Никелирование металлических изделий

Разрушение металлов и сплавов вследствие химического и электрохимического воздействия на них внешней среды называют коррозией металлов. Коррозия металлов наносит огромный ущерб народному хозяйству вследствие порчи металлических изделий. Для предотвращения коррозии используют методы гальванотехники, среди которых важное место занимают процессы гальваностегии.

Основные понятия:

* Гальванотехника - отдел прикладной электрохимии, который включает гальваностегию и гальванопластику.

* Гальваностегия - электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д. Получаемые покрытия - осадки - должны быть плотными, а по структуре - мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока. Выбор способа покрытия зависит от назначения и условий работы изделия.

* Гальваническое покрытие - металлическая пленка толщиной от долей мкм до десятых долей мм, наносимая на поверхность металлических и других изделий методом гальваностегии.

В работе рассмотрены процессы меднения и никелирования, применяемые с целью защитно-декоративной отделки поверхности металлического изделия, подвергшегося коррозии, с целью его дальнейшего использования.

Теоретическая часть

Гальванотехника - область прикладной электрохимии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Гальванотехника включает гальваностегию (получение на поверхности изделий прочно сцепленных с ней тонких металлических покрытий) и гальванопластику (получение легко отделяющихся, относительно толстых, точных копий с различных предметов, так называемых матриц). Открытие и техническая разработка гальванотехники принадлежат русскому учёному Б. С. Якоби, о чём он доложил 5 октября 1838 на заседании Петербургской АН.

Гальванотехника основана на явлении электрокристаллизации - осаждении на катоде (покрываемом изделии в гальваностегии или матрице в гальванопластике) положительно заряженных ионов металлов из водных растворов их соединений при пропускании через раствор постоянного электрического тока.

Количественно гальванотехнические процессы регулируются по законам Фарадея с учётом побочных процессов, которые сводятся чаще всего к выделению на поверхности покрываемых изделий наряду с металлом водорода; качественно - типом и составом электролита, режимом электролиза, т. е. плотностью тока, а также температурой и интенсивностью перемешивания. Гальванические покрытия должны иметь мелкокристаллическую структуру и равномерную толщину на различных участках покрываемых изделий - выступах и углублениях. Это требование имеет в гальваностегии особенно важное значение при покрытии изделий сложной конфигурации.

Все процессы как гальванопластики, так и гальваностегии протекают в гальванических ваннах. Часто гальванической ванной называют также состав находящегося в ней электролита. Материалом ванны в зависимости от её размеров и степени агрессивности электролита могут служить: керамика, эмалированный чугун, сталь, футерованная свинцом или винипластом, органическое стекло и др. Ёмкость ванн колеблется от долей м (для золочения) до 10 м и более.

Гальваностегия применяется шире, чем гальванопластика; её цель придать готовым изделиям или полуфабрикатам определённые свойства: повышенную коррозионную стойкость (цинкованием, кадмированием, лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием, железнением). Гальванотехника применяется для защитно-декоративной отделки поверхности (достигается никелированием, хромированием, покрытием драгоценными металлами). По сравнению с издавна применявшимися методами нанесения покрытий (например, погружением в расплавленный металл) гальваностегический метод имеет ряд преимуществ, особенно в тех случаях, когда можно ограничиться незначительной толщиной покрытия.

Все покрытия в гальваностегии должны быть прочно сцеплены с покрываемыми изделиями; для многих видов покрытий это требование должно быть удовлетворено при любой степени деформации основного металла. Прочность сцепления между покрытием и основой обеспечивается надлежащей подготовкой поверхности покрываемых изделий, которая сводится к полному удалению окислов и жировых загрязнений путём травления или обезжиривания. При нанесении защитно-декоративных покрытий (серебряных, золотых и т. п. ) необходимо удалить с поверхности изделий оставшуюся от предыдущих операций шероховатость шлифованием и полированием.

