Лабораторная работа № 5

Получение и контроль поверхностных покрытий

Цель работы: ознакомиться с одним из наиболее распространенных методов нанесения защитных покрытий металлов - гальваническим; освоить технику контроля толщины покрытия и шероховатости поверхности.

1.ТЕОРИЯ

1.1 Электролитическое нанесение покрытий

Электролитические покрытия широко применяются в технике. Чаще всего они предохраняют изделие от коррозии. Одновременно покрытию предъявляются и эстетические требования. Во многих случаях покрытия наносят с целью повышения износоустойчивости изделия, твердости, отражательной способности. Металлическое покрытие может улучшать электропроводность поверхности, способствовать последующему процессу пайки и т.д.

Наиболее распространено электролитическое нанесение следующих металлов: Zn, Cd, Sn, Pb, Cu, Ni, Cr, Ag, Au. Электролизом наносятся также сплавы Cu-Sn, Cu-Zn, Ag-Cd и др.

В гальванической ванне (электролизере) изделие служит катодом, т.е. оно подключается к отрицательному полюсу источника постоянного тока. На катоде идет процесс разряда и осаждения металла

Ме ⁿ⁺ + ne → Me (1)

Убыль ионов металла из раствора электролита восполняется за счет анодного процесса растворения металла

Me → Me ⁿ⁺ + ne (2)

Процесс (2) идет в случае применения растворимых анодов, выполненных из того же самого металла, который осаждается на катоде. Однако, в гальванике известны случаи применения и нерастворимых анодов. В этом случае убыль ионов металла в электролите восполняют добавкой соединения этого металла в электролите.

В водном соединении всегда присутствуют ионы Н⁺ и ОН^- , и в какой-то степени эти ионы всегда разряжаются. Так, на катоде на ряду с основным процессом (1) идет побочный процесс

Н⁺ + е → ½ Н₂ (3)

На аноде же совместно с процессом (2) протекает процесс

4ОН ^- → 2Н₂О + О + 4е (4)

Процессы (3) и (4) типичными побочными процессами. Для нерастворимых анодов процесс (4) является основным. Количественно процессы электролиза подчиняются законом Фарадея.

1^-й закон. Количество вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорционально количеству электричества, проходящего через электролит.

2^-й закон. Одно и то же количество электричества выделяет у электродов различные вещества в количествах, пропорциональных их химическим эквивалентам.

Общим выражением для обоих законов служит уравнение

m = k I τ = k Q (5)

где m – количество вещества, восстанавливающегося или окисляющегося на электроде, г ;

I – сила тока, А ;

τ – время электролиза. Час ;

Q – количество электричества, пошедшего через электролит, А·ч ;

K – электрохимический эквивалент выделяющегося вещества, г/А·ч.

Электрохимическим эквивалентом называется количество выделяющегося на электроде вещества при прохождении через электролизер единицы количества электричества. Электрохимический эквивалент рассчитывается по формуле

г/А·ч, (6)

где Э_х – эквивалент веса выделяющегося вещества, г ;

26,8 – число Фарадея, А·ч.

Законы Фарадея дают возможность рассчитывать теоретический вес покрытия и время покрытия при заданной его толщине. Практическое количество осажденного металла, как правило, бывает меньше теоретического. Отношение

% (7)

называется выходом по току, где

m_т – теоретический выход осажденного металла, г;

m_пр – практически полученная масса осажденного металла, г .

Важной характеристикой процесса электролиза является расход электрической энергии на еденицу веса покрытия

, (8)

где V - напряжение на ванне электролизера.

Учитывая выход по току, уравнение (5) запишется так

m_пр = k I τ η (9)

Выражая вес покрытия через его толщину, площадь и плотность приходят к формуле для расчета времени электролиза при заданной толщине покрытия.

, где (10)

δ – толщина покрытия, мкм ;

D_к – катодная плотность тока, А/дм² ;

τ – время осаждения, мин ;

η – выход по току, % ;

k – электрохимический эквивалент металла, г/А·ч ;

γ – плотность осажденного металла, г/см³ .

Цинкование получило наибольшее распространение из всех видов гальванических покрытий. Цинк принадлежит электроотрицательной группе металлов и в водных растворах обладает высоким электроотрицательным потенциалом. В паре с черными металлами (железо, ртуть, чугун) цинк является более электроотрицательным. Цинковое покрытие на железной основе является типичным анодным покрытием. В условиях коррозийной среды в первую очередь будет разрушаться цинковое покрытие, предохраняя тем самым от разрушения основной металл изделия. Вследствие этого цинковые покрытия находят широкое применение для защиты черных металлов от коррозии.

В практике гальванотехники широкое распространение получили сернокислые электролиты, содержащие в качестве основной соли ZnSО₄ . Распространенным электролитом для цинкования является следующий

Сернокислый цинк	200-250 г/л
Сернокислый алюминий	80 г/л
Сернокислый натрий	50-100 г/л
Декстрин	10 г/л
рН электролита	3,8-4,4

Рекомендуемый режим работы: Т = 18…22°С, D_к = 1…2 А/дм².

Сернокислый алюминий играет роль буферной добавки, сернокислый натрий вводится для повышения электропроводности раствора, декстрин улучшает структуру осадка в ванне. Выход по току процесса цинкования близок к 100%.

Медные покрытия практически не применяются как самостоятельные защитно-декоративные покрытия по железу, но они широко используются в качестве подслоя при никелировании, серебрении, для защиты от науглераживании при цементации покрытий ситцепечатных валов и т.д. Наиболее просто проводить электролитическое меднение в электролите состава

Сернокислая медь	200-250 г/л
Серная кислота	50-75 г/л

Режим работы тот же, что и при цинковании. Выход по току – 100%.