background image

3.  Warstwy powierzchniowe otrzymywane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi 

3.1. 

Podstawowa charakterystyka warstw i procesów 

Warstwy powierzchniowe wytworzone chemicznie i elektrochemicznie, nazywane te  powłokami, s  jednym ze 

sposobów modyfikacji wła ciwo ci, u ytkowych gotowych wyrobów. Tego typu warstwy s  wytwarzane na po-

wierzchni gotowych wyrobów w celu poprawienia ich wła ciwo ci mechanicznych, zwi kszenia odporno ci na 

korozj  lub te  s  stosowane jako wyko czenie dekoracyjne. Metodami chemicznymi i elektrochemicznymi 

wytwarzane s  powłoki metalowe oraz powłoki niemetalowe. 
Powłoki z metalu lub stopu otrzymuje si  w wyniku osadzania na powierzchni wyrobu atomów metalu, 

powstaj cych w procesie redukcji jonów tego metalu z roztworu elektrolitu, według równania 

 

W procesach elektrochemicznych jony metalu redukowane s  na katodzie przy udziale pr du elektryczego, 

natomiast w procesach chemicznych — bez-pr dowo — w wyniku reakcji chemicznej. Metodami chemicznymi i 

elektrochemicznymi mo na osadza  na wyrobach wi kszo  metali w stanie bardzo czystym lub z mał  

zawarto ci  innych metali oraz w postaci stopów o szerokim zakresie ich składu. Tymi metodami mo na 

wytwarza  powłoki jednowarstwowe lub wielowarstwowe zarówno na podło u metalowym, jak i niemetalowym 

(np. z tworzyw sztucznych). 
Warstwy niemetalowe wytwarzane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi nosz  nazw  powłok 

konwersyjnych. Powłoki konwersyjne wytwarzane s  na powierzchni metalu lub stopu i składaj  si  ze 

zwi zków metalu podło a. Do powłok konwersyjnych zalicza si : powłoki fosforanowe, chromianowe, tlenkowe i 

szczawianowe. Powłoki tego typu powstaj  w wyniku reakcji atomów warstwy powierzchniowej metalu z 

anionami odpowiednio dobranego  rodowiska. Reakcj  tak  w sposób ogólny mo na przedstawi  nast puj co 

 

 

 

gdzie: 

Me    — atom reaguj cego metalu,

 

A

-z

    — anion  rodowiska,

 

m, n  — współczynniki stechiometryczne,

 

z       — liczba elementarnych ładunków elektrycznych,

 

e       — elektron.

 

Powłoki konwersyjne powstaj  w wyniku takiej samej reakcji, według której zachodz  procesy 

korozji. Tak wi c formowanie warstwy konwersyjnej jest celowo wywołanym i kierowanym procesem 

korozji,  w  wyniku  którego  na  powierzchni  metalu  tworzy  si   warstwa  ci le  zwi zana  z  podło em  o 

wła ciwo ciach  izolatora  elektrycznego,  nierozpuszczalna  w  wodzie  i  rodowisku  wywołuj cym  ten 

proces.  Powłoki  konwersyjne  mog   powstawa   w  wyniku  procesów  chemicznych,  np.  podczas 

zwykłego  zanurzania  metalu  w  roztworze  oraz  w  procesach  elektrochemicznych,  gdy  czynnikiem 

wymuszaj cym  proces  jest  pr d  elektryczny  przepływaj cy  przez  elektrolit,  a  powłoka  tworzy  si   na 

powierzchni metalu b d cego anod .

 

Proces  formowania  si   powłok  konwersyjnych  w  rzeczywisto ci  jest  bardziej  zło ony,  ni   to 

przedstawia  podane  wcze niej  równanie.  Na  proces  ten składa si  cały szereg powi zanych ze sob  

procesów  elektrochemicznych,  fizykochemicznych  i  chemicznych,  w  wyniku  których  generowana 

powłoka  najcz ciej  nie  jest  typow   powłok   konwersyjn   jednoskładnikow ,  lecz  powłok   o 

ró norodnym  składzie.  W  przypadku,  gdy  w  reakcji  oprócz  anionów  bior   udział  równie   kationy 

rodowiska  lub  gdy  zachodz   reakcje  wtórne, otrzymane powłoki nazywa si  pseudokonwersyjnymi. 

Przykładem s  warstwy fosforanowe wytworzone na wyrobach stalowych.

 

Technika wytwarzania powłok metalowych i niemetalowych w procesach elektrochemicznych jest 

nazywana galwanotechnik , za  otrzymywane warstwy nosz  nazw  powłok galwanicznych.

 

Warstwy  powierzchniowe  wytwarzane  na  gotowych  wyrobach  w  procesach  technologicznych 

metodami chemicznymi i elektrochemicznymi maj  budow  krystaliczn , natomiast warstwy bardzo 

cienkie mog  by  bezpostaciowe. Warstwy krystaliczne charakteryzuj  si  zwart  struktur , dobr  przy-

czepno ci  do podło a oraz du  twardo ci  i odporno ci  na  cieranie. Dobra przyczepno , czyli 

adhezja  warstwy  do  podło a,  jest  wynikiem  wi za   warstwy  z  podło em  siłami  o  charakterze 

mi dzyatomowym.  Wi zania  takie  wyst puj   wówczas,  gdy  odległo   mi dzy  atomami  osadzanej 

warstwy  a  atomami  podło a  jest  rz du  odległo ci  mi dzy  atomowych.  W  takim  przypadku  struktura 

background image

krystaliczna  powłoki  mo e  stanowi   przedłu enie  struktury  podło a.  Takie  przedłu enie  mo e 

wyst powa   zarówno  w  ramach  tego  samego,  jak  i  ró nych  układów  krystalograficznych 

znajduj cych  si   w  warstwie  i  podło u,  lecz  tylko  wówczas,  gdy  ró nice  parametrów  ich  sieci  nie 

przekraczaj  2,5%.

