Гальванические покрытия (1245580)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Гальванические покрытия

Краткие теоретические сведения об электрохимических процессах

Электрохимическими называются процессы, которые связаны превращением электрической энергии в химическую или химической в электрическую. В основе электрохимических процессов лежат законы Фарадея. По первому закону Фарадея для любого электродного процесса масса вещества, превращаемого при электролизе, прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения, т.е. прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества.

Второй закон Фарадея характеризует влияние природы ионов. Закон устанавливает, что при пропускании одинакового количества электричества через растворы различных электролитов количества каждого вещества, претерпевающие превращения, пропорциональны их эквивалентным массам, причем для выделения одного эквивалента любого вещества требуется пропустить 96500 Кл или 26,8 А·ч электричества.

Вследствие протекания побочных процессов выделяется вещества всегда меньше, чем должно бы выделиться по закону Фарадея. Основными критериями рационального использования электроэнергии при электролизе служат выход по току и коэффициент использования энергии.

Если латунную пластинку плотностью 8,4 г/см3 площадью 1 дм² предварительно очистить, высушить и взвесить на точных лабораторных весах, а затем подвергнуть 30-минутному меднению в цианидной ванне при силе тока 1А, то прирост массы после промывки, сушки, при повторном взвешивании составит 0,59 г. При длительности меднения 1 ч прирост массы возрастет до 1,18 г. Отметим, что при силе тока 2 А после 30 мин прирост массы равен 1,18 г, а по истечении часа — 2,37 г.

Измерение толщины покрытия даже таким простым прибором, как микрометр, показало бы большую разницу в зависимости от времени меднения и силы тока, протекающего через экспериментальную ванну.

В гальванотехнике обычно оперируют плотностью тока. Если загруженная в ванну деталь имеет суммарную поверхность 50 дм², а через ванну протекает ток в 150 А, то плотность тока составит 3 А/дм². При техническом хромировании плотность тока достигает нескольких десятков ампер на квадратный дециметр.

Если же латунную пластинку с поверхностью в 1 дм² серебрить в цианидной ванне в течение 1 ч при силе тока 1 А, то прирост массы будет 4 г, из чего следует, что масса осажденного металла зависит не только от времени гальванической обработки и плотности тока, но и от вида покрытия и ванны. Эта зависимость выражается законом Фарадея, который является основной для расчетов, необходимых в каждодневной практике:

m = kIt,

где m — масса вещества, осажденного на катоде, г; I — сила протекающего через электролит тока, A; t— длительность протекания тока, ч; k— электрохимический эквивалент или масса вещества (в граммах), осажденного в течение 1 ч при силе тока 1 А.

Выход по току

Немногие электрохимические процессы идут точно в соответствии с законом Фарадея, так как часть тока может быть израсходована на побочные процессы, например, на выделение водорода.

Выходом по току η (%) называется отношение массы вещества Gфакт, дейст-

вительно полученной при электролизе, к массе вещества Gмакс, которая должна

была получиться по законам Фарадея при той же затрате электричества:

η = (Gфакт / Gмакс)·100.

Выход по току зависит от состава электролита, его природы и условий осаждения. На катоде может происходить несколько реакций одновременно: осаждение металла, выделение водорода, промежуточное восстановление и др. Так, в стандартном электролите хромирования 85…90% всего пропускаемого электричества расходуется на выделение водорода и только 10…15% на выделение металла. Выход по току металла приближается к 100% в кислых электролитах. В комплексных электролитах он составляет 70…80%, что связано с затратой энергий на разложение комплекса.

Выше уже отмечалось, что выход по току зависит от состава электролита и параметров осаждения, например, сульфатная ванна для кислого меднения характеризуется выходом по току 100 %, а цианидная — меньшим значением.

Особенно низкий катодный выход по току имеет ванна для хромирования. Так, например, в ванне; содержащей хромовый ангидрид 250 г/л, серную кислоту 2,5 г/л, катодный выход по току ~ 20 %.

Реже используется понятие анодный выход по току, определяемое отклонением массы металла, фактически растворенного на аноде во время электролиза, к массе подсчитанной теоретически. В практической гальванотехнике закон Фарадея, имеет, следовательно, более развернутый вид, учитывающий катодный выход по току, η %:

m= kItη.

Формула Фарадея применима для расчетов, необходимых в каждодневной практике, но можно воспользоваться таблицами (где указана толщина покрытия в зависимости от времени осаждения, плотности тока и ка-тодного выхода по току), приводимыми в справочниках.

В соответствии с очень полезным правилом, которое следует помнить, масса (в граммах) 1-мкм металлического покрытия, нанесенного на поверхность 1 м², численно равна плотности данного металла, г/см³. Например, для покрытия 1 м² поверхности 1-мкм слоем серебра, плотностью 10,5 г/см³ требуется 10,5 г этого металла, а на 1 дм² пришлось бы 10,5: 100=0,105 г серебра. Подобным образом, зная плотность металла, мы можем проводить расчеты для каждого другого покрытия.

Пути улучшения распределения металла на поверхности катода

Толщина электролитически осажденного металлического покрытия (особенно на изделиях сложной формы) не одинакова. Одна из причин этого — геометрическая форма катода (рис. 1). Напротив плоского анода А находится катод К сложной формы. Расстояние от анода до плоскости В вдвое больше расстояния до плоскости С, и казалось бы на поверхности С должно осадиться металла в два раза больше, чем на плоскости В. В дейст-вительности дело обстоит гораздо сложнее, так как кроме геометрических факторов проявляется действие поляризации — сложного электрохимического явления. Выбор покрытия производится по: ГОСТ 9.303-84.

