МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА РАСТВОРА КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИКЕЛЯ С ГЛИЦИНОМ И ЯНТАРНОЙ КИСЛОТОЙ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ СПЛАВА Ni-P

  • Gulnaz M. Mukhametova Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Tatiana F. Burukhina Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Vladimir V. Vasil’ev Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Evgeny G. Vinokurov Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
  • Vladimir D. Scopintsev Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216405.6359
Ключевые слова: химическое никелирование, химическое осаждение, планирование эксперимента, сплав никель-фосфор, оптимизация, скорость осаждения, микротвердость покрытий

Аннотация

Исследовано влияние аминоуксусной и янтарной кислот, рН в растворе химического никелирования на технологические параметры процесса осаждения покрытий сплавом никель-фосфор (скорость осаждения, удельное изменение рН в процессе осаждения), состав полученных покрытий и их свойства (микротвердость до и после термообработки). Покрытия осаждали из раствора, содержащего сульфат никеля, гипофосфит натрия, аминоуксусную и янтарную кислоты, ацетат свинца (стабилизатор), при температуре 70 °С и плотности загрузки 1 дм2/л. Для получения математических моделей и многокритериальной оптимизации процесса с применением обобщенной функции желательности Харрингтона использовали центральный ротатабельный композиционный план второго порядка. При варьировании переменных получены качественные покрытия сплавом никель-фосфор, содержащие от 4 до 10%мас. фосфора. Скорость осаждения покрытий из растворов различного состава составляла от 2 до 11 мг/см2∙ч. Микротвердость свежеосажденных покрытий составляла от 4,6 до 6,8 ГПа и после термообработки при 400 °С в течение 0,5 ч возрастала до9,7 – 11,6 ГПа, что соответствует твердым хромовым покрытиям, полученным электроосаждением из растворов хромовой кислоты. Полученные адекватные эксперименту уравнения регрессии показывают разнонаправленное и взаимосвязанное влияние исследованных факторов на параметры оптимизации. Установлен оптимальный состав раствора для высокоскоростного формирования качественных покрытий с микротвердостью, соответствующей твердым хромовым покрытиям. Оптимальный состав раствора включает (в моль/л): NiSO4·6H2O – 0,12, NaH2PO2·H2O– 0,36, NH2CH2COOH – 0,30, (CH2)2(COOH)2 – 0,20, Pb(CH3COO)2 - 10-5; pH – 5,8. Показана применимость раствора химического никелирования оптимального состава при температурах от 70 до 96 °С.

Литература

El Kaissi Y., Allam M., Koulou A., Galai M., Ebn Tou-hami M. Influence of Sodium Acetate on Electroless Ni-P Deposits and Effect of Heat Treatment on Corrosion Behavior. Internat. J. Chem. Molec. Eng. 2017. V. 11. N 2. P. 162-167. DOI: 10.5281/zenodo.1129063.

Lin C.J., He J.L. Cavitation erosion behavior of electroless nickel plating on AISI1045 Steel. Wear. 2005. V. 259. P. 154-159. DOI: 10.1016/j.wear.2005.02.099.

Zhang H., Zou J., Lin N., Tang B. Review on electroless plating Ni-P coatings for improving surface performance of steel. Surf. Rev. Lett. 2014. V. 21. N 4. P. 13. DOI: 10.1142/S0218625X14300020.

Taheri R., Oguocha I., Yannacopoulos S. The tribological characteristics of electroless NiP coatings. Wear. 2001. V. 249. N 5. P. 389-396. DOI: 10.1016/S0043-1648(01)00539-7.

Agarwala R.C., Agarwala V. Electroless alloy/composite coatings: A review. Sadhana – Acad. Proc. in Eng. Sci. 2003. V. 28. N 3–4. P. 475–493. DOI: 10.1007/BF02706445.

Acuña J.C., Echeverría F.E. Electroless deposition of Ni-P deposits and study of the influence of content of phosphorus on the corrosion resistance. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. 2007. V. 42. P. 57-67.

Sudagar J., Lian J., Sha W. Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings—A critical review. J. Alloy. Compd. 2013. V. 571. P. 183–204. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.107.

Kundu S., Das S.K., Sahoo P. Properties of electroless nickel at elevated temperature—A review. Procedia Eng. 2014. V. 97. P. 1698–1706. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.12.321.

Keong K.G., Sha W., Malinov S. Hardness evolution of electroless nickel–phosphorus deposits with thermal processing. Surf. Coat. Technol. 2003. V. 168. P. 263–274. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00209-3.

Buchtík M., Krystýnová M., Másilko J., Wasserbauer J. The Effect of Heat Treatment on Properties of Ni–P Coatings Deposited on a AZ91 Magnesium Alloy. Coatings. 2019. V. 9. N 7. 461. DOI: 10.3390/coatings9070461.