 

Warstwy wytwarzane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi ogólnie charakteryzuj  si :  

•  du  jednorodno ci  i równomierno ci , 

  mał  porowato ci , 

  dobr  przyczepno ci  do podło a, 

  mo liwo ci  zmian wła ciwo ci fizycznych gotowych wyrobów w stosunko 

wo szerokim zakresie. 

Wła ciwa oraz dobrze wykonana warstwa powierzchniowa poprawia ogólnie jako  wyrobów, ich prawidłowe i 

niezawodne działanie oraz przedłu a czas u ytkowania. Przy wyborze rodzaju wytwarzanej warstwy na 

powierzchni wyrobu nale y uwzgl dni  wiele powi zanych ze sob  czynników, które wynikaj  z: 

  zada , jakie ma spełnia  wytwarzana warstwa, 

  wła ciwo ci i składu chemicznego materiału podło a, na którym wytwa 

rzana jest warstwa, 

  warunków eksploatacji wyrobów, 

  charakterystyki agresywno ci korozyjnej  rodowiska, w którym b d  u yt 

kowane wyroby, 

  czasu u ytkowania wyrobu, 

  wzgl dów ekonomicznych, zwi zanych z kosztami wytworzenia warstwy. 

Poza prawidłowym doborem rodzaju warstwy na wła ciwe funkcjonowanie 

wyrobów z warstw  powierzchniow  ma równie  istotny wpływ jej jako . O jako ci warstw wytworzonych 

metodami chemicznymi i elektrochemicznymi decyduje: 

  materiał podło a, na którym osadzana jest warstwa, 

  stan powierzchni podło a, 

  parametry procesu wytwarzania warstwy. 

Struktura krystaliczna podło a oraz obecno  wtr ce  i zanieczyszcze  na powierzchni maj  wpływ na przebieg 

procesów elektrokrystalizacji, a tym samym na budow  i wła ciwo ci fizykochemiczne formowanych warstw w 

procesach chemicznych lub elektrochemicznych. Na przykład kobalt, zwykle krystalizuj cy w układzie 

heksagonalnym, w powłokach galwanicznych wyst puje jako mieszanina dwóch alotropowych postaci, o udziale 

których decyduje struktura podło a. Natomiast chrom, o sieci regularnej przestrzennie centrowanej (A1

materiale litym, wyst puje w dwóch postaciach alotropowych w warstwach osadzanych elektrochemicznie. 

W zale no ci od warunków procesu elektroosadzania chrom krystalizuje w układzie regularnym przestrzennie 

centrowanym (Alalbo heksagonalnym zwartym (A3). W przypadku osadzania warstwy cynowej na podło u 

miedzianym, na granicy podło a i warstwy tworzy si , w wyniku procesów dyfuzyjnych, warstewka stopu, która 

znacznie zwi ksza przyczepno  warstwy do podło a. 

3.1.1. 

Techniki wytwarzania warstw 

Proces nakładania powłok chemicznych i elektrochemicznych składa si  z trzech zasadniczych etapów: 

1)

  przygotowanie powierzchni pod powłok , 

2)

  wytworzenie powłoki, 

3)

  operacje wyka czaj ce. 

Podstawowym warunkiem otrzymania powłok odpowiedniej jako ci i przyczepno ci do podło a jest wła ciwe 

przygotowanie powierzchni pod powłok . Takie przygotowanie polega na usuni ciu wszelkich uszkodze  i 

nadaniu odpowiedniego ukształtowania powierzchni podło a oraz na dokładnym oczyszczeniu jego powierzchni 

ze wszystkich obcych substancji. Przed nało eniem powłoki nale y usun  z powierzchni podło a wszelkie 

zanieczyszczenia mechaniczne, oleje, smary i tłuszcze oraz produkty korozji. Nawet minimalne pozostało ci 

tłuszczów powoduj  złuszczanie si  nakładanych powłok. Nie usuni te dokładnie produkty korozji mog  nie 

tylko znacznie obni y  przyczepno  warstwy do podło a, lecz równie  by  przyczyn  powstawania ognisk 

korozyjnych pod nało on  powłok . Chropowato  powierzchni oraz jej ró norodne uszkodzenia (gł bokie rysy) 

mog  stanowi  przyczyn  ró nych nieci gło ci i porów w warstwie oraz mog  wpływa  na pogorszenie jej po-

łysku i stopnia gładko ci. 
Ze wzgl du na zró nicowane wła ciwo ci fizykochemiczne wyst puj cych zanieczyszcze  i ró norodno  

uszkodze  do ich usuwania stosuje si  wiele metod, a mianowicie: 

  mechaniczne ( cieranie), 

  fizyczne (rozpuszczanie, emulgowanie), 

  chemiczne (zamydlanie tłuszczów, rozpuszczanie produktów korozji w kwa 

sach), 

background image

  elektrochemiczne (za pomoc  pr du i gazowych produktów reakcji), 

•  fizykochemiczne (przy wykorzystaniu ultrad wi ków). 

Przygotowanie powierzchni metodami mechanicznymi stosowane jest w przy 

padku zmiany gładko ci powierzchni, wykonania obróbki wyka czaj cej, jak 

np. zaokr glenia ostrych kraw dzi lub usuni cia zgorzeliny oraz uszkodze  

w warstwie przypowierzchniowej. 

