Электрохимические (гальванические) способы отделки

Под гальваническим способом понимают покрытие поверхности одного металла другим при помощи осаждения его из водных ра­створов солей действием электрического тока (рис. 99) или без него. Этот способ широко применяют во многих областях самых различ­ных производств и особенно в художественной промышленности.

В настоящее время гальваническим способом можно покрывать любые металлы и сплавы. Особенно часто в области художествен­ной промышленности применяют следующие покрытия: медные, латунные, никелевые, хромовые, серебряные и золотые.

 

Покрытия, полученные гальваническим способом, отличаются высокой декоративностью, прочностью и экономичностью, так как толщина покрытия обычно не превышает нескольких микрон.

 

В зависимости от условий, где будет находиться изделие, подле­жащее гальваническому покрытию, толщина наращенного слоя ме­талла бывает различной.

Имеются три группы условий работы:

а) Жесткие условия работы — это наружная атмосфера, загряз­ненная промышленными газами, испарением морской воды или воз­действие грязи, пыли и частого захвата руками;

б) средние условия работы — закрытые помещения, но с повы­шенной влажностью, неотапливаемые помещения или атмосфера сельской местности, где отсутствуют вредные газы;

в) легкие условия работы — в сухих отапливаемых помещениях.

 

Меднение. Медные покрытия для антикоррозийных и декоратив­ных целей применяют редко, так как на воздухе медь легко окисля­ется и теряет цвет и блеск. При действии сернистых соединений медные покрытия быстро темнеют и чернеют; при действии угле­кислых и хлористых соединений они зеленеют.

Для защиты стали от коррозии в жестких условиях медь совер­шенно не годиться, так как при повреждении медного слоя омед­ненное железо ржавеет быстрее, чем не омедненное.

Медные покрытия обычно применяют при многослойных по­крытиях декоративного характера — никелирование, хромирование, серебрение, золочение — как подслой. Применение медного под­слоя позволяет получать лучшее сцепление между покрытием и изделием.

Меднение производят в цианистых или кислых электролитах.

Меднение в цианистых электролитах имеет сле­дующие преимущества:

• медь осаждается непосредственно на сталь, а в кислых ван­нах на изделие осаждается так называемая контактная медь, имею­щая очень непрочное сцепление со сталью;

• медно-цианистые ванны обладают хорошей рассеивающей способностью, а осадки из кислых ванн плохо покрывают углубле­ния;

• дают мелкий кристаллический плотный осадок меди.

Недостатки цианистых медных ванн:

• электролиты сильно ядовиты;

• малый выход металла по току;

• не допускают использования высоких плотностей тока;

• малоустойчивы в работе.

Состав ванны и режим работы:

Цианистой меди CuCN — 90 г/л

Цианистого калия KaCN —106 г/л

Углекислого натрия Na 2 CO 3 — 50—80 г/л

Напряжение 3—6 В. Температура раствора 25—30°. Плотность тока для меднения цинка 0,7—0,8 А/дм 2, меднения стали — 1 А/дм: до 1,5 А/дм 2.

Процесс меднения в цианистых ваннах протекает медленно, поэтому целесообразно в этих ваннах получать тонкие слои 5— 10 мкм, а окончательное наращение производят в кислых ваннах.

Аноды применяют из чистой меди, так как присутствие посто­ронних металлов — цинка, свинца и др. — портят ванну.

Толщина анодов от 3 до 10 мм; перед употреблением их отжи­гают и травят в азотной кислоте. Аноды оставляют в ванне постоян­но. Расстояние между анодом и катодом (изделием) не меньше 100 мм.

Процесс идет хорошо, если поверхность анодов больше поверх­ности катода или, во всяком случае, не меньше. Если ванна в поряд­ке, то предмет начинает покрываться спустя 0,5—1 мин после по­гружения, и через 15—30 мин процесс можно закончить.

Обычно через 10 мин предмет вынимают, крацуют и, промыв, затем вновь опускают в ванну. Перед опусканием в ванну первый раз предмет следует обезжиривать, хотя процесс идет и без обез­жиривания, так как цианистый калий «съедает» жир, но ванна быст­ро портится от загрязнения. При нормальной работе получаются ровные, плотные розовые осадки меди, а на катоде происходит спокойное, еле заметное газовыделение.

Неполадки в работе медно-цианистых ванн и их устранение.

1. Осадки получаются пористые, при этом осаждение идет очень медленно. Это происходит, если слишком высокая плотность тока или незначительное содержание металла в ванне. Следует понизить плотность тока или добавить в ванну цианистую медь.

