Нанесение гальванических покрытий

Электролитические процессы (электролиз) используются для нанесения металлических покрытий с целью защиты от коррозии, в ремонтном деле (например, железнение коленчатых валов тракторов и автомобилей), для придания изделиям декоративного внешнего вида и др.

Слою наносимого покрытия можно придать рыхлость, чтобы в поры попадала смазка, и тогда, трущаяся пара - более долговечна; либо, в необходимых случаях – высокую твердость и плотность. Покрытие детали может производиться сплавом из нескольких металлов.

Гальванические покрытия получают путем электролитического осаждения металлов из растворов соответствующих солей. Покрываемую деталь соединяют с катодом внешнего источника постоянного тока, а металл, которым покрывают, делают анодом (электролиз с растворимым анодом). В качестве электролита используют раствор соли, ион металла которой одинаков с материалом анода.

Гальванические покрытия применяют в основном для защиты от коррозии железа и углеродистых сталей. Наибольшее распространение получили покрытия цинком (анодное покрытие, т.к. φ^o_{Zn /Zn} < φ^o_{Fe /Fe}), почти 40% мирового производства цинка используется для нанесения покрытий. Цинковые покрытия устойчивы в атмосфере, загрязненной агрессивными газами. В воде цинковые покрытия мало устойчивы. Кадмиевые покрытия (катодное покрытие, т.к. φ^o_{Cd /Cd} > φ^o_{Fe /Fe}), более устойчивы в морской воде, чем цинковые, и они применяются также для защиты от коррозии напряженных, закаленных изделий (например, стальные пружины), так как хрупкость кадмированных изделий меньше, чем покрытых цинком. Для усиления защитных свойств цинковые и кадмиевые покрытия обрабатывают растворами хромата и бихромата калия (химическое покрытие). При этом на поверхности покрытия образуется тонкая радужная пленка хромата цинка или кадмия, увеличивающая защитные свойства покрытия. Толщина покрытия составляет обычно 10-30мк.

Для защиты от коррозии пищевой и консервной тары широко применяют оловянные (луженое) покрытия. Олово имеет большее значение стандартного электродного потенциала (φ^o_{Sn /Sn} = -0,14B), чем железо (φ^o_{Fe /Fe} = -0,44B), и при наличии пор в покрытии не защищает железо (сталь) от коррозии. Однако в растворах органических кислот (фруктовые соки, молочнокислые продукты) олово образует прочные комплексные ионы и приобретает более отрицательный потенциал, чем железо, являясь по отношению к нему анодом в коррозионной гальванической паре. Поэтому внутренняя поверхность стальной консервной тары, покрытая тонким слоем (5-10мк) олова, на длительное время электрохимически защищена от коррозии.

Защитные покрытия должны удовлетворять ряду требований: должно быть сплошным, прочно держаться на металлической основе. Для этого необходима тщательная предварительная подготовка: поверхность покрываемого металла должна иметь ровную поверхность и быть очищена от жира, ржавчины, окалины и других загрязнений. Для этой цели детали перед гальванизацией моют, обезжиривают и сушат. Затем протравливают в кислоте, чтобы удалить оксидные пленки, либо декапируют – на некоторое время делают анодом в растворе электролита. И лишь после этого приступают к покрытию детали.

Условия гальванизации очень жестки: должна обеспечиваться постоянная концентрация ионов металла в растворе, хорошая электропроводимость электролита, постоянная кислотность среды (рН), строго определенная температура и плотность тока (А/дм²).

Цель работы

Получить металлическое защитное покрытие на стальной пластине

Опыт 1. Цинкование

Выполнение опыта

Собрать электролитическую установку по следующей схеме:

 

1 – электролитическая ячейка;

2 – клеммы электродов;

3 – тумблер – выключатель;

4 – батарея аккумуляторов;

R – реостат;

- вольтметр;

 

- амперметр;

Схема 17.1. Электролитическая установка

 

Электролитическая ячейка представляет собой батарейный стакан с электролитом и электродами.

Батарейный стакан заполнить на 3/4 его объема электролитом следующего

состава: ZnSO₄ 7H₂O – 215г/дм³, Al(SO₄)₃ 18H₂O – 30г/дм³, Na₂SO₄ 10H₂O – 80 г/дм³. Роль сульфата алюминия – поддержание постоянной величины рН, сульфата натрия – увеличение электропроводности электролита.

Режим гальванизации: температура электролита – 18-20°С; рН=3,5÷4,4; плотность катодного тока Ј_К= 1-2А/дм². Продолжительность электролиза 15-20 минут.