Zanieczyszczenia pochodzenia organicznego (oleje, smary, tłuszcze) s  usuwane z powierzchni w procesie 

odtłuszczania. Proces odtłuszczania składa si  najcz ciej z wielu operacji odtłuszczania i mycia. Dobór metody 

odtłuszczania jest uzale niony od składu chemicznego zanieczyszcze  znajduj cych si  na powierzchni, jak 

równie  od rodzaju nakładanej powłoki. Oleje i smary mineralne s  usuwane z powierzchni w wyniku 

rozpuszczania ich w takich rozpuszczalnikach organicznych, jak: benzen, toluen, tri i inne. Natomiast usuwanie z 

powierzchni kwasów tłuszczowych oraz niektórych gatunków wosków odbywa si  przez odtłuszczanie alkaliczne. 

K piele alkaliczne powoduj  zmydlanie estrów kwasów tłuszczowych znajduj cych si  w tych zanieczyszcze-

niach. 
Podczas procesu odtłuszczania usuwane s  równie  z powierzchni zanieczyszczenia pozostałe po obróbce 

mechanicznej. 
Po usuni ciu z powierzchni zanieczyszcze  pochodzenia organicznego usuwane s  nast pnie substancje 

nieorganiczne: zgorzelina, rdza i inne produkty korozji. Usuwanie tego typu zanieczyszcze  odbywa si  w 

procesie trawienia w roztworach kwasów nieorganicznych oraz w nielicznych przypadkach w ługach. Rodzaj 

kwasu lub zasady oraz metoda trawienia zale y od odporno ci produktów korozji oraz rodzaju podło a. Do 

usuwania produktów korozji z powierzchni metalowych najcz ciej u ywa si  roztworów kwasu solnego, siar-

kowego oraz fosforowego. 

Uzyskanie odpowiedniej faktury, czyli ukształtowania powierzchni podło a o 

du ym 

stopniu 

gładko ci  metodami  mechanicznymi  jest  pracochłonne  i  kosztowne  oraz  nie  zawsze  jest  mo liwe  do 
zrealizowania  dla  powierzchni  trudno  dost pnych.  W  praktyce  do  usuwania  chropowato ci  i  wybłyszczania 
powierzchni metalowych stosuje si  polerowanie metodami chemicznymi i elektrochemicznymi. Wygładzanie 
powierzchni  tymi  metodami  polega  na  rozpuszczaniu  jedynie  wierzchołków  nierówno ci  w  odpowiednio 
dobranym elektrolicie i  warunków  warunków  warunków  z  zachowaniem  wła ciwych  warunków  pracy,  przy 
równoczesnym  braku  wytrawiania    wgł bie       powierzchni.      Podczas      polerowania    elektrochemicznego 
rozpuszczanie  nierówno ci  powierzchni  nast puje  przy  udziale  pr du  elektrycznego.    W  procesie    tym 
polerowany  przedmiot    stanowi    anod .    Natomiast  w  procesach  polerowania  chemicznego  rozpuszczanie 
nast puje  bezpr dowo  w  wyniku  działania  substancji  utleniaj cych  zawartych  w  k pieli.  Dobre  wyniki 
polerowania  powierzchni    metodami    chemicznymi      i    elektrochemicznymi  uzyskuje  si   wówczas,  gdy 
struktura metalu podło a jest jednorodna i drobnokrystaliczna. Struktura grubokrystaliczna i niejednorodna oraz 
obecno  

zanie

 

czyszcze  i wtr ce  niemetalicznych, utrudniaj  proces polerowania tymi metodami.

 

Struktura  krystaliczna  decyduj ca  o  postaci  zewn trznej  powłoki  zale y  od  szybko ci  dwóch 

równolegle  przebiegaj cych  procesów  podczas  tworzenia  warstwy,  tzn.  od  szybko ci  wzrostu 

kryształów  oraz  od  szybko ci  tworzenia  si   nowych  zarodków  krystalicznych.  Powłoka  jest 

drobnokrystaliczna,  je eli  warunki  elektroosadzania  sprzyjaj   szybkiemu  powstawaniu  nowych 

zarodków, za  gruboziarnista gdy szybko  wzrostu ziaren jest znacznie wi ksza od szybko ci tworzenia 

nowych zarodków. Głównymi czynnikami wpływaj cymi na struktur  powłok galwanicznych s :

 

  rodzaj elektrolitu, 

  st enie elektrolitu, 

  obecno  substancji dodatkowych, 

  wła ciwo ci materiału podło a, 

  temperatura, 

  mieszanie elektrolitu, 

  g sto  pr du w procesach elektrochemicznych. 

Roztwór wodny zwi zków chemicznych, w których s  wytwarzane warstwy metodami chemicznymi i 

elektrochemicznymi, nazywa si  k piel . K piele s  to najcz ciej roztwory wieloskładnikowe. Podstawowym 

składnikiem k pieli w procesach osadzania warstwy metalowej jest sól metalu osadzanego. W procesach 

tworzenia warstwy konwersyjnej jest to zwi zek, który reaguje z metalem podło a. Mo e nim by  np. 

odpowiedni kwas, kwa na sól lub te  bezwodnik kwasowy. Rodzaj podstawowego składnika ma istotny wpływ 

na jako  warstwy. W procesach osadzania warstw metalowych o jako ci powłok decyduje nie tylko rodzaj 

elektrolitu, lecz równie  rodzaj osadzanych jonów. Na przykład z roztworu Pb(NO

3

)

2

 osadzaj  si  powłoki 

grubokrystaliczne, podczas gdy z roztworu Pb(BF

4

)

