Гальванический метод нанесения покрытий

Процесс получения гальванических покрытий на изделиях был разработан в 1838г. русским ученым академиком Б.Е. Якоби. Гальванические покрытия получают из электролитов, в качестве которых применяются водные растворы солей тех металлов, которыми необходимо покрыть поверхности деталей. При растворении в воде этих солей молекулы диссоциируют на противоположно заряженные частицы: положительные ионы (катионы) металла Ме ++ или водорода Н ++ , и отрицательные ионы (анионы) кислотных остатков SO₄", гидрооксидных групп ОН" или кислорода О"

Такие растворы являются проводниками электрического тока. Если в него поместить металлические пластины, подсоединенные к клеммам источника постоянного тока, то через электролит пойдет ток. Ток в жидкостях представляет собой направленное упорядоченное движение электрически заряженных частиц (ионов). Положительные ионы перемещаются к катоду, а отрицательные ионы – катоду.

На рис. 12.30 представлена схема гальванического процесса

Рис. 12.30 Схема гальванического процесса

Катодом при гальваническом осаждении металлов из электролитов является восстанавливаемая деталь, а анодом -металлическая пластина.

Применяют два вида анодов: растворимые и нерастворимые. Растворимые аноды изготавливают из того металла который должен осаждаться на деталь, а нерастворимые – из свинца.

При прохождении постоянного тока через электролит на катоде разряжаются катионы металла и водорода. Металл осаждается на поверхности катода (детали) и обеспечивает нанесение покрытия на молекулярном уровне. На аноде при этом происходит разряд анионов и выделение кислорода. Одновременно на аноде протекает процесс растворения металла с переходом его в раствор в виде положительных ионов. Это обеспечивает постоянное пополнение электролита положительными ионами металла , т.е. концентрация раствора остается без изменения.

Процесс электролитического осаждения металла подчиняется законам Фарадея. По первому закону Фарадея количество вещества, выделенного на катоде при электролизе равно

где с — электрохимический эквивалент, г / (А ч); Q – количество электричества, А ч; I – сила тока, А;

t – продолжительность электролиза , ч.

Электрохимический эквивалент выражают в мг/ Кл (миллиграмм/ Кулон) или г/(А ч). Электрохимические эквиваленты некоторых металлов приведены в табл. 12.8.

По второму закону Фарадея при прохождении тока через электролит массы выделяющихся на катоде и растворяющихся на аноде веществ пропорциональны их химическим эквивалентам

На катоде помимо осажденного металла выделяется водород или протекают процессы электрохимического восстановления ( например, Fe +++ + е ® Fe ++ ). По этой причине количество выделенного металла меньше, чем получается при расчете по закону Фарадея.

Для оценки полезного использования тока при нанесении гальванических покрытий принят показатель выход по току «. Он определяется отношением выделившегося металла на катоде (детали) к теоретически рассчитанного по закону Фарадея и определяется по формуле

где m_п — практически прореагировавшая масса металла; которая должна

прореагировать по закону Фарадея; m₁ и m₂ – масса детали до и после нанесения покрытия. Катодные выходы по току приведены в табл. 12.9.

Катодные выходы по току

Толщину наносимого слоя h можно вычислить по формуле

h = D_K С h t /(1000n), мм (12.21)

где D_K – рекомендуемая для данного электролита и его температуры плотность тока на катоде, А/ см 2 ; С –

электрохимический эквивалент, г/(Ач);

h – выход по току, % ; t — время прохождения тока, ч; n – плотность металла,

Толщина гальванических покрытий на поверхности деталей обычно получается неравномерной. Причиной этого являются неудовлетворительная рассеивающая способность электролита, т.е. свойство электролита обеспечивать получение равномерных по толщине и плотности покрытий на детали. Рассеивающая способность электролита зависит от степени равномерности распределения электрических силовых линий, идущих от анода к катоду, показанных на рис. 12.31.

Рис. 12.31.Схема распределения тока на сложнопрофильных деталях

Для повышения равномерности распределения тока и наносимого металла на поверхность детали применяют дополнительные аноды (см. рис. 12.32.) или аноды, копирующие форму поверхности детали, подлежащей нанесению на них металла.

