Сплав никель-кобальт. Назначение покрытия и электролиты для нанесения.

Назначение покрытия сплавом никель-кобальт

Сплав никель-кобальт имеет блесятщий серебристо-серый цвет. Его применяют:

• Главное — в качестве магнитотвёрдых покрытий для записи информации в элементах памяти или записи звука. Проще говоря, покрытие — носитель информации;
• В качестве защиты от внешних магнитных полей;
• При изготовлении магнитопроводов;
• При изготовлении матриц для литья и прессования изделий из пластмасс.

Процесс электролитического осаждения никель-кобальтого сплава полностью не изучен, но получил значительное промышленное применение.

Обозначение гальванического покрытия никель-кобальт: Н-Ко

Распределение парамагнетиков и диамагнетиков в периодической системе элементов Менделеева

Магнитные свойства простых веществ периодично изменяются с увеличением порядкового номера элемента.

Вещества, не притягивающиеся к магнитам (диамагнетики), располагаются преимущественно в коротких периодах – 1, 2, 3. Какие металлы не магнитятся? Это литий и бериллий, а натрий, магний и алюминий уже относят к парамагнетикам.

Вещества, притягивающиеся к магнитам (парамагнетики), расположены преимущественно в длинных периодах периодической системы Менделеева – 4, 5, 6, 7.

Однако последние 8 элементов в каждом длинном периоде также являются диамагнетиками.

Кроме того, выделяют три элемента – углерод, кислород и олово, магнитные свойства которых различны у разных аллотропных модификаций.

Электролиты и режимы осаждения покрытия

Потенциалы никеля и кобальта в растворах незначительно отличаются друг от друга, поэтому произвести осаждение сплава не особо проблематично.

Состав сплава и режимы осаждения сильно влияют на величину так называемой коэрцитивной силы. Максимальное значение этой величины достигается при содержании никеля в сплаве — 30%.

Осаждение покрытия возможно из хлоридного, сульфатного, сульфатно-хлоридного, сульфаматного и фторборатного электролитов.

Таблица 1 — Влияние электролита на величину коэрцитивной силы

Состав электролита напрямую влияет на состав получаемого сплава. При соотношении Ni2+ и Co2+ 1:1 содержание никеля в сплаве составит 5%. При увеличении содержания никеля до 5:1 его содержание увеличится до 40%.

Таблица 2 — Пример оптимального сернокислого электролита и режимов нанесения сплава никель-кобальт

При осаждении сплава стоит учитывать, что аноды требуется запитать индивидуально. Если хотите получить сплав с 40% никеля, то требуется пропустить 40% всей силы тока только через никелевые аноды. Электрохимические эквиваленты никеля и кобальта близки.

Побочная подгруппа 8-й группы

(или, по современной номенклатуре, группы 8, 9 и 10)

групп 9 и 10 не проявляют степеней окисления 9 и 10, а наиболее устойчивы у них одни и те же степени окисления. В результате сходство элементов по горизонтали становится больше, чем по вертикали. Поэтому удобнее рассмотреть вместе триаду Fe-Co-Ni, а потом рассмотреть 6 остальных элементов, объединяемых названием «платиновые металлы». Заметим, что в учебнике Ф. Коттона и Дж. Уилкинсона этот принцип выдерживается везде: сначала рассматриваются d-элементы четвертого периода, а потом – все остальные.

Покрытие сплавом никель-железо

Покрытие используется в качестве магнитомягкого (коэрцитивная сила менее 1000 А/м). Используется в качестве магнитной защиты от внешних полей и в магнитных головках видеозаписи.

Состав электролита так же оказывает определяющее значение. Для получения покрытия с необходимой минимальной коэрцитивной силы требуется содержание никеля в сплаве — 80%.

Для получения покрытия рекомендуется использовать сульфаматные и фторборатные электролиты. В них покрытия осаждаются с низкими внутренними напряжениями, что особенно важно при осаждении сплавов большой толщины. Фторботарный электролит отличается высокой стабильностью.

Парамагнетики и ферромагнетики

Рассмотрим вариант, когда у каждого атома вещества есть свое магнитное поле. Эти поля разнонаправлены и компенсируют друг друга. Если же рядом с таким веществом положить магнит, то поля сориентируются в одном направлении. У вещества появится магнитное поле, положительный и отрицательный полюс. Тогда вещество притянется к магниту и само может намагнититься, то есть будет притягивать другие металлические предметы. Так, например, можно намагнитить дома стальные скрепки. У каждой появится отрицательный и положительный полюс и можно будет даже подвесить целую цепочку из скрепок на магнит. Такие вещества называют парамагнитными.