2

 - drobnokrystaliczne. Z elektrolitu zawieraj cego cyn  

wył cznie w postaci Sn

4+

 otrzymuje si  jasne i zwarte powłoki cynowe, za  obecno  jonów Sn

2+

 powoduje 

tworzenie powłoki ciemnej i g bczastej. Metal osadzany z k pieli zawieraj cych sole proste tworzy warstwy 

background image

grubokrystaliczne. Natomiast warstwy otrzymywane z roztworów soli o jonach kompleksowych s  

drobnokrystaliczne o gładkich powierzchniach. 
Oprócz składnika podstawowego k piele zawieraj  jeszcze ró ne składniki dodatkowe. Substancje dodatkowe 

zawarte w k pieli spełniaj  ró ne funkcje, jak np. zapewniaj  odpowiednie pH k pieli, poprawiaj  jej 

przewodnictwo, zwi kszaj  szybko  procesu. Wprowadzaj c do elektrolitu odpowiednie substancje koloidalne 

lub zwi zki powierzchniowo czynne mo na regulowa  szybko  wzrostu kryształów, co pozwala wytwarza  

powłoki drobnokrystaliczne. Takimi substancjami mo na wpływa  na wyrównywanie mikrochropo-wato ci 

powierzchni, a zatem wytwarza  powłoki błyszcz ce. Substancje dodatkowe zawarte w k pieli w niewielkich 

ilo ciach mog  wpływa  na ró ne wła ciwo ci warstw powierzchniowych, jak np. połysk, chropowato , wielko  

ziaren krystalicznych, wielko  napr e  własnych, twardo . 
Wzrost st enia składnika podstawowego w k pieli powoduje zmniejszenie szybko ci powstawania zarodków, co 

prowadzi do powłok bardziej zwartych i dobrze przyczepnych do podło a. 
Mieszanie elektrolitu obni a grubo  warstwy dyfuzyjnej, ułatwia transport jonów i zwi ksza szybko  tworzenia 

warstwy. 
Wzrost temperatury, powoduj c wzrost ruchliwo ci jonów elektrolitu, jednocze nie ułatwia dyfuzj , co sprzyja 

tworzeniu struktury gruboziarnistej, jak równie  zwi ksza szybko  wzrostu kryształów. Powłoki lepszej jako ci 

uzyskuje si  w temperaturach niezbyt wysokich. 
Na jako  warstwy wytwarzanej w procesach elektrochemicznych wpływa g sto  pr du. Przy małych g sto ciach 

pr du neutralizowanie jonów jest powolne, co sprzyja bardziej wzrostowi zarodków ni  tworzeniu nowych i w 

efekcie powstaje powłoka gruboziarnista. W miar  wzrostu g sto ci pr du zwi ksza si  szybko  powstawania 

zarodków i powłoka staje si  bardziej drobnoziarnista. 
Po osadzeniu warstwy powierzchniowe poddawane s  operacjom wyka czaj cym. Najcz ciej operacje te polegaj  

na płukaniu w bie cej wodzie, a nast pnie suszeniu. Niektóre powłoki wymagaj  jednak e jeszcze dodatkowych 

zabiegów w celu podniesienia ich walorów u ytkowych. I tak np. powłoki cynkowe poddaje si  

chromowaniu, aby zwi kszy  ich odporno  na korozj  i zapobiec pozostawaniu odcisków palców. 

Wygrzewanie wyrobów pochorowanych ma na celu usuni cie krucho ci wodorowej podło a. W przypadku 

powłok kadmowych stosuje si  zabieg rozja niania, za  powłoki srebrne poddawane s  barwieniu. Ze wzgl du na 

porowato  warstwy fosforanowe pasywuje si  lub nasyca olejem. Natomiast warstwy tlenkowe na aluminium 

poddaje si  barwieniu i uszczelnianiu. 

3.4. Niklowanie elektrochemiczne 

3.4.1. Podstawy procesu

 

Niklowanie elektrochemiczne polega na wytwarzaniu warstwy powierzchniowej z niklu w procesie elektrolizy na 

powierzchni przewodz cej. W takim procesie podstawowym składnikiem elektrolitu jest sól osadzanego metalu. 

Przedmiot, na którego powierzchni osadzana jest warstwa, stanowi katod , za  anoda najcz ciej wykonana jest z 

takiego samego metalu jak metal osadzany. 
Przyło one do takiego układu napi cie powoduje uporz dkowany ruch jonów w elektrolicie i przepływ pr du 

elektrycznego oraz przebieg reakcji elektrochemicznych na powierzchni elektrod. W polu elektrycznym jony 

dodatnie (kationy) przemieszczaj  si  w kierunku elektrody zwanej katod , która jest poł czona z ujemnym 

biegunem  ródła pr du stałego, a jony ujemne (aniony) w kierunku przeciwnym, ku elektrodzie zwanej anod , 

poł czonej z dodatnim biegunem  ródła pr du. 
Równocze nie na powierzchniach anody i katody zachodz  procesy elektrochemiczne. Na powierzchni katody 

zachodz  procesy redukcji jonów metalu z elektrolitu, które polegaj  na pobieraniu elektronów przez kationy. 

Procesy katodowe w postaci ogólnej mo na wyrazi  nast puj co 

 

Powstaj ce w tym procesie atomy metalu osadzane s  na powierzchni katody, gdzie wbudowuj  si  w sie  

krystaliczn  podło a, tworz c warstw  powierzchniow . 
Na powierzchni anody zachodz  procesy utleniania atomów metalu anody, które polegaj  na oddawaniu 

elektronów i powstawaniu jonów metalu. Procesy anodowe maj  nast puj c  posta  ogóln  

 

Powstaj ce w procesie anodowym jony metalu przechodz  do roztworu. W wyniku tego procesu nast puje 

rozpuszczanie anod oraz uzupełnianie ubytku st enia jonów metalu w roztworze, powodowanego procesami 

katodowymi. Taki układ w praktyce zapewnia utrzymanie st enia osadzanych jonów w elektrolicie na 

stałym poziomie i jest stosowany we wszystkich tych procesach, w których mo na u ywa  rozpuszczalnych anod. 