• Темно-красные пятнистые осадки на изделии и серые и зеле­новатые налеты на анодах указывают на недостаток цианистого ка­лия или малую поверхность анодов; электролит около анодов при этом становится голубым. Следует добавить цианистый калий, а аноды протравить в пятипроцентном растворе азотной кислоты и увеличить их число.

• На анодах появляется белый осадок — не хватает цианистого калия и истощился электролит возле анодов; требуется перемешать электролит и, если белый осадок не исчезнет, добавить цианистый калий.

• Если осаждение идет очень медленно, а аноды все время со­храняют цвет чистой меди (все время травятся), то следует доба­вить цианистую медь (предварительно растворив ее в малом объ­еме электролита).

• Осадок становится темным, зернистым, или вовсе ничего не осаждается — ванна содержит слишком много цианистого калия; следует добавить цианистой меди небольшими порциями, предва­рительно растворив в небольшом объеме электролита (сухая не смоченная соль не растворяется в электролите).

По окончании меднения предмет очень тщательно промывают в воде, так как каждая капля электролита, оставшаяся в порах изделия, вызывает появление пятна, которое очень трудно уда­ляется.

Сернокислые электролиты имеют следующие преимущества:

• не ядовиты;

• очень просты по составу;

• дают высокий выход по току;

• устойчивы в работе;

• позволяют работать на высоких плотностях тока.

Недостатки:

1) нельзя осаждать медь непосредственно на сталь, так как сталь травится в серной кислоте.

Состав сернокислого электролита:

Медного купороса C 11 SO 4—200—250 г/л

Серной кислоты H 2 SO 4 — 50—70 г/л

Температура раствора без перемешивания — комнатная, с пере­мешиванием 30—40° С. Плотность тока без перемешивания — 1— 2 А/дм 2. Плотность тока с перемешиванием — 3—5 А/дм 2.

Неполадки и их устранение.

• Осадки грубые, шероховатые, неравномерные — ванна за­грязнена мелкими посторонними частицами (пылью). Необходимо электролит профильтровать.

• Темные рыхлые осадки, особенно в углубленных местах, недостаток серной кислоты. Следует добавить серной кислоты.

Бурное газовыделение, осадки рыхлые губчатые, пятнистые, недостаток медного купороса (или избыток кислоты). Необходимо добавить медного купороса, предварительно растворив его в не­большом объеме подогретого электролита.

 

Латунирование. Этот процесс применяется как подслой (вместо меди) и как самостоятельное покрытие.

Состав ванны:

Цианистой меди CuCN — 27 г/л

Цианистого цинка ZnCN — 9 г/л

Цианистого натрия NaCN — 54 г/л

Температура 20—40° С, плотность тока 0,1—0,3 А/дм 2, выход по току 60—80%. Аноды из латуни.

Неполадки и их устранение.

• Бледные осадки — излишки цинка или велика плотность тока.
Следует добавить цианистой меди или уменьшить силу тока.

• Красные осадки — избыток меди. Необходимо добавить в ванну цианистого цинка.

• Бледные осадки и бурное газовыделение — избыток циана.
Следует небольшими порциями добавлять в ванну обе соли, пред­варительно растворив их в воде.

 

Никелирование. Никелевые защитно-декоративные покрытия применяют очень широко как в технике, так и в художественных из­делиях из металла благодаря следующим достоинствам: красивый внешний вид; легко принимают полировку.

Толщина покрытия в зависимости от условий работы для изде­лия установлена следующая: а) при легких условиях (закрытое су­хое, отапливаемое помещение) медный подслой—10 мкм, слой никеля — 5 мкм; б) при средних условиях (на открытом воздухе) подслой меди — 20 мкм, слой никеля—10 мкм. Наиболее прочно никелевое покрытие на меди или латуни; на стали осажденный ни­кель держится непрочно, поэтому применяют многослойные по­крытия, т. е. поверхность стального изделия сначала омедняется, а затем полируется и никелируется.

Состав электролита:

Сернокислый никель NiS О 4 —140 г/л

Сернокислый магний MgSO 4 — 30 г/л

Сернокислый натрий Na 2 S О 4 — 50 г/л

Борная кислота Н 3 ВО 3 — 20 г/л

Хлористый натрий NaCl — 5 г/л

Температура электролита 20—30°; плотность тока 1 А/дм 2. Ско­рость осаждения: слой толщиной в 1 мкм осаждается за 5 мин.

Основной химикат — это сернокислый никель, но из одной этой соли нельзя сделать ванну, так как такая ванна очень плохо прово­дит ток. Для лучшей проводимости тока применяют сернокислый натрий и сернокислый магний.

Для регулирования постоянной кислотности (ванна имеет тен­денцию делаться щелочной) используют борную кислоту.

Для облегчения растворения анодов и защиты их от пассивиро­вания служит хлористый натрий.