Исходя из плотности катодного тока и площади катода (покрываемой детали), необходимо рассчитать силу тока в цепи. Получение необходимой силы тока в цепи добиться посредством реостата, увеличивая или уменьшая им внешнее сопротивление. Силу тока в цепи контролировать по амперметру.

Пример расчета силы тока

I

Ј = ----, (17.1)

S

где I – сила тока, А; S – площадь поверхности образца, дм², Ј – плотность тока, А/дм².

Если катод имеет форму пластинки размером 5х1,5 см, то его площадь составит 5х1,5х2 = 15см² или 0,15дм². При выбранной плотности тока 2 А/дм², сила тока I составит: I = 0,15х2 = 0,30 А.

В качестве анода используется цинковая пластинка, в качестве катода – железная.

Перед нанесением покрытия железную пластинку обработать наждачной бумагой (следующая операция – шлифование – опускается). Обезжирить влажной смесью: мел + сода (Na₂CO₃), используя тряпку или щетку. Промыть под краном водопроводной водой, высушить тканью или промокательной бумагой. Затем протереть ватой, смоченной в ацетоне (под вытяжнымшкафом!). После деталь протравить (удалить тонкие оксидные пленки) в серной кислоте с массовой долей 25% в течение 5 секунд. Закончив травление, деталь вынуть, дать стечь серной кислоте до состояния, когда невозможно падение капли, и лишь после этого внести в электролит и закрепить.

Тщательная предварительная подготовка поверхности детали (очистка от жира, ржавчины, окалины и других загрязнений) необходима для того, чтобы покрытие имело хорошее сцепление с основой (адгезионное взаимодействие).

После окончания электролиза покрытый цинком образец промыть холодной водой, высушить фильтровальной бумагой.

Наблюдения и выводы

1.Написать уравнения катодного и анодного процессов, происходящих при цинковании.

2. Отметить характер полученного покрытия.

3. Рассчитать толщину покрытия для опытов 1, 2 и 3 по формуле:

 

I τ M_э(Ме) 10

h = ---------------------, (17.2)

d _(Me) F S

 

где h - толщина покрытия, мм;

τ - время, с;

М_э(Ме) - молярная масса эквивалента металла, г/моль;

 

М_(Ме)

М_э(Ме) =-----------, (17.3)

n

 

где М _(Ме) - молярная масса металла, г/моль;

n - валентность металла;

d_(Me) - плотность металла, г/см³: d_Zn = 7,13г/см³; d_Ni = 8,91г/см³; d_Cu = 8,96г/см³.

I - cила тока, А;

S - площадь поверхности катода, см²;

F - постоянная Фарадея (96500 А с/моль).

Опыт 2. Никелирование

Выполнение опыта

Собрать электролитическую ячейку по схеме 17.1 опыта 1. Стакан заполнить на ¾ его объема электролитом следующего состава: NiSO₄ 7H₂O – 150г/дм³, NaCl – 15г/дм³, Н₃ВО₃ – 25г/дм³. Хлорид натрия служит для увеличения электропроводности. Борная кислота – для поддержания определенной реакции среды (рН).

Анод – никелевая пластинка, катод – железная пластинка.

Режим гальванизации: температура электролита 20 - 30^оС; рН=5,3-5,5; плотность тока 2А/дм² .Продолжительность электролиза – 20 минут.

Перед нанесением покрытия железную пластинку обработать по опыту 1.

Наблюдения и выводы

1.Написать уравнения катодного и анодного процессов, происходящих при никелировании.

2. Отметить характер полученного покрытия.

3. Рассчитать толщину покрытия (по опыту 1).

Опыт 3. Меднение

Выполнение опыта

Собрать электролитическую ячейку по схеме 17.1 опыта 1. Стакан заполнить на ¾ его объема электролитом следующего состава: CuSO₄ 5H₂O – 200г/л; H₂SO₄ –50г/л. Серная кислота добавляется для создания реакции среды (рН) и увеличения электропроводности электролита.

Анод – медная пластинка, катод – железная пластинка.

Режим гальванизации: температура электролита (18-20)^оС; рН=1,1-1,5; плотность тока 2А/дм²; продолжительность 15 минут.

Перед нанесением покрытия железную пластинку обработать по опыту 1.

Наблюдения и выводы

1.Написать уравнения катодного и анодного процессов, происходящих при меднении.

2. Отметить характер полученного покрытия.

3.Рассчитать толщину покрытия (по опыту 1).

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18