Wówczas wytwarzanie warstwy polega na przenoszeniu atomów metalu w procesie elektrolizy z anody poprzez 

elektrolit na powierzchni  katody. W takich procesach jak np. osadzanie warstw z chromu lub rodu, w których nie 

mo na stosowa  rozpuszczalnych anod, wła ciwe st enie jonów osadzanego metalu zapewnia si  przez ci głe 

dodawanie odpowiedniej soli do roztworu w czasie trwania procesu. 

background image

W procesach osadzania metali z roztworu zawieraj cego kationy ró nych metali najłatwiej ulegaj  redukcji 

kationy tych metali, które w szeregu elektrochemicznym charakteryzuj  najwi ksze potencjały normalne, za  

najtrudniej -metale o najmniejszych potencjałach normalnych. 
Zale no  mi dzy ładunkiem elektrycznym przepływaj cym przez roztwór elektrolitu a mas  wydzielonej 

substancji na elektrodzie w procesach katodowym lub anodowym okre laj  dwa prawa podane przez Faradaya. 
Według pierwszego z nich masa substancji wydzielona na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do 

ładunku elektrycznego q, który przepłyn ł przez roztwór elektrolitu, co zapisuje si  równaniem 
m = kq 
Przedstawiaj c ładunek elektryczny jako iloczyn nat enia pr du oraz czasu jego przepływu otrzymuje si  
m = k i t  

W przypadku gdy nat enie pr du zmienia si  w czasie, powy sza zale no  przyjmuje posta  

 

Współczynnik proporcjonalno ci k nosi nazw  równowa nika elektrochemicznego. Liczbowo jest on równy masie 

substancji wydzielonej podczas przepływu jednego kulomba (1 C) ładunku elektrycznego, czyli podczas prze-

pływu pr du stałego o nat eniu jednego ampera w czasie jednej sekundy. Wymiarem równowa nika 

elektrochemicznego jest g* C

-1

Zgodnie z drugim prawem Faradaya masy ró nych substancji wydzielone na elektrodach przez jednakowe 

ładunki elektryczne s  wprost proporcjonalne do ich gramorównowa ników R, czyli 
m

1

:m

2

:...:m

n

 = R

l

:R

2

:...:R

n

 

W przypadku dwóch substancji, uwzgl dniaj c pierwsze prawo Faradaya, otrzymuje si  

m

l

 = k

l

q

l

        i        m

2

 = k

2

 q

zatem

 

 

Gdy  q

1

 = q

  to 

 

Stosunek gramorównowa nika do równowa nika elektrochemicznego dla dowolnej substancji jest stały i nosi 

nazw  stałej Faradaya, F = 96500 C*mol

-1

. St d 

 

 

 

gdzie: 
— masa molowa wydzielonej substancji na elektrodzie, 
n   — liczba elektronów wymieniona w procesie utleniania lub redukcji.  
Metody elektrochemiczne maj  zastosowanie w praktyce przemysłowej do otrzymywania niektórych metali, do 

rafinacji metali uzyskiwanych za pomoc  innych procesów z rud w stanie zanieczyszczonym oraz do 

wytwarzania powłok galwanicznych na wyrobach metalowych i z tworzyw sztucznych. 

3.4.2. Metody wytwarzania warstw niklowych 

Do elektrochemicznego osadzania powłok niklowych w praktyce stosowane s  ró ne k piele. Głównym 

składnikiem takich k pieli jest sól niklu(II), która jest podstawowym  ródłem dwudodatnich jonów niklu, 

redukowanych na powierzchni katody. W procesach elektrochemicznego osadzania niklu stosowane s  nast puj ce 

sole: amidosiarczan(IV) niklu 

Ni(H

2

NSO

3

)

2

siarczan(IV) niklu NiSO

4

chlorek niklu NiCl

2

 oraz fluoroboran niklu 

Ni(BF

4

)

2

. Skład chemiczny k pieli zale y od rodzaju pokrywanego podło a, szybko ci osadzania oraz od twardo ci, 

wygl du i grubo ci nakładanej powłoki. Najszersze zastosowanie przemysłowe do niklowania maj  k piele typu 

Wattsa, w których podstawowym składnikiem jest siarczan(VI) niklu(II), b d cy najta sz  sol  niklu. 

Podstawowymi składnikami tych k pieli s : siarczan(VI) niklu(II), chlorek niklu(II) i kwas borowy. Skład k pieli 

typu Wattsa stosowanych w praktyce zmienia si  w do  szerokim zakresie w zale no ci od tego, Jakimi 

wła ciwo ciami ma charakteryzowa  si  wytwarzana warstwa. Siarczan niklu 

NiSO

4

 • 7H

2

- zasadniczy 

background image

składnik k pieli u ywany w ilo ciach 200-350 g/dm

3

 - dostarcza dwudodatnich jonów niklu Ni

2+

, które redukuj  

si  na katodzie, zgodnie z równaniem 

 

Na katodzie, równolegle z redukcj  dwudodatnich jonów niklu, nast puje równie  redukcja jonów wodorowych 

według reakcji 

 

Ubytek jonów niklu z elektrolitu w wyniku procesów katodowych jest uzupełniany w równolegle przebiegaj cych 

procesach anodowych, które polegaj  na utlenianiu atomów niklu zgodnie z reakcj  

 

W rezultacie tych procesów nast puje rozpuszczanie anody i przechodzenie jonów niklu do elektrolitu. Oprócz tego 

procesu na anodzie zachodz  jednocze nie dodatkowe procesy utleniania o nast puj cej postaci 

 

Procesy wydzielania zarówno wodoru na katodzie, jak i tlenu na anodzie s  niekorzystne, gdy  powstaj cy w 

procesie redukcji wodór jest adsorbowany na powierzchni katody, a to powoduje blokad  jej powierzchni i 

utrudnia osadzanie na niej atomów niklu. Wówczas tworzy si  warstwa o nierównomiernej grubo ci. 