Неполадки в работе и их причины:

• Предметы не никелируются — а) слабый ток, б) ванна холодная (ниже 15 0): необходимо усилить ток или подогреть ванну.

• Слой никеля темный с пятнами — а) ванна недостаточно кис­лая— добавить борной кислоты (осадок отсвечивает желтым цве­том); б) ванна слишком концентрированна—разбавить водой (на анодах зеленые кристаллы); в) ванна недостаточно электропроводна — добавить сернокислого магния или сернокислого натрия;
г) ванна бедна металлом — добавить сернокислого никеля; д) пло­хая подготовка и обезжиривание —протереть изделие венской из­ вестью.

• Отслаивание, растрескивание и хрупкость осадка—а) плохая подготовка; б) низкая температура ванны; в) ток слишком велик (подгар на углах и выступающих частях — серый цвет); г) велика кислотность — нейтрализуется аммиаком.

 

Никелевые покрытия применяют главным образом для отделки изделий интерьерного характера; они заменяют серебрение. Нике­левые покрытия очень декоративны, они имеют серебряный цвет с теплым желтоватым оттенком (в отличие от хрома — холодный го­лубовато-сероватый оттенок). Их с успехом применяют для меди и ее сплавов, стали и в последнее время для алюминия.

 

Хромирование. Покрытие хромом занимает особое место среди гальванических процессов. Нет ни одной отрасли техники, где бы не применялось хромирование.

Это обусловлено следующим:

 

• высокая твердость хромовых покрытий, превосходящая твер­дость закаленной стали;

• жаростойкость и прочность против химической коррозии;

• в художественных изделиях хромирование, кроме указанных причин, обусловливается и красивым блеском и холодным серо-го­лубым цветом хромового покрытия.

 

Практика покрытия хромом — самая сложная из всех гальвано­покрытий, так как она имеет следующие особенности:

• очень плохая рассеивающая способность электролита, т. е.плохо покрывает углубление;

• требуется высокая плотность тока — от 35 до 60 А на квадрат­ный дециметр (обычно для других покрытий плотность тока не пре­вышает А —5 А/дм 2);

• вместо обычных растворимых анодов применяют нераствори­мые свинцовые или свинцово-сурьмяные, которые при электролизе помогают проводить ток, а хром осаждается полностью из раствора.

Для декоративных покрытий применяют обычно хромирование по медно-никелевому подслою; слой меди цианистой толщиной 3 мкм, слой меди кислой—12 мкм, слой никеля—10 мкм, всего 25 мкм, слой хрома— 1 мкм.

Перед хромированием медно-никелевый подслой тщательно по­лируют.

Состав ванны:

Хромового ангидрида СгО 3 — 300—350 г/л

Серной кислоты H 2 SO 4 — 3—3,5 г/л.

Температура хромирования 40°, плотность тока 15—20 А/дм 2. Суммарная поверхность анодов должна быть меньше катодной в два раза,

Неполадки ванн хромирования и их устранение.

1. Хром не осаждается в углубленных местах — а) недостаточна плотность тока; б) избыток серной кислоты.

Чтобы увеличить плотность тока в углубленных местах, дают толчок тока на одну минуту, т. е. увеличивают плотность тока в два-три раза больше нормальной, а затем снижают ее до нормаль­ного размера.

2. Матовый или пригорелый осадок, особенно на выпуклых ме­стах,— а) велика плотность тока; б) запассивировались аноды;
в) изделия завешены под током без предварительного подогрева их в электролите.

Устранение недостатков: а) увеличить расстояние между анодом и катодом или применить защитные катоды; б) запассивированные аноды протравить в соляной кислоте и зачистить стальной щеткой; в) перед включением тока детали прогреть в электролите.

• Темные полосы и точки на осадке или темный осадок сплошь — недостаток серной кислоты.

• Зернистые, вздутые, отслаивающиеся осадки — плохая подго­товка изделий или загрязненный электролит.

 

Серебрение. Серебрение применяют в ювелирном деле, в про­изводстве столовых приборов и т.п. Толщину серебряного покры­тия берут различной, в зависимости от назначения. Для столовых приборов 15—30 мкм; для ювелирных изделий и галантереи — 60— 100 мкм. Стальные изделия перед серебрением омедняют на тол­щину 30—50 мкм. Серебрение производится в бесцианистых ван­нах следующего состава:

Серебра хлористого AgCl — 6—8 г/л

Желтой кровяной соли Ka 4 Fe (CN) 6 — 18 г/л

Кальцинированной соды Nа 2 СО 3 — 18 г/л

Плотность тока 0,1—0,3 А/дм 2, температура 18—25°.

