора и условий осаждения: от матово-черного до блестящего. Обычно все факторы, приводящие к уменьшению скорости процесса, способствуют образованию менее шероховатых покрытий. Само осаждение сплава может быть проведено как химическим, так и гальваническим способом. 

Если сплав наносится химическим способом, то может использоваться обозначение: Хим.Н15, с указанием, что применяется сплав с содержанием бора 5%. 
Содержание бора в покрытии в норме 0,05-10%. Чаще - 6-6,5%. При содержании бора <2,5% осадки кристаллические, от 3 до 5% - смешанные (аморфная и кристаллическая фазы), более 5,5% - аморфные. Бор распределяется по толщине покрытия более равномерно, чем фосфор в сплаве никель-фосфор.

В состав могут включаться в большом количестве таллий (1-4%), в примесных количествах (сотые и тысячные %): магний, медь, железо, марганец, кобальт, алюминий, молибден, кальций, кремний, цинк. Осадки Ni-B содержат довольно много водорода (200-210 мл/100г, т.е. 0,02%). При нагревании количество водорода может быть сведено почти к 0. 

2. Структура и свойства покрытия никель-бор.

Никель-борные покрытия характеризуются слоисто-столбчатой структурой, свойственной химически осажденным кобальт-фосфорным покрытиям. В исходном состоянии они представляют собой пересыщенный твердый раствор внедрения бора в г.ц.к. β-никеля. Степень аморфизации осадков сильно зависит от содержания бора. Нагрев приводит к распаду твердого раствора и образованию при 150-265°С борида никеля Ni3B с орторомбической решеткой и при 300-350°С борида никеля Ni₂B с тетрагональной решеткой. В системе Ni-B с нагревом происходят более сложные структурные превращения, по сравнению с системой Ni-P, что отражается на физико-химических свойствах никель-борных покрытий. 

Плотность осадков Ni-B составляет от 7,8 (6-7% B) до 8,5 (0,1-3% B). 

Одной из особенностей борсодержащих сплавов никеля является высокая температура плавления (от 1060°С при 7-8% В до 1450оС при 0,1-0,5% В), что существенно превосходит сплав никель-фосфор. 

Удельное электрическое сопротивление никель-бора может быть даже ниже, чем чистого никеля, но с ростом содержания бора в сплаве оно возрастает. В процессе "первичного" прогрева до 1100°С никель-борным покрытиям свойственен отрицательный температурный коэффициент сопротивления и только при повторном нагреве электрическое сопротивление, как и у большинства металлов, начинает монотонно возрастать. После термической обработки удельное электрическое сопротивление осадков снижается. 

Незначительное контактное сопротивление осадков никель-бор (10-15 мОм при содержании 1% B в сплаве) близко к золотым покрытиям (5 мОм) и слабо зависит от условий коррозионного воздействия. 

Сплавы никель-бор с содержание 1% B хорошо паяются. Краевой угол смачивания поверхности покрытия с содержанием бора 0,25% припоем при использовании флюса уменьшается с 149 до 32°. Таким образом, никель-бор обладает лучшей паяемостью, чем никель-фосфор, но уступает по этому параметру чистому никелю. 

Изделия из железа и стали, покрытые Ni-B могут быть подвергнуты сварке без защитной атмосферы.

Прочность и пластичность никель-бора увеличивается одновременно с уменьшением количества бора в сплаве. При содержании бора 3-8% осадки становятся менее пластичными, чем никель-фосфор.

Твердость покрытия никель-бор в свежеосажденном состоянии составляет 6000-8000 МПа и практически не зависит ни от состава раствора, ни от количества бора в сплаве. В результате термообработки твердость сплава обычно увеличивается. Зависимость твердости от температуры имеет максимум в 11000-13000 МПа для покрытий с содержанием 4-7% B в сплаве. Увеличение твердости обусловлено дисперсионным твердением при выделении фаз Ni₃B и Ni₂B. Дальнейшее увеличение температуры термообработки приводит к снижению твердости за счет снятия внутренних напряжений, частичной коагуляции и рекристаллизации выделившихся фаз. После высокотемпературного прогрева при 800°С покрытие никелем с содержанием бора 0,2-4,7% имеет твердость 3300-4500 МПа. Нагрев приводит к уменьшению износа Ni-B осадков, который становится меньше износа прогретого никель-фосфора. Для термообработки Ni-B, в отличие от Ni-P наблюдается прямая зависимость между износом и твердостью.

Наличие в составе таллия 2-4% значительно улучшает механические характеристики никель-борного покрытия (пластичность, твердость, износостойкость, коэффициент трения.

Коэффициент трения скольжения Ni-B в парах с закаленной инструментальной сталью, чугуном или хромовым покрытием при использовании смазки уменьшается с 0,36-0,44 до 0,1-0,13.

Покрытиям никель-бор свойственны растягивающие внутренние напряжения, которые по величине (90-500 МПа) обычно выше, чем у никель-фосфора. Внутренние напряжения увеличиваются со снижением количества бора в осадке. Так, для покрытий толщиной 13 мкм, содержащих 4,3; 1,2 и 0,4 % B, величины внутренних напряжений составляют 120, 310, 480 МПа соответственно.

Магнитные характеристики никель-борных покрытий указывают на то, что включение бора в никель приводит к резкому уменьшению значений максимальной и остаточной индукции. Сплавы с содержанием меньше 5,5% бора независимо от температуры отжига являются ферромагнитными, в то же время покрытия с 6,4% бора проявляют ферромагнетизм лишь после отжига в интервале температур от 200 до 300°С. Коэрцитивная сила никель-бора с содержанием бора 4-6% составляет 6-7,6 кА/м и после нагрева может возрастать до 10,4-12,8 кА/м. 

3. Коррозионные свойства никель-борного покрытия.

Коррозионная стойкость никель-борного покрытия (5% В) толщиной 30 мкм на стали в различных средах при 20°С приведена в таблице ниже. Показатель коррозии К0 соответствует скорости коррозии менее 1*10-3 мм/год (очень высокая устойчивость), К1 - менее 5*10-3 мм/год (высокая устойчивость), К2 - менее 10*10-3 мм/год (устойчивость), К4 - более 20*10-3 мм/год (отсутствие устойчивости).

* Продолжительность обработки 2 часа.
** Использовались кипящие растворы.

Сталь, покрытая сплавом Ni-B, устойчива в растворах едких щелочей, хлорированных и других углеводородах, в растворах солей-окислителей (бихроматы, перманганаты) и обладает пониженной стойкостью в растворах аммиака и солей аммония. В неорганических и органических кислотах скорость коррозии 20*10-3 мм/год, поэтому покрытия Ni-B в этих средах не рекомендуется использовать. Термическая обработка сплава в пределах 200-350°С либо не влияет на скорость коррозии, либо способствует ее повышению. Однако, коррозионная устойчивость начинает возрастать при термообработке покрытия выше 500°С, (преимущественно 600-650°С) на воздухе. Стойкость таких сплавов обусловлена как образованием на границе раздела "покрытие-основа" достаточно толстых диффузионных зон с повышенной концентрацией бора, так и формированием на поверхности покрытия стеклообразной пленки оксидов бора. Последнее объясняет также высокую стойкость борсодержащих сплавов против высокотемпературного окисления. Защитные свойства никель-борных покрытий при солевых испытаниях обычно сопоставимы с соответствующими характеристиками никель-фосфора и существенно выше, чем у гальванического никеля. Так, покрытия с 1% бора при толщине 2,5 мкм обеспечивают лучшую защиту в отношении стали, чем гальванический никель толщиной 25 мкм.