Jednocze nie redukcja jonów wodorowych na katodzie powoduje wzrost pH elektrolitu w warstwie 

przykatodowej, czyli wzrost st enia jonów wodorotlenowych OH

-

 . Efektem jest wytr canie si  wodorotlenku 

niklu, co daje si  przedstawi  reakcj  

 

Wbudowywanie i inkludowanie wytr canego osadu wodorotlenku niklu w powstaj cej warstwie 

niklu powoduje znaczne obni enie jej jako ci.

 

Wydzielany na anodzie tlen sprawia, i  na jej powierzchni tworz  si  stałe tlenki niklu(IV) i (III): Ni

3

O

4

, Ni

2

O

3

co powoduje pasywacj  powierzchni. Powstaj ce na anodach warstewki pasywuj ce ograniczaj  rozpuszczanie 

si  anod oraz utrudniaj  przepływ pr du przez elektrolit. W celu zmniejszenia wpływu pasywacji anod na 

proces osadzania w praktyce stosuje si  anody o powierzchni kilkakrotnie wi kszej od powierzchni katod, 

na których osadzany jest nikiel. 
Procesy dodatkowe zachodz ce na elektrodach podczas osadzania metali powoduj  równie  obni enie jego 

wydajno ci. Masa osadzonego metalu na katodzie lub masa rozpuszczonej anody nie spełniaj  prawa Faradaya i 

dlatego nie mog  by  wyznaczane na podstawie tego prawa. Dla okre lenia powstałej ró nicy mi dzy mas  

osadzon  lub rozpuszczon  a mas  równowa n  ładunkowi, jaki przepłyn ł przez elektrolit w czasie procesu, 

nazywan  mas  teoretyczn , wprowadzono poj cie wydajno ci pr dowych: katodowej i anodowej. Katodow  

wydajno ci  pr dow  nazywa si  stosunek masy rzeczywistej wydzielonej na katodzie do masy wyznaczonej z 

prawa Faradaya. Jako anodow  wydajno  pr dow  przyjmuje si  stosunek masy rzeczywistej wydzielonej lub 

rozpuszczonej na anodzie do masy równowa nej przepływaj cemu ładunkowi przez elektrolit — wyznaczonej z 

prawa Faradaya. 
Drugi składnik k pieli typu Wattsa — chlorek niklu 

NiCl

2

*6H

2

— stosowany w ilo ciach 20-60 g/dm

3

, podobnie 

jak siarczan niklu, dostarcza jonów Ni

2+

 oraz podwy sza przewodno  k pieli. Głównie jednak obecno  

chlorków wpływa korzystnie na przebieg procesu anodowego. Potencjał utleniaj cy jonów chlorkowych Cl

-

 na 

anodzie niklowej jest wy szy od potencjału utleniaj cego tlenu na stopniu utlenienia -2. St d na anodzie łatwiej 

przebiega proces utleniania jonów chlorkowych ni  jonów tlenowych. Efektem jest zmniejszenie polaryzacji anod 

oraz zwi kszenie katodowej g sto ci pr du. Ponadto obecno  chlorków w k pieli przyspiesza proces 

rozpuszczania anodowego zgodnie z reakcj  

 

Procesy anodowe s  prawidłowe wówczas, gdy szybko ci tych dwóch jednocze nie przebiegaj cych reakcji 

na  anodzie  s   takie  same. 

Kwas borowy H

3

BO

4

 dodawany do k pieli Wattsa w ilo ciach 30-40 g/dm

pełni  rol   zwi zku  buforuj cego,  który  zapewnia  stabilno   pH  k pieli.  Kwas  borowy  jako  słaby 

kwas o małym stopniu dysocjacji w roztworach wodnych działa jako efektywny bufor w warstewce 

przykatodowej,  w  której  pH  jest  wi ksze  ni   w  pozostałej  cz ci  obj to ci.  Obecno   kwasu 

borowego zapewnia pH k pieli w granicach 3—5, co zapobiega wytr caniu i inkludowaniu zwi zków 

zasadowych w osadzanej warstwie niklu.

 

 

background image

Wła ciwo ci  powłok  niklowych  osadzanych  z  k pieli  typu  Wattsa  mo na  modyfikowa   przez 

zmian  stosunku st e  jonów siarczanowych i chlorkowych w k pieli, st enie kwasu borowego, 

pH  k pieli  lub  dodanie  do  k pieli  ró nego  rodzaju  substancji  dodatkowych,  a  tak e  przez  zmian  

parametrów procesu, takich jak: temperatura, g sto  pr du i mieszanie k pieli.

 

Wpływ  st enia  jonów  chlorkowych  na  wła ciwo ci  mechaniczne  osadzanych  warstw  niklu 

pokazano na rys. 3.5. Natomiast wpływ g sto ci pr du na wydajno  katodow  x k pieli typu 

Wattsa przedstawiono na rys. 3.6.

 

 

Rys. 3.5. Wpływ st enia jonów chlorkowych na wła ciwo ci mechaniczne warstw niklowych: o — napr enia własne, 

— twardo , A — plastyczno

 

W czasie procesu elektroosadzania g sto  pr du na ró nych obszarach powierzchni katody jest 

ró na.  Najwi ksza  g sto   pr du  wyst puje  na  kraw dziach,  naro ach  i  elementach  wystaj cych, 

za  najmniejsza w ró nego rodzaju zagł bieniach powierzchni. Powoduje to zró nicowanie grubo ci 

osadzanej warstwy. Dodanie do k pieli niewielkich ilo ci takich substancji jak: kumary-na C

8

H

6

O

2

tiomocznik  H

2

NCSNH

2

  oraz  jodochinolina  C

9

H

6

JN  powoduje  formowanie  si   powłoki  niklowej  o 

równomiernej  grubo ci.  W  czasie  procesu  elektroosadzania  dodane  do  k pieli  substancje  s  

wbudowywane w warstw , a ich obecno  powoduje obni enie potencjału osadzania. Ze wzgl du na 

wi ksz  szybko  procesów dyfuzyjnych na wierzchołkach ni  we wgł bieniach powierzchni powstaje 

wi ksze  st enie  dodatkowych  substancji  w  obszarach  powierzchni  z  ostrzami.  Prowadzi  to  do 

zró nicowania  potencjału  lokalnego  katody  —  na  wierzchołkach  potencjał  jest  ni szy  ni   we 

wgł bieniach  powierzchni.  Konsekwencj   tego  jest  zwi kszone  osadzanie  si   jonów  metali  we 

wgł bieniach powierzchni i wyrównywanie wgł bie .

 

 

6   j[A/dm

2

] 

Rys. 3.6. Wpływ g sto ci pr du na wydajno  katodow  w k pieli typu Wattsa

 

Wprowadzenie  do  k pieli  tzw.  substancji  blaskotwórczych  umo liwia  wytwarzanie  warstw 

niklowych  z  połyskiem.  Substancjami  blaskotwórczymi  s   zarówno  zwi zki  nieorganiczne,  np. 

sole  kadmu,  ołowiu,  cynku,  rt ci,  jak  i  zwi zki  organiczne,  zawieraj ce  w  cz steczce 

background image

nienasycone  grupy  typu  C=O, C=C, C=N, =C-SO, N=N. S  to najcz ciej pochodne pirydyny, 

dwusulfoniany benzenu oraz naftalenu. W praktyce do uzyskania niklowych powłok błyszcz cych 

najcz ciej  stosuje  si   zestaw  kilku  jednocze nie  substancji  blaskotwórczych.  Obecno   tych 

substancji  w  k pieli  hamuje  proces  wzrostu  kryształów  i  sprzyja  tworzeniu  si   nowych  zarodków 

krystalizacji, co powoduje powstawanie powłok drobnokrystalicznych.

 

3.4.3. Wła ciwo ci warstw niklowych

 

Nikiel  jest  metalem  o  barwie  srebrzystej,  nierozpuszczalnym  w  alkaliach  i  wielu  kwasach. 

Pomimo  e  nikiel  jest  bardziej  elektroujemny  od  wodoru,  to  jego  odporno   na  działanie  wielu 

kwasów i atmosfery wynika ze zdolno ci do pasywacji. Powierzchnia niklu łatwo pokrywa si   ci le 

przylegaj c  warstewk  tlenków lub tlenków uwodnionych.

 

Wła ciwo ci  powłok  niklowych  zale   od  składu  k pieli  oraz  parametrów  ich  osadzania. Ogólnie 

powłoki  niklowe  o  du ych  ziarnach  s   mi kkie,  plastyczne  i  charakteryzuj   si   mniejszymi 

napr eniami rozci gaj cymi oraz mniejsz  zawarto ci  zanieczyszcze . Natomiast powłoki niklowe 

drobnokrystaliczne s   twarde,  niezbyt  plastyczne  i  wykazuj   du   wytrzymało   oraz  zawieraj  

du  ilo  zanieczyszcze . Wpływ pH k pieli, jej temperatury oraz g sto ci pr du na wła ciwo ci 

mechaniczne powłok niklowych przedstawiono, odpowiednio, na rys. 3.7—3.9.

 

 

Rys. 3.7. Wpływ pH k pieli typu Wattsa na wła ciwo ci mechaniczne warstw niklowych: 1 — wydłu enie (A), 2 — twardo  

(H), 3 — napr enie ( ), 4 — wytrzymało  na rozci ganie (R

n

)

 

 

Rys. 3.8. Wpływ temperatury k pieli typu Wattsa na wła ciwo ci mechaniczne warstw niklowych: — wydłu enie (A), 2 — 

twardo  (H), 3 — wytrzymało  na rozci ganie (R

n

)

 

Powłoki  niklowe  osadzane  s   najcz ciej  na  powierzchni  wyrobów  ze  stali,  cynku  i  mosi dzu. 

background image

Potencjał korozyjny powłoki niklowej na tego typu podło ach w wi kszo ci  rodowisk korozyjnych 

jest wy szy od potencjału korozyjnego podło a. Tote  powłoka niklowa w takich układach zapewnia 

katodow   ochron   podło a  przed  korozj .  Ochrona  wówczas  polega  na  odporno ci  niklu  na 

oddziaływanie  rodowiska korozyjnego. Warunkiem skutecznego działania

 

 

Rys. 3.9. Wpływ g sto ci pr du na wła ciwo ci mechaniczne warstw niklowych osadzanych z k pieli typu Wattsa: — 

napr enie ( ), 2 — twardo  (H)

 

ochronnego  powłoki  jest  wi c  jej  szczelno ,  zapewniaj ca  fizyczne  odizolowanie  podło a  od 

czynników agresywnych  rodowiska.

 

U yteczna  trwało   powłok  niklowych  w  okre lonym  rodowisku  korozyjnym  zale y  przede 

wszystkim od ich grubo ci. W przypadku nara e  wewn trz pomieszcze  wystarczaj ca jest grubo  

8-13  m. Przy wyst powaniu oddziaływania zewn trznych czynników atmosferycznych zalecana jest 

grubo   warstwy  20-40  m.  Natomiast  w  rodowisku  o  du ej  wilgotno ci  oraz  w  przemy le 

chemicznym jest wskazane stosowanie powłok o grubo ci 25—250  m.

 

Wła ciwo ci  powłok  niklowych  uzale nione  s   w  znacznym  stopniu  od  zawarto ci  domieszek 

wprowadzonych  podczas  ich  osadzania.  Szczególn   rol   odgrywa  obecno   w  warstwie  siarki 

wprowadzonej  z  organicznymi  substancjami  blaskotwórczymi,  gdy   zwi ksza  ona  aktywno  

chemiczn   niklu,  a  tym  samym  jego  podatno   na  korozj .  Tote   błyszcz ce  powłoki  niklowe 

wykazuj   zró nicowan   odporno   korozyjn ,  a  ochrona  jak   one  zapewniaj   jest  gorsza  ni  

ochrona  niklowych  powłok  matowych.  Zró nicowanie  odporno ci  korozyjnej  warstw  niklowych 

błyszcz cych i matowych jest skutecznie wykorzystywane w praktyce w celu podwy szenia działania 

ochronnego powłok niklowych. Zwi kszenie odporno ci korozyjnej powłok niklowych uzyskuje si  

przez tworzenie powłok wielowarstwowych. W wyniku nakładania warstwy niklu błyszcz cego na 

maj c  wy szy potencjał elektrochemiczny warstw  niklu półbłyszcz cego lub matowego powstaje 

układ,  w  którym  warstwa  zewn trzna  powłoki  o  ni szym  potencjale  elektrochemicznym  stanowi 

ochron   anodow   warstw  poło onych  gł biej.  Je li  zewn trzna  warstwa  błyszcz ca  utraci 

szczelno , to — ze wzgl du na wy szy potencjał nast pnej warstwy niklu — zniszczenie korozyjne 

rozprzestrzenia  si   przede  wszystkim  w  tej  warstwie  powłoki,  a  tym  samym  opó nia  penetracj  

powłoki w gł b, czyli do powierzchni metalu podło a.

 

W  praktyce,  w  celu  ograniczenia  atakowania  powłok  niklowych  przez  czynniki  korozyjne 

pokrywa  si   je  dodatkowo  bardzo  cienk   (0,3-0,8  urn)  warstewk   elektrochemicznie  osadzonego 

chromu. Wprawdzie chrom ma ni szy normalny potencjał elektrochemiczny (-0,74 V) od niklu (-

0,250 V), to jednak bardzo łatwo ulega pasywowaniu, a potencjał chromu w stanie spasywo-wanym 

jest do  wysoki i wynosi +1,19 V. Spasywowana warstewka chromu dla powłoki niklowej stanowi 

ochron   katodow .  Jeszcze  lepsze  wła ciwo ci  ochronne  zapewnia  tzw.  mikrosp kana  warstewka 

chromowa,  wytworzona  elektrochemicznie  przez  wprowadzenie  do  k pieli  odpowiednich  dodatków 

powoduj cych  tworzenie  si   mikroskopowych  p kni .  Takie  powłoki  nakłada  si   zwykle  na 

cienkie  błyszcz ce  warstewki  niklu,  które  z  kolei  nało one  s   na  dwu-  lub  trzykrotnie  grubsz , 

matow   powłok   niklow .  Obecno   wielu  drobnych  sp ka   w  powłoce  chromowej  powoduje,  e 

proces korozji zachodzi w bardzo wielu punktach, co zmniejsza intensywno  zjawiska i gł boko  

w erów, w porównaniu do stanu, w którym proces zachodziłby w mniejszej liczbie miejsc powłoki.

 

background image

3.4.4. Zastosowanie warstw niklowych

 

Elektrochemicznie osadzane warstwy niklowe znajduj  ró ne zastosowania, przede wszystkim jako 

warstwy  dekoracyjne,  dekoracyjno-ochronne  i  niekiedy  jako  warstwy  techniczne.  Powłoki  niklowe 

zapewniaj   dobr   ochron   w  rodowiskach,  w  których  nast puje  ich  równomierne  zaatakowanie 

korozyjne,  a  powstaj ce  produkty  korozji  s   nierozpuszczalne  w  tym  rodowisku.  Znajduj   one 

równie   zastosowanie  przy  wyrobie  przedmiotów  i  sprz tów  codziennego  u ytku,  akcesoriów 

samochodowych  oraz  w  przemy le  spo ywczym  i  chemicznym.  Pokryte  niklem  wyroby  ze  stali 

w glowej  skutecznie  zast puj   kosztowne  stale  nierdzewne  i  kwasoodporne.  Natomiast 

wykorzystywane w przemy le farmaceutycznym, spo ywczym oraz papierniczym powłoki niklowe na 

stalowych cz ciach urz dze  zabezpieczaj  wytwarzane produkty przed zanieczyszczeniem  elazem i 

rdz  oraz zapewniaj  im zachowanie barwy i smaku.