pdf.php@id=6114

П.к. Л А В О Р К О

ПО С О Б И Е

МАСТЕРУ ЦЕХА

ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ

ПОКРЫТИЙ

Издание третье, дополненное и исправленное

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »

М о с к в а 1969

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы гальванотехника приобретает все

большее практическое значение в машиностроении, при­ боростроении и производстве различных металлических изделий для нанесения защитных, декоративно-защитных и специального назначения покрытий. К ним относятся покрытия, наносимые с целью повышения твердости, износоустойчивости, жароустойчивости, коррозиоустойчивости, улучшения прирабатываемости сопряженных ча­ стей в ремонтных целях, для придания изделиям красивого внешнего вида и пр.

Гальванотехника рассматривает вопросы, связанные с получением отложений металлов на поверхности метал­ лических и неметаллических изделий, и подразделяется на два основных раздела:» гальваностегию и гальвано­ пластику.

Под гальваностегией понимается нанесение на поверх­ ность металлов относительно тонких (порядка тысячных и сотых долей миллиметра) металлических покрытий

собеспечением максимально прочного сцепления осадка

сосновой. Целью гальванопластики является получение

точных металлических копий, воспроизводящих во всех деталях рельеф оригинала. Гальванопластика, или элек­ троформование, широко используется в области приклад­ ного искусства для снятия копий со скульптурных про­ изведений и художественных изделий. В последнее время этот метод начали успешно применять в приборострои­ тельной и машиностроительной промышленности для изготовления тонкостенных полых деталей сложной формы и высокой механической прочности.

Хорошо оснащенные гальванические цехи имеются почти на всех машиностроительных и металлообрабаты­ вающих заводах Советского Союза, и гальванотехника развивается в соответствии со все возрастающими запро­ сами промышленности.

3

ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В гальванотехнике широко применяются водные рас­

творы солей, кислот и щелочей. Количество вещества, содержащегося в определенном количестве воды или раствора, называется концентрацией его.

Наиболее часто в практике гальванотехники сталки­ ваются с объемной концентрацией — количеством грам­ мов вещества в литре (Г1л). Например, если концентрация сернокислого никеля составляет 210 Г1л, то это значит, что в 1 л содержится 210 Г растворенной никелевой соли. Содержание вещества в р'астворе может быть выражено также в процентном отношении, показывающем, сколько граммов вещества растворено в 100 Г раствора. Напри­ мер, если в 100 Г раствора растворено 15 Г едкого натра, то концентрация будет составлять 15%.

При каждой данной температуре в воде может содер­ жаться в растворе лишь вполне определенное максималь­ ное количество данного вещества. Раствор, содержащий такое количество вещества, называется насыщенным.

Растворимость вещества определяется таким коли­ чеством его в граммах, при котором образуется насыщен­ ный раствор в 1000 Г воды при данной температуре. Например, растворимость сернокислого никеля при 20° С составляет 350 Г, а растворимость двойной никельаммониевой соли — 60 Г. Этот пример показывает, что из двойной соли нельзя составить достаточно концентри­ рованный раствор.

Раствор, содержащий в 1 л количество растворенного вещества, соответствующее его эквивалентному весу, называется нормальным раствором.

5

При растворении вещества выделя-ется или поглощается тепло, что необходимо иметь в виду при составлении растворов. Например, при растворении крепкой серной кислоты или едкого натра в воде выделяется большое количество тепла и резко повышается температура (рас­ твор может вскипать и разбрызгиваться).

Молекулы солей, кислот и щелочей, растворяясь, распадаются на ионы, несущие положительные и отри­ цательные заряды электричества; этот процесс называется

электролитической диссоциацией. Количество положи­ тельно и отрицательно заряженных ионов всегда равно между собой, так что раствор остается нейтральным.

Растворы, проводящие электрический ток, называются электролитами.

При погружении в электролит проводников, подклю-^ ченных к источнику постоянного тока, в электролите возникает движение ионов и начинает идти ток. При этом

поэтому называются катионами. Ионы, имеющие отри­ цательный заряд (ионы металлоидов и кислотных остат­ ков), движутся к положительному электроду — аноду и поэтому называются анионами.

Электрический заряд ионов обозначают у анионов знаком минус (—), у катионов знаком плюс (+). Ставя эти знаки в количестве, соответствующем валентности данного аниона или катиона, диссоциацию молекулы на ионы выражают электрохимическими уравнениями, например;

В гальванотехнике катодами служат детали, на ко торые осаждается металл. Растворимыми анодами служа* пластины из того металла, который осаждается (никель медь, цинк). К нерастворимым анодам относятся свинец уголь, платина.

При прохождении через электролиты электрической тока происходит процесс, называемый электролизом, сс

6

провождающийся изменением состава электролита у элек­ тродов. При электролизе металлы (и водород) отлагаются на катоде, а все неметаллы и кислотные остатки — на аноде, где реагируют с материалом анода или раствори­ телем.

Электролитической диссоциации в водных растворах подвергаются не все молекулы растворенного вещества. Степень диссоциации, т. е. отношение числа диссоцииро­ ванных молекул к общему числу растворенных мо­ лекул, зависит от природы растворенного вещества и от концентрации раствора.

Вконцентрированных растворах находятся главным образом недиссоциированные молекулы.

Всильно разбавленных растворах почти все молекулы

диссоциированы.