Ферромагнетики — небольшая группа веществ, которые притягиваются к магнитам и легко намагничиваются даже в слабом поле.

Применение сплава инвар

Незначительный температурный коэффициент расширения позволяет использовать его для производства:

• деталей контрольно-измерительных приборов;
• лент и проволоки для геодезических работ;
• несущих конструкций лазера;
• деталей часовых механизмов, маятников хронометров;
• проката: горячекатаного прутка и листа, холоднокатаной ленты, бесшовных труб, кованых прутков.

Для увеличения прочности производят холодную пластическую деформацию сплава железа с никелем, а затем делают низкотемпературную термообработку. Для большей стойкости к коррозии при обычных атмосферных условиях его поверхность полируют и наносят защитный слой, если изделие предназначается для использования в агрессивных средах. Антикоррозийные свойства инвара также повысятся при добавлении в его состав около 12 % хрома, при этом он сохраняет постоянную упругость при нагревании до 100 градусов.

Металлургия кобальта

Открытие металлического кобальта произошло в тридцатых годах 18 ст. благодаря химику из Швеции Георгу Брандту. Несмотря на это открытый тогда элемент использовали в виде соединений ещё задолго до того, как Георг открыл его. В древнем Египте и Китае им красили стекла в синий цвет. В последующие столетия после открытия кобальта его использовали все так же в виде химических соединений и не более. Однако в 20 веке роль металлического кобальта прочно утвердилась в технике и индустрии металлургии. Это произошло после создания сплавов из кобальта и стали, которые значительно отличались по своему качеству.

К 30-м годам 20 века в капиталистических странах стало нарастать количество производимого кобальта. За период с 1939 г. по 1956 г. в мире (не считая России) произвели около 150 тыс.т. кобальта.

Такой всплеск производства объясняется тем, что по своим уникальным и полезным свойствам кобальт превышал технические требования к металлам и хорошо сочетался с инновациями в технике того времени.

По своим свойствам кобальт чем-то похож на никель. Он отлично сочетается со многими другими металлами и способен создать с ними ценный промышленный сплав. Самые обильные месторождения медно-кобальтовых руд расположены в основном в Центральной Африке, а также серебряно-кобальтовые руды в Северной Африке.

В США и на юге Канады также есть небольшие месторождения никелевых руд, а также ценные виды техногенных минерально-химических ресурсов, из которых можно добыть кобальт. Во многих европейских странах кобальт добывается путем переработки техногенных минерально-химических ресурсов.

В США всю индустрию кобальта контролирует одна фирма, из-за чего его катастрофически не хватает для надобностей страны и государству приходится завозить его из других стран. В определенный момент времени импорт этого элемента в США превысил собственное производство его в 3 раза. В основном импортировали из Африки, Канады, Англии, Германии и Норвегии. С Африки на рынок стран, которые стремятся поднять свой капитал, поставляется почти весь добываемый кобальт.

Кобальт – дорогой металл, что ограничивает возможности его применения. Он в несколько раз дороже никеля. Его чаще всего используют вместе с железом, хромом, вольфрамом и молибденом, получая при этом весьма прочные и ценные сплавы. Поэтому его широко применяют в инструментальной промышленности, где больше всего важна прочность инструмента. Постоянные магниты, изготовленные из кобальта, имеют высокий показатель магнитной индукции. А сплав платины и кобальта имеет наиболее высокий показатель магнитной энергии.

Кобальт увеличивает жаростойкость жароупорных сталей: они становятся более жаростойкими по сравнению со сплавом никеля и хрома. Таким образом, кобальт это незаменимая составляющая многих жароустойчивых сплавов. Не обошлись без кобальта и в области бурения, для изготовления специальных буровых инструментов. А неметаллические соединения кобальта используются в красках, катализаторах и грунтовках. Даже в атомной энергетике применяют кобальт.

Магнитные сплавы

Эти сплавы находят широкое применение в электротехнике. Из них изготовляют постоянные магниты, сердечники трансформаторов, электроизмерительные приборы, электромагниты. Людям давно известно, что железо обладает магнитными свойствами и в результате этого оно находит множество применений.

Много позже было обнаружено, что такое же свойство присуще никелю и некоторым другим металлам. Изделия, изготовленные из магнитного сплава железа с никелем, также обладают способностью сохранять собственное магнитное поле, когда внешнее уже отсутствует. Причем это личное поле снова способно воздействовать на другие магнитные тела.

Немного истории

Инвар – это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.

Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент теплового расширения остается постоянным при широком диапазоне изменения температур — от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.