Luo H., Leitch M., Behnamian Y., Ma Y., Zeng H., Luo J-L. Development of electroless Ni–P/nano-WC composite coatings and investigation on its properties. Surf. Coat. Technol. 2015. V. 277. P. 99-106. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.07.011.

Leon C., Garcia-Ochoa E., Garcia-Guerra J. Annealing temperature effect on the corrosion parameters of autocatalytically produced Ni–P and Ni–P–Al2O3 coatings in artificial seawater. Surf. Coat. Technol. 2010. V. 205. P. 2425-2431. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.09.035

Ashassi-Sorkhabi H., Es′haghi M. Corrosion resistance enhancement of electroless Ni–P coating by incorporation of ultrasonically dispersed diamond nanoparticles. Corros. Sci. 2013. V. 77. P. 185-193. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.07.046.

Guo Z., Keong K.G., Sha W. Crystallisation and phase transformation behaviour of electroless nickel phosphorus platings during continuous heating. J. Alloy. Compd. 2003. V. 358. P. 112–119. DOI: 10.1016/S0925-8388(03)00069-0.

Ashtiani A., Faraji A.S., Amjad Iranaghi S., Faraji A.H. The study of electroless Ni–P alloys with different complexing agents on Ck45 steel substrate. Arab. J. Chem. 2017. V. 10. P. 1541–1545. DOI: 10.1016/j.arabjc.2013.05.015.

Cheng Y.H., Zou Y., Cheng L., Liu W. Effect of complex-ing agents on properties of electroless Ni–P deposits. Mater. Sci. Technol. 2008. V. 24. N 4. P. 457-460. DOI: 10.1179/174328408X281886.

Jin Y., Yu H., Yang D., Sun D. Effects of complexing agents on acidic electroless nickel deposition. Rare Metals. 2010. V. 29. N 4. P. 401-406. DOI: 10.1007/s12598-010-0138-8.

Osifuye C.O., Popoola A.P.I., Loto C.A., Oloruntoba D.T. Effect of Bath Parameters on Electroless Ni-P and Zn-P Deposition on 1045 Steel Substrate. Int. J. Electrochem. Sci. 2014. V. 9. P. 6074 – 6087.

Sun C., Li J., Fattahpour V., Roostaei M., Mahmoudi M., Zeng H., Luo J. Insights into the erosion-enhanced corrosion on electroless Ni–P coating from single particle im-pingement. Mater. Sci. Corros. Sci. 2020. V. 166. P. 108422. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108422.

Wu W., Jiang J. Effect of plating temperature on electroless amorphous Ni–P film on Si wafers in an alkaline bath solution. Appl. Nanosci. 2017. V. 7. N 6. P. 325-333. DOI: 10.1007/s13204-017-0575-x.

Singh A.K., Bajpai V.K., Solanki C.S. Effect of light on electroless nickel deposition for solar cell applications. Energy Procedia. 2014. V. 54. P. 763–770. DOI: 10.1016/j.egypro.2014.07.318.

Ivashkin E.G., Trunova I.G., Plokhov S.V., Rogozhin V.V., Devyatkina T.I. Ionexchange recovery of Nickel(II) from rinsing water after electroless metallization in ammonia-citrate alkaline solutions. Galvanotekhnika i Obrabotka Poverkhnosti. 2020. V. 28. N 4, P. 63-70 (in Russian). DOI: 10.47188/0869-5326_2020_28_4_63.

Hu B., Sun R., Yu G., Liu L., Xie Z., He X., Zhang X. Effect of bath pH and stabilizer on electroless nickel plating of magnesium alloys. Surf. Coat. Technol. 2013. V. 228. P. 84–91. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.04.011.

Moniruzzaman M., Roy S. Effect of pH on electroless Ni-P coating of conductive and non–conductive materials. Int. J. Automot. Mechan. Eng. 2011. V. 4. P. 481–489. DOI: 10.15282/ijame.4.2011.9.0039.

Rahman A., Jayaganthan R. Effect of pH values on nanostructured Ni–P films. Appl. Nanosci. 2015. V. 5. N 4. P. 493–498. DOI: 10.1007/s13204-014-0342-1.

Ashassi-Sorkhabi H., Rafizadeh S.H. Effect of coating time and heat treatment on structures and corrosion characteristics of electroless Ni–P alloy deposits. Surf. Coat. Technol. 2004. V. 176. P. 318–326. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00746-1.

Gu C., Lian J., Li G., Niu L., Zhonghao J. High corrosion-resistant Ni–P/Ni/Ni–P multilayer coatings on steel. Surf. Coat. Technol. 2005. V. 197. N 1. P. 61-67. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.11.004.