Рис. 12.32. Повышение равномерности толщины покрытия с увеличением числа анодов:

а- два анода; б – четыре анода;

Гальванические покрытия имеют, как правило, высокую твердость, что обусловлено тем, что они имеют кристаллическое строение со значительно искаженной

Назначение гальванических покрытий в ремонтном производстве.

– восстановление формы и размеров изношенных поверхностей деталей;

– защита деталей от коррозии;

– придание деталям эстетического вида;

– улучшение прирабатываемости трущихся поверхностей;

– защита от науглероживания при цементации.

Восстановление деталей гальваническими покрытиями в сравнении с другими способами восстановления имеет следующие достоинства:

– отсутствие термического воздействия на детали, вызывающего в них тепловые деформации и нежелательные изменения структуры и механических свойств металла детали;

– получение с большей точностью необходимой толщины покрытия, что позволяет снизить до минимума припуски на последующую механическую обработку и ее трудоемкость;

– получение покрытий с заданными физико-механическими свойствами;

одновременное восстановление большого числа деталей (особенно мелких, что снижает трудоемкость и себестоимость ремонта единицы продукции);

– автоматизация технологического процесса восстановления.

Классификация гальванических покрытий

– для компенсации износа;

– для защиты от коррозии;

– специальные покрытия для придания рабочим поверхностям необходимой твердости, износо – и жаростойкости, электропроводности, изоляционных и других свойств.

по способу получения:

по характеру защиты:

Характер защиты металлического покрытия зависит от электрохимической характеристики металла покрытия по отношению к основному металлу детали в условиях эксплуатационной среды. Относительная электрохимическая характеристика металлов определяется значениями их стандартных электродных потенциалов, приведенных в табл. 12.10.

Стандартные электродные потенциалы металлов в водных растворах при 298° К

Покрытия, имеющие по сравнению с металлом детали более отрицательный потенциал, называется анодным. Они электрохимически защищают основной металл от коррозии.

При наличии влаги между металлом покрытия и металлом детали, возникает замкнутый гальванический элемент, в котором анодом будет металл покрытия, который, разрушаясь, защищает основной металл детали (см. рис.12.33а)

Рис. 12.33. Металлические покрытия, поврежденные коррозией;

а – анодное; б – катодное;

К катодным покрытиям можно отнести цинковые покрытия на стали, никелирование на меди и т.д.

Покрытие, потенциал которых положительнее потенциала металла детали в условиях эксплуатации, называют катодным.

Такие покрытия защищают детали только механически и качество защиты

зависит от сплошности покрытия. При возникновении гальванической пары между покрытием и поверхностью детали основной металл становится анодом и начинает интенсивно растворяться ( см. рис. 12.33.6). К катодным покрытиям относят покрытия меди и никеля по стали и т.д.

Дата добавления: 2015-12-26 ; просмотров: 2928 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Гальваника представляет собой особый электрохимический процесс, при котором применяется электролит, электроток, пара электродов и обрабатываемый элемент. Это уникальная технология, предназначенная для обработки изделий из металла. Электролит является жидким веществом с высокой токопроводностью, из которого под воздействием электротока выделяются частицы металлического сплава, оседающие на обрабатываемом элементе и формирующие на его поверхности защитную пленку.

Покрытия гальванического типа создаются не банальным нанесением металлического слоя, а путем проникновения частиц внутрь поверхностных слоев элемента.

Суть процесса

Перед тем как вдаваться в подробности, следует выяснить суть этой электрохимической процедуры. Гальваническая обработка состоит из нескольких важных стадий:

• изготовление раствора электролита (состав подбирается индивидуально для каждой ситуации);
• помещение пары анодов от «плюса» источника электротока в электролит;
• погружение в гальванический состав обрабатываемой детали, помещение ее между парой анодов и последующее подключение к «минусу» источника электротока (то есть обрабатываемый элемент становится своеобразным катодом);
• замыкание созданной электроцепи.

Сам процесс гальванизации базируется на том, что положительные частицы металлического сплава, присутствующие в составе электролита, под влиянием электротока стремятся к катоду-элементу, который заряжен отрицательно. Затем этот состав оседает на поверхности обрабатываемой детали и создает на ее поверхности тоненькую пленку из металла.

