Электрохимические методы обработки материалов.

Все электрохимические методы обработки материалов основаны на явлении электролиза, т. е. на переносе материала с одного электрода на другой, на растворении анода в электролите и на осаждении на катоде металла электролита. Гальванотехничес­ким способом изделие формируется на катоде из осаждающегося на нем металла анода. При катодном травлении осуществляется очист­ка изделия — катода пузырьками выделяющегося на нем водорода, удаляющего жир и загрязнения с его поверхности. При электроли­тическом анодном травлении и анодном полировании изделие явля­ется анодом, при растворении его поверхностного слоя поверхность очищается и сглаживается — полируется. Методом электролитичес­кого растворения анода можно придавать последнему нужную фор­му, особенно когда материал с трудом поддается механической об­работке. Для получения большей производительности процесса не­обходимо принудительно удалять с поверхности анода продукты растворения во избежание замедления процесса. Такое удаление может быть осуществлено сильной струей электролита (анодно-гидравлическая размерная обработка) или чисто механическим путем (анодно-механическая размерная обработка).

 

Гальванотехника.

 

Гальванотехника — способ осаждения металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий при помощи электролиза. После такого осаждения поверхность изделия приобретает большую стойкость против коррозии, более красивый вид (декоративное по­крытие), иногда — большие твердость, стойкость против истирания. Если при этом изделие покрывается весьма тонким (5—30 мкм) слоем металла, лишь в редких случаях (упрочнение поверхности) доходящего до десятых долей миллиметра, то такого рода процесс носит название гальваностегии. Изделие можно покрывать значи­тельно более толстым слоем в целях получения его точной копии; этот процесс получил распространение в художественном промысле (изготовление металлических копий статуй и других деталей), а также в полиграфии и получил название галь­ванопластики.

Гальваностегия имеет в настоящее время широкое применение (омеднение, никелирование, хромирование, серебрение, золочение, покрытие поверхности цинком, оловом, свинцом).

Золочение, серебрение, никелирование и хромирование в основ­ном преследуют декоративные цели, одновременно эти покрытия по­вышают сопротивление коррозии. Медь используется главным об­разом как промежуточный слой на покрываемых никелем или хромом стальных изделиях. Для стойкости покрытий весьма важно хоро­шее сцепление защитного металла с материалом изделия; никель и хром недостаточно прочно сцепляются со сталью, поэтому последнюю сначала омедняют, а затем уже поверх меди наносят слой никеля или хрома. Так как слой хрома в ряде случаев не защищает от коррозии, применяют и трехслойное покрытие (медь—никель—хром). Покрытие изделий слоем никеля или хрома защищает их поверхность от окисления при нагреве до 480—500° С. Широко рас­пространено для защиты от коррозии покрытие цинком; в ряде слу­чаев прибегают к кадмированию.

Хромирование и никелирование применяются также для повы­шения износостойкости поверхностей, например стереотипов в ти­пографском деле. Нанесение на стереотип слоя никеля, хрома или железа может повысить его срок службы в 10 раз и более. В этих случаях толщина наносимой пленки должна быть больше (30— 50 мкм и более).

Непременным условием прочности сцепления наносимого слоя с основным металлом является чистота поверхности последнего. Поэтому перед электролизом производят тщательное удаление с из­делий малейших следов грязи, окислов, жира. Для этого их обез­жиривают обычно в горячих растворах щелочей или в органических растворителях — керосине, бензине. Для удаления окислов и грязи изделия подвергают травлению в серной или соляной кислоте, а для получения гладких поверхностей — шлифовке и полировке. Последнюю операцию повторяют и после покрытия, если из деко­ративных соображений необходимо получить блестящую поверхность, так как изделия из ванн обычно получаются матовыми.

Основной частью электролита являются соли осаждающегося металла. Кроме того, для улучшения проводимости электролита в него часто вводят кислоты или щелочи, придающие электролиту кислый или щелочной характер. При золочении и серебрении, а иногда и при омеднении в электролит вводят цианистые соединения, что обеспечивает лучшее сцепление покрытия с основным металлом.

Как правило, в процессах гальваностегии применяют раствори­мые аноды в виде полос или прутков из металла, осаждаемого на катоде; в этом случае осуществляется перенос металла с анода на катод. Применяются, однако, и аноды из металла или сплава, не­растворимого в данном электролите, например при хромировании — из свинца или свинцово-сурьмяного сплава. В этом случае металл выделяется на изделиях за счет электролита, и в электролит систе­матически нужно добавлять соль осаждаемого металла.