Известно также, что катодный выход по току в значительной степени зависит от плотности тока. Так, например, в цианидной ванне цинкования увеличение плотности тока приводит к снижению катодного выхода по току, вследствие чего улучшается распределение металла на катоде и, следовательно, уменьшается разница в толщине покрытия.

В
некоторых ваннах, например, хромовых получают покрытия с большой разнотолщинностью, в других, например, для щелочного лужения, цианидного медне-ния— с меньшей. В первом случае говорим, что ванна имеет небольшую кроющую способность, а во втором — большую. Простые кислотные ванны (электролиты) без специальных органических добавок имеют, как правило, небольшую кроющую способность, а цианидные — высокую.

Рис. 1. Влияние геометрической формы катода на распределение металла

Рис. 2. Распределение никелевого покрытия иа детали сложной формы:

1 — покрытие; 2 — катод

Кроме кроющей способности существует еще понятие способности к электролитическому покрытию, под которым понимаем минимальную плотность тока, при которой начинается осаждение металла в данном электролите. На практике считается, что ванна, хорошо покрывающая углубленные участки без специальных добавочных электродов, имеет хорошую способность к покрытию. К таким принадлежат, например, ванны для щелочного лужения и для цианидного серебрения. Примером ванны с недостаточной способностью к покрытию является хромовая ванна.

Интересное явление наблюдается при цинковании стали в современных слабокислых ваннах, которые имеют по существу умеренную кроющую способность, но очень хорошую способность к электролитическому покрытию и, следовательно, обеспечивают нанесение слоев цинка даже на сильно заглубленных участках.

Даже в ваннах с хорошей кроющей способностью покрытие осаждается неравномерно. На ребрах и выпуклых местах толщина больше, чем в углублениях. На рис.2. поз.2 представлено распределение никелевого покрытия на поверхности детали сложной формы, подвергнутой никелированию в нормальных производственных условиях. На выпуклых поверхностях, покрытие достигает толщины 90 мкм, а в углублениях только 5 мкм (форма покрытия показана на заштрихованных участках). С целью достижения более равномерного распределения металла на поверхности катода необходимо применять аноды, форма и величина которых приближается к форме покрываемой детали (рис. 3). Такие профильные аноды возможны при хромировании, так как, например, из свинцового листа можно формировать аноды любой формы.

Рис. 3. Влияние соответствия формы катода иа равномерность распределения металла на катоде: 1— анод; 2 — покрытие; 3 — катод

Рис. 4. Влияние вспомогательных катодов на распределение металла на поверхности изделия:

1 — покрытие'; 2 — анод; 3 — изделие; 4—вспомогательный катод

Наибольшее утолщение покрытия обычно наблюдается на острых краях. Во избежание этого возле ребер размещают вспомогательные металлические катоды, соединенные с покрываемой деталью. Значительная часть линий электрического поля сосредоточивается на вспомогательных катодах, не достигая ребер (рис. 4). Вместо вспомогательных катодов можно применять непроводящие экраны, которые не допускают чрезмерного возрастания плотности тока на ребрах и выступах (рис. 5). Такие экраны полезны потому, что покрытие на них не осаждается и, следовательно, не происходит ненужных потерь материала.

Применение вспомогательных катодов и экранов довольно затруднительно и должно рассматриваться как крайняя мера. Во многих случаях достаточно умело расположить детали на подвесках. Для улучшения электропроводности электролита в него вводят добавки, которые не участвуют в химическом процессе, но являются переносчиками электричества.

Свойства гальванических покрытий

По назначению гальванические покрытия можно разделить на защитные, декоративные, декоративно-защитные и функциональные. Особого внимания заслуживают защитные цинковые и кадмиевые покрытия, создающие действенную защиту стали от электрохимической коррозии.

Механизм защитного действия цинковых покрытий на стали представлен в упрощенном виде на рис. 5, где показано в увеличенном виде поперечное сечение стального образца, покрытого электролитическим слоем цинка. Если в неплотностях покрытия, вызванных пористостью или механическим повреждением, накопится влага, то образуется коррозионная пара, в которой цинк является растворимым анодом, а сталь — катодом.

В
результате этого наступает разрушение самого покрытия, а сталь остается нетронутой. Покрытие защищает стальную подложку до полного разрушения цинка. Следовательно, толщина должна быть выбрана соответственно эксплуатационным условиям. Покрытия этого типа называются анодными. 

Рис. 5. Коррозия цинкового покрытия на стали: 1 — анод; 2 — катод; 3 — продукты коррозии

Н
икелевое покрытие на стальной подложке приведено на рис. 6. Если в неплотности покрытия сконцентрируется влага, то возникает коррозионная пара, в которой покрытие является катодом, а стальная растворимая подложка — анодом. Здесь поверхность анода по сравнению с поверхностью катода относительно мала, что значительно усиливает коррозию стали. В этом случае преимущественно образуются глубокие язвы, распрост-

Рис. 6. Коррозия стали, покрытой никелем

раняющиеся по бокам, приводя к лущению никеля. Тонкое никелевое покрытие не защищает сталь от коррозии из-за значительной его пористости. Достаточную плотность имеют покрытия соответственно толстые, отсюда возникает необходимость соблюдения минимальной толщины покрытия в соответствии с требованиями государственных стандартов.

Подобным образом ведут себя оловянные и медные покрытия на стали. Покрытия этого типа называются катодными.

Типичные декоративные — латунные, бронзовые, серебряные и золотые — покрытия в настоящее время наносятся преимущественно на подслое из блестящего никеля, что обеспечивает получение слоев с высокой блестящей поверхностью прямо в ванне. Эти слои имеют преимущественно очень малую толщину и дополнительно покрываются прозрачными лаками с высоким сопротивлением истиранию.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов учебной работы