Цели гальванического покрытия металла

Существует целый ряд целей для нанесения гальванического покрытия. К примеру, для гальванического хромирования поверхность нужно предварительно покрыть никелем. К гальванике, как правило, обращаются с целью улучшения декоративных и защитных качеств конструкций. Эту процедуру используют и для изготовления точных копий сложных элементов. В этом случае процесс принято называть гальванопластикой.

Широко распространена технология оцинковки металлов посредством гальваники. Она позволяет сделать на поверхности цинковое покрытие, которое характеризуется отменными антикоррозийными свойствами. Изделия из металлических сплавов, которые прошли обработку с применением этой технологии, могут долго сохранять свои свойства при высокой влажности и даже при постоянном воздействии соленой и пресной воды. Посредством цинкования также производят обработку трубопрокатных изделий, всевозможные емкости, опорные и строительные конструкции. Благодаря применению цинкования металлические поверхности получают и электрохимическую, и барьерную защиту.

Если посредством цинкования увеличивается лишь стойкость материала к коррозии, то гальваника хромом решает и эту задачу, делая поверхность более износостойкой и крепкой и также улучшая ее внешний вид. Аналогичным эффектом обладают и гальванические покрытия на основе никеля.

Другая область применения гальваники — ювелирная промышленность. Эта технология в данной ситуации используется для того, чтобы улучшить внешний вид ювелирной продукции. При этом на украшение наносится слой серебра или золота. Кроме того, пленка, которая наносится на изделие при обработке, делает его ярче и привлекательнее.

Материалы и оборудование

Гальваническая обработка разных материалов предполагает применение соответствующих «расходников» и оборудования. Для покрытия элементов металлами применяются однотипные гальванические установки. Разница будет лишь в составе применяемого электролитного раствора, его температурных показателях и в режимах работы.

Итак, процедура может производиться с применением следующего оборудования:

• специальные ванны с электролитом, в которые помещается обрабатываемый элемент и аноды;
• источник электротока, который оборудован регулятором напряжения на входе;
• устройство нагрева, которое будет доводить электролит до нужной температуры.

Также требуются анодные пластины, которые будут подавать напряжение к электролиту и распределять его по обрабатываемому элементу.

Следует отметить, что для изготовления электролитов используются опасные соединения, потому их нужно хранить в надежных сосудах.

Любое гальваническое оборудование должно находиться в помещениях с хорошей вентиляцией. Нужно очень внимательно отнестись и к требованиям безопасности. Все мероприятия, связанные с гальванической обработкой, необходимо производить в защитном респираторе и очках, а также в специальной обуви, фартуке и перчатках. Если гальваника осуществляется дома, то следует предварительно изучить соответствующую литературу или посмотреть видеоуроки по данной тематике.

Преимущества и история развития

Эта технология была изобретена в 1838-м году ученым по имени Борис Якоби. Именно он начал активное внедрение гальваники в самые разные процессы производственного плана. В скором времени гальваническую обработку успешно освоили и монетные дворы, и художники-ремесленники, и промышленные предприятия.

Однако название эта методика получила в честь ученого из Италии Луиджи Гальвани. Он начал изучение электрохимической технологии обработки почти одновременно с Борисом Якоби.

К основным достоинствам гальваники относятся следующие:

• Покрытия, прошедшие гальванику, характеризуются равномерной толщиной и высочайшим уровнем плотности.
• Гальваническое покрытие можно с легкостью наносить даже на конструкции сложной формы.
• Покрытие, появившееся при гальванической обработке, отличается хорошей адгезией со многими металлами.
• Декоративные и защитные свойства деталей, прошедших гальванику, очень высоки.
• Толщина гальванического покрытия очень просто регулируется.

Кстати, слово «гальваника» встречается не только в промышленных сферах деятельности и ювелирном производстве, но и в косметологии. Так называется процесс, при котором на кожный покров воздействуют маломощными токами, позволяющими избавиться от излишков жира сальных желез.