Технологический прогресс в гальваностегии развивается по пути непосредственного получения блестящих покрытий, не требующих дополнительной полировки; прогресс в области оборудования заключается в разработке и внедрении механизированых и автоматизированных агрегатов для механической подготовки поверхности и нанесения покрытий, включая все вспомогательные операции, вплоть до нанесения покрытий на непрерывную полосу с последующей штамповкой изделий (например, автомобильные кузовы, консервная тара и др. ).

Ведущими отраслями промышленности, в которых гальваностегия имеет значительный удельный вес, являются автомобилестроение, авиационная, радиотехническая и электронная промышленность и др.

Практическая часть

Меднение очень распространено в промышленности, и не только как самостоятельный процесс, но и (пожалуй, даже чаще) как подготовительная операция перед покрытием другими, более прочными и нарядными пленками - хромовыми, никелевыми, серебряными. Причина в том, что медь, правильно нанесенная, очень прочно держится на стали и выравнивает шероховатости и дефекты его поверхности, а другие металлы, в свою очередь, хорошо осаждаются на медной пленке. Казалось бы, все просто: обработал стальную деталь раствором медного купороса, более активное железо вытеснило медь из раствора, и она осела на поверхность. Действительно, так и будет, но слой меди на поверхности очень рыхлый - его легко стереть даже тряпкой. А при электрохимической обработке медный слой получается ровным и прочным.

При никелировании стали, или, точнее, перед никелированием, используют следующий способ меднения, ибо без предварительного меднения в этом случае не обойтись.

В ходе работы осуществлялось никелирование дверной ручки. Изделие предварительно обработали наждачной бумагой, чтобы удалить оксидную пленку и пятна ржавчины, протерли щеткой, как следует промыли водой, обезжирили в горячем растворе стиральной соды и промыли еще раз.

В гальваническую ванну опустили на медных проволочках две медные пластинки - аноды. Между ними на проволочке же подвесили деталь (все эти проволочки обмотали вокруг карандаша и положили его на края ванны). Те проволочки, которые идут от медных пластинок, соединили вместе и подключили к положительному полюсу источника тока, а деталь - к отрицательному. Источник постоянного тока - выпрямитель тока с установленным напряжением не более 6 В.

Раствор электролита - 20 г медного купороса и 2-3 мл серной кислоты на 100 мл воды - налили в ванну так, чтобы раствор полностью покрывал электроды. Опытным путем установили ток от 10 до 15 мА на каждый квадратный сантиметр поверхности детали. Через шестьдесят минут выключили ток и вынули деталь - она покрыта тонким слоем меди. Деталь высушили на воздухе и матовый слой меди осторожно натерли до блеска шерстяной тряпкой. В некоторых местах наблюдается непрочное сцепление покрытия с основой, что мы объясняем недостатками предварительной подготовки изделия.

Увеличение силы тока и продолжительности электролиза привели к снижению прочности гальванического покрытия: слой меди на поверхности очень рыхлый, его легко стереть даже тряпкой. Опыты с изменением концентрации электролита не проводились.

Далее - собственно никелирование. Приготовили новый электролит (30 г сульфата никеля, 3,5 г хлорида никеля и 3 г борной кислоты на 100 мл воды) и налили этот электролит в другую ванну. Для никелирования нужны никелевые электроды. Их опустили в электролит, собрали схему так же, как при меднении, и включили ток с такими же параметрами, как при меднении, примерно на двадцать-тридцать минут. Вынули деталь, промыли и просушили ее. Она покрыта сероватым матовым слоем никеля. Чтобы покрытие приобрело привычный блеск, его надо отполировать.

Увеличение силы тока и продолжительности электролиза, так же как при меднении, привели к снижению прочности гальванического покрытия: при полировании покрытия проявился слой меди. Опыты с изменением концентрации электролита не проводились.

Заключение

Результаты проведенных исследований подтвердили теоретические обоснования и имеющиеся данные в рассматриваемой области. Проведенная работа показала, что:

1. На прочность сцепления между покрытием и основой действительно оказывает влияние надлежащая подготовка поверхности покрываемого изделия.

2. Гальванотехнические процессы регулируются режимом электролиза.

3. Восстановление металлического изделия путем его меднения и никелирования возможно в домашних условиях при условии использования технологии процессов, либо внесением в нее незначительных изменений.