Электролиты, хорошо диссоциирующие на ионы, назы­ ваются сильными электролитами; к ним относятся такие

в растворе образуют лишь небольшое число ионов (кис­ лоты: уксусная, борная, угольная и некоторые другие).

Сильные электролиты хорошо проводят электрический

электролитом. Теория электролитической диссоциации полностью объясняет свойства электропроводности рас­ творов.

С процессами, происходящими на катоде и аноде, ознакомимся на примере электролиза водного раствора хлористого цинка ZnCl2.

В результате электролитической диссоциации молекула этой соли распадается на положительно заряженные ионы "цинка и отрицательно заряженные ионы хлора:

ZnCl2^ Z n ++ + 2С1“ .

При включении тока ионы цинка и хлора, находя­ щиеся в беспорядочном хаотическом движении, под влиянием воздействия электродов начинают двигаться в определенном порядке: ионы цинка, имеющие положи­ тельный заряд электричества, — к электроду, заряжен­ ному отрицательным значением электричества, а ионы

7

хлора — к электроду, подключенному к положительному полюсу источника тока.

Положительно заряженные ионы цинка, несущие два заряда, подойдя к катоду, будут забирать от него по два электрона и превращаться в нейтральные атомы, т. е. восстанавливаться и выделяться на катоде:

Zn++ + 2е — Zn.

Ионы хлора, несущие отрицательные заряды электри­ чества, контактируясь с нерастворимым анодом, будут отдавать ему электроны, т. е. окисляться и образовывать нейтральные атомы хлора:

Cl" ->С1 + е.

Таким образом, на катоде будут происходить процессы восстановления, а на аноде — процессы окисления.

Если вместо нерастворимого электрода поместить анод из цинка, то благодаря тому, что атомы цинка теряют электроны легче, чем хлор, цинк переходит в раствор в виде положительно заряженных ионов, оставляя на

нительные процессы. Так, например, при разряде аниона

SO4 на аноде образуется группа SO4, которая взаимо­ действует с водой, образуя кислоту и выделяя кислород. Разряд аниона ОН" на аноде сопровождается также выделением кислорода с образованием воды.

При выделении кислорода на аноде нередко происхо­ дит окисление некоторых составных частей электролита (например, двуххлористого олова в четыреххлористое) или окисление самих электродов.

В других случаях (как это было указано на примере электролиза ZnCl2) разряд аниона на аноде вместо выде­ ления на нем соответствующих продуктов сопровождается растворением анода и переходом в раствор ионов металла.

Выделение водорода на катоде совместно с металлом в большинстве случаев ухудшает качество осадка, при­ давая покрытию хрупкость, и всегда увеличивает про­ должительность процесса электролиза.

8

При гальваническом осаждении металлов в качестве электролита применяют раствор соли, содержащий ионы металла, подлежащего выделению (в раствор вводят также некоторые компоненты, увеличивающие, например, элек­

образуя соли, которые, диссоциируя, поддерживают кон­ центрацию ионов металла в процессе электролиза.

Схема процесса осаждения металлического покрытия в гальванической ванне приведена на рис. 1.

Например, при прохождении тока через водный рас­ твор медного купороса в результате разряда на катоде выделяется металлическая медь в виде кристалликов, обра­ зующих слой покрытия, а на медном аноде кислотный оста­ ток вновь образует серную кислоту и анод растворяется.

Таким образом, гальваническое покрытие представ­ ляет собой металлический осадок, полученный электро­ кристаллизацией. Это подтверждается тем, что электро­ литические осажденные металлы всегда имеют кристалли­ ческое строение.

9

Количественно процесс электролиза подчиняется за­ конам Фарадея:

1. Количество выделившегося при электролизе вещества прямо пропорционально силе тока и времени прохождения

втечение 1 ч и т. п.

2.При прохождении одного и того же количества постоянного тока через разные электролиты количество выделившегося при этом вещества пропорционально их эквивалентным весам.

Эквивалентный вес равен атомному весу, деленному

на валентность, следовательно, эквивалентный вес се­ ребра равен его атомному весу 107,88, так как серебро одновалентно (107,88 : 1 = 107,88). Эквивалентный вес двухвалентной меди равен 63,57 : 2 = 31,78. Если про­ пустить, например, 1 а-ч постоянного тока через раствор меди и серебра, количество выделившегося на катоде серебра будет во столько раз больше количества выделив­ шейся меди, во сколько раз эквивалентный вес серебра больше эквивалентного веса меди. Отсюда следует, что если количество выделяющихся веществ выражать не в граммах, а в грамм-эквивалентах, то при одном и том же количестве ампер-часов получится одинаковое число грамм-эквивалентов для любого вещеетва.

Чтобы выделить 1 грамм-эквивалент, необходимо про­ пустить через электролит 26,8 а-ч. Если разделить экви­ валентный вес любого металла на 26,8, то можно получить теоретически рассчитанное количество граммов данного металла, которое могло бы отложиться на катоде или раствориться на аноде при пропускании через электро­ лит 1 а гч. Это число называется электрохимическим эквивалентом данного металла, и оно, очевидно, будет тем больше, чем выше эквивалентный вес металла.

Например, электрохимический эквивалент никеля бу-

58 69

дет —| — : 26,8 = 1,095 /7а-ч, а электрохимический экви-

52,01 ос о

валент шестивалентного хрома составит —g— : 26,8 =

= 0,323 Па'Ч. Для того чтобы подсчитать, какое коли­ чество продуктов теоретически должно получиться в ре­

10