Гальваностегия осуществляется в ваннах из материала, хими­чески стойкого в отношении применяемого электролита. Крупные ванны выполняют стальными, сварными, причем для кислых раство­ров их изолируют внутри резиной, эбонитом, винипластом или по­крывают кислотоупорными и термостойкими лаками. Обрабатыва­емые изделия устанавливаются обычно на подвесках в ванне. Для процессов, протекающих при малой плотности тока (0,01—0,1 А/см2), применяют стационарные ванны с неподвижными катодами. При больших плотностях тока (например, при хромировании) применяют ванны непрерывного действия, в которых изделия в процессе покры­тия перемещаются от одного края ванны к другому. Такие ванны обычно снабжены устройствами для перемешивания электролита сжатым воздухом и его фильтрации. При больших производительностях применяют автоматы, снабженные рядом ванн, в которых проводится не только само покрытие изделий, но и подготовка их поверхности (обезжиривание, травление и промывка). В таких авто­матах изделия, перемещаясь шагами по горизонтали и вертикали, поочередно проходят все ванны.

При гальваностегии, как и при всех электролитических процес­сах, применяется постоянный ток обычно низкого напряжения (6— 24 В). Регулирование процесса осуществляется изменением плотности тока, значение последней меняется в зависимости от процесса от сотых и десятых долей А/дм2 при золочении и серебрении до деся­тых долей А/см2 при хромировании. При увеличении плотности тока увеличивается количество осаждаемого в единицу времени металла, однако при превышении ею определенного значения (своего для каждого процесса) качество покрытия резко ухудшается. Ванны для гальваностегии питаются от генераторов постоянного тока или от полупроводниковых преобразователей.

Для большинства процессов гальваностегии выход по току сравнительно велик (от 100 до 90%), для ряда процессов, например золочения и некоторых видов омеднения, выход по току уменьшается до 70—60%. Лишь при хромировании он весьма низок (12%), так как в этом процессе основная часть затрачиваемой электроэнергии расходуется на побочные реакции.

В последние годы проводится эксперименты по применению в гальванических процессах периодического тока. Обычно наклады­вают переменную составляющую на постоянный ток, причем ампли­туда переменной составляющей примерно в 2 раза превышает зна­чение постоянного тока. Применение периодического тока при выполнении никелевых, медных и цинковых покрытий позволяет улучшить их качество, в частности уменьшить загрязнение осажда­емого слоя примесями.В некоторых случаях оказалось возможным омеднение при пи­тании ванны током частотой 50 Гц. Объясняется это частичным вы­прямлением переменного тока электрохимической ячейкой, благода­ря чему в токе ванны появляется постоянная составляющая.

Гальванопластика позволяет получать точные копии изделий. Для этой цели с изделия снимают оттиск — обратное изображение, получившее название матрицы. Матрицы могут быть металлическими и неметаллическими, например из воска. В последнем случае поверх­ности матрицы сообщается электропроводность путем' нанесения на нее металлического порошка. Металлические матрицы могут изго­тавливаться прессованием из свинца, путем отливки из легкоплав­ких сплавов, а также методом гальванопластики. В последнем слу­чае поверхность изделия обрабатывается, как уже было указано ра­нее, для обезжиривания и удаления окислов. Металлические матрицы выполняются в основном из меди с применением электролита из раствора медного купороса, подкисленного серной кислотой, такого рода оттиски легко отделяются от изделия, особенно когда послед­нее предварительно протирают скипидаром.

Металлические матрицы перед гальваническим процессом также очищают; кроме того, для облегчения отделения гальванокопии от матрицы на нее наносят очень тонкий (1—2 мкм) промежуточный слой никеля или серебра, который легко химически оксидируется. Затем матрицу помещают в гальваническую ванну и получают с нее точную пустотелую копию изделия. При сложных формах изде­лий (бюсты, статуи) их делят на две и даже три части, для каждой из которых изготавливают свою матрицу и копию. Затем отдельные копии соединяют друг с другом пайкой. Широкое применение полу­чила гальванопластика в полиграфии. Свинцовую пластину накла­дывают на цинковое или медное клише, предварительно смазав керо­сином или раствором воска в бензине, после чего прессуют оттиск под давлением 50—100 МПа. Полученную матрицу отделяют от оригинала и помещают в гальванопластическую ванну, где снимают копии с клише из меди, а затем методами гальваностегии покрыва­ют их тонким слоем никеля, железа или хрома. Если цинковое кли­ше выдерживает 25—30 тыс. оттисков, а медные копии — до 200— 250 тыс., то покрытые никелем или железом — до миллиона оттис­ков, а хромированные — до полутора миллионов оттисков.