Гальванической покрытие представляет собой метод покрытия одного металла каким-то другим посредством электролиза. Эта процедура осуществляется с использованием традиционных методов погружения. После предварительной подготовки печатные платы загружают в гальваническую ванну, представляющую собой емкость из диэлектрика, которая наполнена электролитом и снабжена анодами (они могут быть растворимыми и нерастворимыми), а также устройством для поддержания температуры и перемешивания раствора.

Обработка плат

Пропускание постоянного тока приводит к тому, что непокрытые защитной маской и подключенные к электроду участки платы покрываются слоем никеля или золота определенной толщины. Правильное расположение анодов гарантирует, что толщина покрытия будет примерно равномерной.

Золочение печатных плат обычно производится с использованием двухстадийного процесса. Сначала их погружают в ванну, где гальваническим способом наносится никель. При этом используется высокая плотность тока, благодаря которой из кислого раствора осаждается слой никеля, толщина которого составляет 0,05-0,1 мкм. Благодаря этому обеспечивается прочное сцепление никеля и меди, что позволяет уменьшить пористость покрытия, а также предотвратить проникновения меди в золотой слой. После промывки изделия обычно перемещают в ванну золочения, где производится наращивание слоя золота до 0,5 мкм из электролита.

Гальваника и декорирование

Уже в древние времена существовала декоративная отделка художественных металлов. Современное производство предполагает, что для придания каких-то особых свойств поверхности металла будет использоваться гальваническая обработка. Защитные покрытия из благородных металлов можно получить благодаря осаждению металлов из солевых растворов под действием электрического тока. Благодаря таким покрытиям удается достаточно длительное время сохранить цвет и блеск ювелирных изделий. Они не только предотвращают потемнение изделий, но и обладают превосходным полирующим эффектом. К примеру, гальваническое покрытие золотом или серебром позволяет надолго сохранить цвет и блеск ювелирного изделия.

Существует несколько разных вариантов этого процесса, каждый из которых предполагает использование того или иного металла:

Хромирование

Это диффузное насыщение стальной поверхности хромом либо осаждение на детали слоя вещества из электролита под действием электротока. В данном случае гальваника ориентирована на защиту от коррозии, применяется для декорирования либо для увеличения степени твердости поверхности. Хромирование в промышленности может использоваться и для декорирования. В данном случае основная цель процедуры – придание металлической поверхности красивого эффектного блеска. Деталь перед нанесением хрома должна быть отполирована.

Свойства покрытия

Твердое хромовое покрытие характеризуется жаростойкостью, высокой степенью износостойкости, плохой смачиваемостью, низким коэффициентом трения, а также незначительной пластичностью. Кроме того, поверхность получает такие свойства, как устойчивость в плане трения, способность выдерживать распределительную нагрузку, а также недостатком, связанным с легкостью разрушения под действием сосредоточенных ударных нагрузок. Гальваническое покрытие в форме молочного хрома обладает невысокой степенью износостойкости и твердости, малой пористостью. Поверхность получает защиту от коррозии, при этом сохраняя привлекательный декоративный вид.

Использование хромирования в промышленности

Основная цель, с которой оно используется в промышленности, это придание детали таких свойств, как повышенная износостойкость, увеличенная устойчивость к коррозии, а также сниженное трение. Благодаря этому процессу сталь становится прочнее, не подвергается газовой коррозии, а также не разрушается в морской и обычной воде, азотной кислоте. Гальваническое покрытие данного типа приводит к тому, что поверхностные дефекты становятся только значительнее, из-за чего требуется производить последующую обработку, так как в данном случае нет эффекта выравнивания.

Меднение

Использование медных покрытий актуально в тех случаях, когда требуется повысить электропроводность, а также их применяют в качестве промежуточного слоя на стальных изделиях перед тем, как будет нанесено хромовое, никелевое или иное покрытие. Так удается обеспечить более качественное сцепление, а также повысить защитную способность. Гальваническое покрытие медью обычно не используется в качестве самостоятельного или декоративного. Благодаря тому, что данный металл способен предотвращать образование искр, изделие можно использовать в нефтяной и газовой промышленности.

