Задача 159
Применение анодных процессов электролиза в технике (оксидирование, анодное травление, полировка). Приведите конкретные примеры, запишите схемы электролизных систем и уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде.
Решение:
К анодным методам электрохимической обработки металлов относятся: различные виды электрохимического травления, полирование, формообразование, размерная обработка, оксидирование и другие методы. Во всех анодных процессах происходит либо растворение металла (локализованное в определенных местах или равномерное по всей поверхности), либо превращение поверхностного слоя металла в оксидный или другой слой.
Электрохимическое оксидирование имеет две основные разновидности: получение барьерных тонких пленок оксидов (толщиной до 1 мкм) и пористых толстых (до 200–300 мкм) оксидных пленок. Барьерные пленки получают в растворах электролитов, не растворяющих оксиды (например, H3BO3), обычно в два этапа. На первом этапе – в гальваностатических условиях; при этом напряжение увеличивается во времени, а толщина оксидной пленки пропорциональна прошедшему количеству электричества. После достижения заданного напряжения режим изменяют на вольтостатический: ток снижается во времени, диэлектрический свойства оксидной пленки повышаются. Одна из наиболее важных областей применения барьерных оксидных пленок – получение диэлектрического слоя электролитических конденсаторов. Пористые анодные пленки выращивают в агрессивных по отношению к оксиду электролитах (например, 15%–ый раствор H2SO4) , при постоянном напряжении. Такие пленки широко применяются в качестве декоративнозащитных покрытий. Для повышения декоративных свойств пористые пленки на алюминии окрашивают в разные цвета, подвергая обработке растворами красителей.
Пример оксидирования алюминиевых изделий. Схема электролизной системы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюминиевое |
|
|
K(–) |
С |
|
|
|
|
|
H2SO4; H2O |
|
изделие |
A(+) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H+; H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SO ; H2O |
|
Процессы, протекающие на электродах: |
|
|
|
|||||||||||||
К: 2 H+ + 2e– H2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
A: 2 Al + 3 H2O – 6 e– Al2O3 + 6 H+ |
|
|
1 |
|
|
|
||||||||||
Суммарное уравнение электролиза: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
6 H+ + 2 Al + 3 H |
|
O |
|
I, A |
|
3 H |
|
+ Al O + 6 H+ |
|
||||||
2 |
|
|
2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
||
|
2 Al + 3 H2O |
I, A |
|
|
3 H2 + Al2O3 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Электрохимическое травление – метод обработки металлических изделий, основанный на анодном растворении металла. Электрохимическое травление применяют для очистки поверхностей всевозможных поверхностей от разнообразных загрязнений в качестве предварительной обработки перед нанесением покрытий, прокаткой и т.д. Также электрохимическое травление используют для осуществления так называемого электрохимического фрезерования с целью получения заданного рисунка на поверхности детали локальным анодным растворением металла. Места, которые не должны подвергаться растворению, покрывают слоем фоторезисторного материала или специальным трафаретом. Таким образом можно производить обработку деталей типа печатных плат, перфорирование, а также травление в декоративных целях.
Электрохимическое полирование заключается в преимущественно анодном растворении выступов на шероховатой поверхности и приводит к достижению низкой шероховатости (электрохимическое сглаживание) или зеркального блеска поверхности (глянцевание). Электрохимическое полирование применяют для повышения эксплуатационной надежности, долговечности и других эксплуатационных свойств деталей. Положительное влияние полирования на изделие объясняется следующими причинами: удаление дефектного поверхностного слоя, образовавшегося при механической, термической, электрической обработке изделия; уменьшение шероховатости поверхности и сглаживание профиля поверхности; образование тонкой поверхностной оксидной пленки, предохраняющей металл от коррозионного воздействия среды. Конечная шероховатость поверхности определяется исходной шероховатостью, продолжительностью электрохимического полирования, условиями проведения процесса (температура, плотность тока), составом электролита (растворы щелочей, солей, чаще – смеси кислот).
Пример анодного растворения железа. Схема электролизной системы:
|
K(–) |
Pb |
NaCl; H2SO4; H2O |
Железное |
A(+) |
||
|
изделие |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Na+; H+; H2O |
|
|
|
Cl–; SO ; H2O |
|
|
Процессы, протекающие на электродах: |
|
|
|||||
К: 2 H+ + 2e– H2 |
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
||||
A: Fe – 2 e– Fe+2 |
|
1 |
|
|
|
||
Суммарное уравнение электролиза: |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 H+ + Fe |
|
I, A |
|
H2 + Fe+2 |
|
|
|
|
|
|
||||
Происходит растворение материала анода (переход железа в раствор в виде ионов).