Omar R., Oraby E., Abdelrhman Y., Aboraia M. Effect of glycine as a complex agent on the surface and corrosion properties of Ni-P and Ni-P/Al2O3 electroless coating. Anti-Corros. Methods Mater. 2020. V. 67. N 6. P. 593-603. DOI: 10.1108/ACMM-06-2020-2318.

Vinokurov E.G., Morgunov A.V., Skopintsev V.D. Compositional optimization of chemical copper-doped nickel-phosphorus coatings. Inorg. Mater. 2015. V. 51. N 8. P. 788-792. DOI: 10.7868/S0002337X15070192.

Tarozaitė R., Selskis A. Electroless nickel plating with Cu2+ and dicarboxylic acids additives. Transact. IMF. 2006. V. 84. N 2. P. 105–112. DOI: 10.1179/174591906x114471.

Vinokurov E.G., Mukhametova G.M., Burukhina T.F., Skopintsev V.D., Meshalkin V.P. Physicochemical Model of Selection of Complex Compounds for Electroless Metal Plating. Theor. Found. Chem. Eng. 2020. V. 54. N 3. P. 474-481. DOI: 10.1134/S0040579520030136.

Vinokurov E.G., Demidov A.V., Bondar' V.V. Physico-chemical Model for Choosing Complexes for Chromium-Plating Solutions Based on Cr(III) Compounds. Russ. J. Coord. Chem. 2005. V. 31. N 1. P. 14-18. DOI: 10.1007/s11173-005-0027-0.

Vinokurov E.G. Thermodynamic Probability Model of Ligand Selection in Solutions Designed for Electrodeposition of Alloys and Multivalent Metals. Protect. Metals Phys. Chem. Surf. 2010. V. 46. N 5. P. 615-619. DOI: 10.1134/S2070205110050205.

Vinokurov E.G., Mukhametova G.M., Vasil'ev V.V., Burukhina T.F., Skopintsev V.D. Influence of characteristics of nickel complex compounds on the rate of chemical deposition and composition of nickel–phosphorus alloy. Theor. Found. Chem. Eng. 2019. V. 53. N 4. P. 544-549. DOI: 10.1134/S0040357119040134.

Vinokurov E.G., Bondar' V.V. Logistic model for choosing ligands for alloy electrodeposition. Theor. Found. Chem. Eng. 2007. V. 41. N 4. P. 384-391. DOI: 10.1134/S0040579507040070.

Guo R.H., Jiang S.X., Yuen C.W.M., Ng M.C.F., Lan J.W. Optimization of electroless nickel plating on polyester fabric. Fibers Polym. 2013. V. 14. P. 459–464. DOI: 10.1007/s12221-013-0459-y.

Gokzhaev M.B., Morgunov A.V., Skopintsev V.D. Optimizing Solution Composition for the Chemical Deposition of Nickel-Copper-Phosphorus Alloys. Inorg. Mater. 2008. V. 44. N 12. P. 1319-1321. DOI: 10.1134/S0020168508120108.

Liu G.J., Zhang W.Q., Yu Z.T., Ning X. Optimizing of Deposition Speed of Electroless Nickel Plating Coating. Adv. Mater. Res. 2011. V. 217-218. P. 897-900. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.217-218.897.

Ziyadullaev M.E., Karimov R.K., Zukhurova G.V., Ab-durazakov A.S., Sagdullaev S.S. Synthesis Optimization of 6-Nitro-3,4-Dihydroquinazoline-4-one. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 7. P. 48-53 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6145.

Kundu S., Sahoo P., Das S. Optimization Studies on Electroless Nickel Coatings. Internat. J. Manufact., Mater. Mechan. Eng. 2014. V. 4. Р. 1-25. DOI: 10.4018/ijmmme.2014100101.

Grafushin R.V., Vinokurov E.G., Makhina V.S., Burukhina T.F. Электроосаждение и физико-механические свойства композиционных покрытий на основе хрома с различными модификациями углерода. Galvanotekhnika i Obrabotka Poverkhnosti. 2018. V. 26. N 2. P. 26-32 (in Russian). DOI: 10.47188/0869-5326_2018_26_2_26.

Опубликован
2021-05-14
Как цитировать
Mukhametova, G. M., Burukhina, T. F., Vasil’ev, V. V., Vinokurov, E. G., & Scopintsev, V. D. (2021). МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА РАСТВОРА КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИКЕЛЯ С ГЛИЦИНОМ И ЯНТАРНОЙ КИСЛОТОЙ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ СПЛАВА Ni-P. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(5), 88-97. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216405.6359
Выпуск
Том 64 № 5 (2021)
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы