Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НИКЕЛЬ-ФОСФОРНОЙ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ

Изобретение относится к способам формирования никель-фосфорных пленок на поверхности металлической детали из раствора электролита, в частности к электролитам для формирования никель-фосфорных пленок, однородных по составу по всей толщине, и может быть использовано для получения сверхчерных покрытий, применяющихся в оптических информационных системах.

Известные способы формирования пленок из электролитов, содержащих ионы никеля и фосфора, как правило, характеризуются неравномерностью состава пленок по толщине, что обусловлено нестабильностью таких электролитов и уменьшением объема электролита в течение процесса из-за его выкипания при рабочих температурах 80-90°C. Уменьшение объема электролита, изменение состава компонентов и pH влияют на скорость осаждения пленки и ее состав по толщине. Необходимо контролировать эти параметры, корректировать состав и сохранять объем электролита.

Известен способ осаждения никеля из электролита, включающий осаждение никеля из сульфатных электролитов (пат. RU 2361967 C1, C25C 1/08 от 20.07.2009), с pH раствора 4,5-5,5 при температуре процесса 59,5-60°C. Концентрацию ионов Ni поддерживают путем вывода части отработанного электролита из системы циркуляции, а pH раствора непрерывно измеряют и автоматически поддерживают в процессе путем корректировки кислотности добавлением 36%-ного раствора NaOH. Недостатком способа является то, что при коррекции pH избыток раствора гидроокиси натрия в электролите образует плохорастворимые осадки белого цвета. Электролит мутнеет и подлежит замене.

Ближайшим по достигаемому результату является способ формирования никель-фосфорных пленок на предварительно подготовленных поверхностях металлических деталей, заключающийся в никелировании из раствора электролита, содержащего ионы никеля и фосфора (пат. RU 2293137 С1, C23C 18/36 от 10.02.2007). Электролит содержит уксуснокислый никель, гипофосфит натрия и уксусную кислоту, процесс проводится при температуре 83±2°C и pH 4,1-4,3. Способ позволяет получить пленки никеля до 55-57 мкм за 6-7-часов высаживания. Коррекцию раствора производят после четырех часов работы (один раз за 6-7 часовой цикл) по результатам анализа на содержание никеля и фосфора путем добавления в электролит расчетного количества гипофосфита натрия и сернокислого никеля, а коррекцию pH электролита - добавлением раствора NaOH.

Недостатком описанного способа является неоднородность по толщине химического состава наносимых никель-фосфорных пленок, обусловленная тем, что коррекция состава электролита производится периодически (раз в 4 часа), тогда как концентрация компонентов раствора электролита и его pH уменьшаются непрерывно в процессе осаждения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа формирования никель-фосфорных пленок на поверхности металлической детали, обладающих однородным по толщине химическим составом, а также увеличение непрерывного срока службы электролита.

Указанный технический результат достигается тем, что способ формирования никель-фосфорных пленок включает в себя подготовку поверхности металлической детали, осаждение никель-фосфорных пленок из раствора электролита, содержащего ионы никеля и фосфора, и коррекцию раствора электролита до требуемых концентраций ионов никеля и фосфора, величины pH и объема электролита. Никель-фосфорную пленку осаждают из раствора электролита, имеющего pH 3,5-5,0 и содержащего сернокислый никель, хлорид никеля, сульфат натрия, гипофосфит натрия и борную кислоту, при температуре 80-90°C, а коррекцию электролита проводят в течение всего процесса непрерывным капельным добавлением корректирующей добавки, имеющей pH 5,5-7,5, при скорости подачи 2-7 мл/мин на один литр электролита при постоянном перемешивании. При этом в качестве корректирующей добавки используют электролит, к которому добавили 25-50 мл/л 50%-ного раствора гидроокиси калия.

Предлагаемый способ позволяет значительно увеличить срок непрерывной работы и производительность электролита. В соответствии с настоящим изобретением электролит для осаждения никель-фосфорных пленок имеет повышенный срок непрерывной работы благодаря постоянному восполнению ионов никеля и фосфора в растворе и поддержанию постоянного объема электролита, что подтверждается отсутствием осадков и помутнения электролита, постоянным pH в течение всего процесса нанесения пленки. Кроме того, приготовление корректирующей добавки, в отличие от прототипа, не усложняет способ, т.к. ее состав практически совпадает с составом электролита, не требует дополнительного контроля параметров (содержание ионов никеля и фосфора) в процессе осаждения никель-фосфорной пленки на детали.

Пример реализации предлагаемого способа

Раствор для формирования никель-фосфорных пленок состоит из сернокислого никеля, хлорида никеля, сульфата натрия, гипофосфита натрия и борной кислоты и приготавливается следующим образом: в нагретой до 70°C воде растворяют борную кислоту, добавляют никель сернокислый, перемешивают до полного растворения сернокислого никеля, добавляют хлорид никеля и все перемешивают. В отдельных стаканах в горячей воде 70°C растворяют гипофосфит натрия и сульфат натрия, которые вливают в растворенный сернокислый никель с хлоридом никеля и борной кислотой и добавляют горячую воду до 1 литра. Нагревают полученный раствор до температуры 80-90°C. Полученный электролит имеет pH 3,5-5,0.

Корректирующую добавку готовят аналогично электролиту, добавив в готовый электролит 25-50 мл 50%-ного раствора гидрооксиси калия на 1 литр электролита. Раствор хорошо перемешивают и дают отстояться осадку, после чего раствор фильтруют. Полученная корректирующая добавка имеет pH 5,5-7,5.

Затем в ванну с нагретым до рабочей температуры электролитом опускают предварительно подготовленную металлическую деталь. Подготовка поверхностей металлических деталей проводится в соответствии с требованиями типового технологического процесса (ОСТ 107.460092.001-86). О начале реакции формирования пленки свидетельствует выделение пузырьков водорода на детали.

Как только деталь помещается в электролит, начинается капельная подача корректирующей добавки на поверхность электролита и продолжается в течение всего процесса со скоростью 2-7 мл/мин на один литр электролита. Капельная подача на поверхность электролита при постоянном его перемешивании корректирующего раствора позволяет поддерживать постоянный объем электролита, pH 3,5-5,0 и постоянный состав по никелю и фосфору. Данным способом были получены никель-фосфорные пленки толщиной 50-60 мкм при скорости роста 0,1-0,5 мкм/мин. Время непрерывной работы электролита не ограничено. Контроль pH осуществляется с помощью pH метра модель 2696 Я8-ФИО 00.001РЭ ГОСТ 22261-94 с комбинированным электродом ТУ 4215-004-35918409-2009. Контроль толщины и состава никель-фосфорной пленки по толщине проводился послойным стравливанием методом травления ионами галлия с помощью электронно-ионного микроскопа FEI Quanta 3D PEG и подтвердил, что полученные никель-фосфорные пленки имеют однородный химический состав по всей толщине пленки.

После окончания осаждения никель-фосфорная пленка подвергалась травлению в растворах кислот до получения сверхчерного покрытия. Детали со сверхчерным покрытием применяются как конструкционные детали частей оптических устройств и информационных систем.

Таким образом, разработанный способ формирования никель-фосфорных пленок позволяет поддерживать постоянный объем и состав электролита по основным компонентам, что обеспечивает осаждение пленок с постоянной скоростью и одинаковым химическим составом по всей толщине. Также способ увеличивает непрерывный срок службы электролита.