Аноды применяют или из чистого серебра или угольные; нара­щение ведут два-три раза, в промежутках изделие обрабатывают мягкой латунной крацовочной щеткой со слабым раствором пота­ша или кваса (с обязательной тщательной промывкой после крацования в проточной воде).

Перед серебрением детали полезно амальгамировать, т. е. по­крывать ртутью (50 г азотнокислой ртути на 10 л воды).

Цвет осажденного серебра снежно-белый. Хранить и применять электролит следует в темноте под крышкой или при красном свете. В свежей только что составленной ванне осаждение идет без тока.

Неполадки:

• Отслаивание осадка — плохая подготовка.

• Желтоватые или розовые осадки — присутствие меди.

• Темные, пятнистые осадки — загрязнение электролита, недо­статок серебра.

 

Золочение. Золочение - это наиболее красивый и дорогой способ отделки художественных изделий из металла; применяется в основном в ювелирном деле. В прошлом золотили и крупные из­делия — посуду, бра, люстры, решетки и т. д.

 

Стальные изделия перед золочением покрывают медью толщи­ной 30—50 мкм. Толщина золотого слоя — 2—5 мкм, редко 10— 20 мкм. Производится в бесцианистых ваннах.

Состав электролита и режим работы:

Хлорного золота AuCl —2—3 г/л

Желтой кровяной соли Ka 4 Fe (CN) 6 — 7,5 г/л

Кальцинированной соды Nа 2 СО з — 7,5 г/л

Плотность тока 0,1—0,2 А/дм 2; температура — 60—80° С.

Аноды — чистое золото, платина, уголь (сталь). Для получения матовой или полированной поверхности изделия его соответствен­но матуют или полируют ручным полировником. Интенсивность цвета осадка зависит от плотности тока, которую удобно регули­ровать большим или меньшим погружением анода в электролит.

Неполадки:

1. Бледные осадки — а) недостаток в электролите золота; б) низ­кая температура ванн; в) малая плотность тока.

2. Красноватый цвет — а) высокая концентрация золота в ванне; б) высокая температура ванны; в) наличие в ванне меди.

3. Зеленоватый оттенок — присутствие серебра в ванне.

Гальванопластика

Сущность процесса гальванопластики заключается в осаждении металла из гальванических ванн на снятую с оригинала форму для получения металлической копии. Причем с абсолютной точностью воспроизводят все подробности оригинала. Процесс изготовления гальванокопий состоит из следующих операций:

• изготовление форм;

• нанесение электропроводящего слоя на формы и зарядка;

• загрузка форм в гальванованну и процесс наращивания;

Изготовление форм.

Формы для снятия гальванопластических копий изготовляют из различных материалов. Они должны отвечать следующим требованиям: давать точный отпечаток; иметь мини­мальную усадку; не растворяться в электролите и не загрязнять его; легко связываться с электропроводящим слоем.

 

Гипсовые формы. Эти формы изготовляют обычным приемом, но перед завешиванием в ванну тщательно просушивают и затем пропитывают специальным составом из воска и парафина с добав­кой канифоли. Гипсовые формы легко снимаются с глиняных и с пластилиновых оригиналов. Это их преимущество, но в работе они не очень хороши, так как в электролите часто размокают и разру­шаются.

Восковые формы. Эти формы можно легко снять только с ме­таллических изделий и сырых гипсовых моделей. Наименьшую усадку при затвердевании дает следующий состав (%): канифоль — 70, воск пчелиный — 20, парафин — 10. Температура плавления 80— 90° С. Существуют и другие рецепты (в весовых частях):

воск пчелиный — 17, скипидар — 2, графит — 1;

воск пчелиный — 6, церезин — 9, графит — 1;

воск пчелиный — 45, церезин — 45, парафин — 5, скипидар — 3,графит—18.

Процесс снятия форм сводится к следующему: модель тщатель­но очищают от пыли и, смочив ее слегка водой, укладывают на ров­ную поверхность. Окружив модель рамкой из металлической по­лоски, ее заливают растопленным воском, дав ему предварительно слегка остыть. При заливке струю направляют не на модель, а ря­дом, чтобы избежать образования в форме пузырей. Готовую фор­му следует снимать с модели еще теплой.

Формы из высокополимеров. Сюда относятся: различные элас­тичные пластмассы, каучуковый латекс, хлорвинил; эти формы эла­стичны, легко снимаются со сложных оригиналов. При наращивании их укладывают в гипсовые кожухи; они могут быть использованы многократно. Целлулоидные и акриловые формы изготовляют пу­тем тиснения или прессовки с невысоких рельефов.

Металлические формы. Их можно изготовить из листового свин­ца путем тиснения или из листовой латуни, или меди методом че­канки. С металлического оригинала (модели) можно снять также гальванопластическую форму.