Применение меднения

Данный процесс используется для нанесения покрытия из меди на стальные изделия либо на стальную проволоку. Часто этот вид покрытия применяется для защиты отдельных участков изделий из стали от цемента, а обработке при этом подвергаются те участки, которые дальше предполагается обрабатывать резанием.

Гальванические покрытия металлов в данном случае часто применяются в нефтегазовой отрасли, чтобы исключить образование искр, в электроэнергетической сфере для последующего нанесения многослойных покрытий, предназначенных для защиты и декорирования, в производстве печатных плат, для улучшения пайки, а также для многого другого. Поверхность приобретает цвет от светло-розового до темно-красного. Оттенки обычно не нормируются.

Одним из наиболее распространенных методов для защиты металлических изделий является цинкование. Обычно его применяют для обработки разнообразных легированных или углеродистых марок стали. Нанесение гальванических покрытий данного типа достаточно востребовано для защиты изделий из проволоки и крепежных элементов. Попадая во влажную среду, цинковая поверхность выступает в качестве анода, благодаря чему замедляются окислительные реакции, а основной металл при этом получает надежную защиту от негативных факторов среды.

Гальваника данного типа может использоваться только после того, как металлических изделия будут обработаны особым образом. Для этого следует очистить их от ржавчины, окалины, технических средств смазочно-охлаждающего назначения. Когда процесс гальванического цинкования будет завершен, изделие должно подвергнуться осветлению, то есть его протравливают слабым раствором азотной кислоты, после чего проводят пассивацию. Так не только удается увеличить устойчивость оцинкованных изделий к негативным факторам, но и сделать их более декоративными, то есть придать блеск и определенный оттенок. Технология гальванических покрытий в данном случае предполагает толщину цинкового слоя от 6 мкм до 1,5 мм.

Никелирование

Защита металлических изделий может осуществляться с использованием различных технологий. Одной из наиболее востребованных и распространенных на данный момент является никелирование. Такая популярность объясняется химическими свойствами никеля. Он обладает высокой степенью устойчивости к коррозии в водной среде, а оксид никеля предотвращает последующее окисление металла. Помимо этого, никель слабо поддается воздействию солей, кислот и щелочей, за исключением азотной кислоты. К примеру, гальваническое покрытие толщиной 0,125 мм надежно защищает от большинства промышленных газов, характеризующихся повышенной агрессивностью. Очень важен и такой момент: никелированию поддаются почти все металлы, благодаря чему такой способ можно применять для дополнительной обработки изделий.

Использование никелирования уместно для решения целого ряда задач:

– обеспечение защиты металлических изделий;

– использование в качестве декоративного покрытия;

– формирование предварительного слоя, который будет подвергнут дальнейшей обработке;

– восстановление деталей и узлов.

Покрытие характеризуется повышенной износостойкостью и твердостью и рекомендовано для деталей, которые работают в условиях трения, в особенности при отсутствии какой-либо смазки, используется для защиты от коррозии, а также обеспечения качественной пайки низкотемпературных припоев, все это прописано в ГОСТ. Гальванические покрытия обладают повышенной хрупкостью, поэтому не рекомендовано производить развальцовку и гибку деталей, прошедших процедуру никелирования. Его рекомендуется применять для сложнопрофилированных деталей. После процедуры термообработки в условиях температуры 400 градусов Цельсия покрытие приобретает максимальную твердость.

Оловянное покрытие характеризуется стойкостью к действию соединений, содержащих серу, поэтому рекомендуется для деталей, которые находятся в контакте с резиной и пластмассами. Среди его свойств можно назвать превосходное сцепление с основным металлом, эластичность, способность к изгибу, вытяжке, штамповке, развальцовке, прессовой посадке, а также хорошее сохранение при свинчивании. Свежеосажденное оловянное покрытие хорошо поддается пайке.

Выводы

Гальваническое покрытие позволяет улучшить токопроводящие характеристики деталей, придавая им превосходные свойства электроизоляции, а также защищая от воздействия различных веществ. Кроме того, этот способ позволяет получить отличные поверхности, имеющие зеркальный вид, а также имитирующие покрытие эмалью. Сложно переоценить, насколько гальваника важна в современном производстве, так как развитие технологий позволило сделать процесс более совершенным.