Сплав ковар

Смесь состоит из металлов, обладающих отличными механическими свойствами. Их легко обрабатывать, они без труда подвергаются прокатке, протяжке, ковке и штамповке. А сплав кобальта, никеля и железа иначе называется ковар. Удачно подобранное сочетание химических элементов обеспечивает материалу отличные характеристики. Данный сплав имеет хорошую теплопроводность, высокий коэффициент удельного электрического сопротивления и близкие к нулю показатели линейного расширения в большом интервале температур. Единственным недостатком является низкая коррозийная стойкость в сырой среде, поэтому часто используют защитные покрытия из серебра. Ковар широко применяется в промышленности для производства:

• труб, лент и проволоки;
• конденсаторов;
• корпусов оборудования в приборостроении;
• деталей в радиоэлектронике;
• корпусов в электровакуумной отрасли.

Содержание в сплаве дорогого кобальта и никеля увеличивает стоимость материала, но хорошие характеристики и продолжительная эксплуатация покрывают первоначальные вложения.

Технология переработки никелевых руд

Технология переработки никелевых руд отличается сложностью и многоступенчатостью. Подчас часть сырья приходится возвращать к предыдущим этапам процесса. В значительной степени она определяется процентным содержанием нужного минерала в исходном сырье.

Так:

• богатые никелем руды (свыше 1% в составе) сразу отправляются на плавку;
• более бедные – рядовые, подвергаются обогащению;
• силикатные железистые руды проходят гидрометаллургический передел;
• силикатные магнезиальные руды идут на пирометаллургический передел;
• имеются также сложные комбинированные схемы, с помощью которых перерабатывают окисленные и смешанные руды.

В никель

Для того чтобы получить из руды никель, первоначальное сырьё проходит целый ряд этапов переработки:

• Прежде всего, руду очищают от влаги и гнилостей. Для этого её подвергают дроблению, затем сушат и спекают в печах.
• Полученные в результате первого этапа флюсы и гипс разбавляют коксом и всю полученную массу переплавляют в штейн (промежуточный металлургический продукт).
• В результате плавки образуется штейн и шлак. Шлак направляют в отвал. А штейн продувают в конвекторе.
• После чего получается белый никелевый штейн и опять же шлак, часть которого снова отправляется на переплавку, а другая часть используется для выработки угарного газа.
• Белую массу, содержащую значительное количество никеля опять же дробят и измельчают, чтобы затем направить на обжиг.
• Закись никеля восстанавливают, используя древесный уголь.
• Окончательным этапом получения нужного химического элемента Niявляется электролитическое рафинирование.

Никель

В кобальт

Для получения кобальта из никелевых руд, их предварительно растворяют с помощью серной кислоты, аммиака или воды. Иногда используют пирометаллургические процессы.

Затем с помощью хлорных соединений получают гидроокиси кобальта или с помощью электроэкстракции выделяют кобальт на катодах в процессе электролиза. Чтобы получить высокочистый металл, раствор предварительно тщательным образом очищают от примесей: меди, железа, свинца и никеля.

Месторождения в России и мире

Более 400 месторождения ведут добычу никелевых руд во всём мире. Крупнейшие отечественные месторождения расположены на территории:

• Таймырского округа – Октябрьское и Талнахское.
• Мурманской области – Ждановское.
• Челябинской области – Сахаринское.
• Урала – Серовское.
• Оренбургской области – Буруктальское.

Более мелкие присутствуют в Карелии, Воронежской области, на территории республики Тыва, в Амурской области и Камчатском крае.

За рубежом значительные залежи имеются:

• в Канаде, на Кубе, в ЮАР,
• на Украине, в Албании и Греции,
• в Индонезии, на Филиппинах, в Австралии и Новой Каледонии.

Список мест расположения крупнейших месторождений кобальта по странам мира:

• Бу-Аззер, Марокко.
• Цинхай, Китай.
• Раму, Папуа-Новая Гвинея.
• Voisey’s Bay Mine, Sudbury Area Mine, Nunavik Mine, Канада.
• AdlayCagdianaoTandawaProject, Филиппины.
• Камбалда, Маунт-Кит, Маррин, Австралия.
• Район Моа, Куба.
• Республика Алтай, Россия.
• Провинция Катанга, Конго.
• Инсизва, ЮАР.

Общая информация

Медь (купрум) — металл, имеет золотисто-красноватый цвет и отличается высокой теплопроводностью и электропроводностью. Еще одним отличительным качеством элемента считается его высокая пластичность. Самородками встречается в природе все реже, добывается чаще всего из руды.

При выяснении подлинности и чистоты образца можно обратиться к эксперту, но определение химического элемента в лабораторных условиях достаточно дорого. Поэтому нужно ориентироваться на несколько домашних способов.