книги из ГПНТБ / Основы гальванотехники П. М. Вячеславов. 1960- 9 Мб

Глава XVII

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ

Наряду с широко распространенным процессом электрохимического оксидирования алюминия в ряде случаев возникает необходимость нанесения на его поверхность гальванических покрытий. Они наносятся на изделия из алюминия и его сплавы со следующими целями:

1)защитно-декоративное никелирование и хроми­ рование;

2)износостойкое хромирование трущихся поверх^ ностей алюминиевых деталей;

3)меднение или лужение для облегчения пайки;

4)цинкование или кадмирование — защита от кор­ розии резьбовых деталей;

5)нанесение специальных покрытий (серебро, зо­ лото, родий) на детали радиотехнических и других приборов.

Гальваническое покрытие алюминия и его сплавов связано с рядом специфических трудностей, к числу которых относится прежде всего наличие на поверх­ ности алюминия окисной пленки.

Весьма серьезным затруднением является высокий

электроотрицательный потенциал алюминия и как след­ ствие — контактное выделение многих металлов из со­ ответствующих электролитов в момент погружения в них алюминиевых изделий.

Таким образом, основная задача при подготовке

189

изделий из алюминия к гальваническому покрытию заключается в удалении окисной пленки с поверх­ ности, предупреждении ее вторичного образования и со­ здании условий, при которых не будет происходить контактного выделения металлов.

Кроме того, следует иметь в виду различие коэф­ фициентов расширения алюминия и осаждаемых на него металлов и катодный характер большинства галь­ ванических покрытий на алюминии, за исключением цинка.

Применяется несколько методов подготовки поверх­ ности алюминиевых изделий: механический, химиче­ ский, электрохимический и др.

Сущность механического метода заключается в гидропескоструйной обработке изделий для создания большей поверхности. По-видимому, этим достигается улучшение механического сцепления гальванического осадка с основным металлом.

Химический метод сводится к обработке алюми­ ниевых изделий в растворах кислот или щелочей. Из многочисленных рецептов можно привести травитель на основе трихлоруксусной кислоты, который обла­ дает большой скоростью травления при минимальном разъедании основного металла. Раствор содержит 50 г декстрина, 150 г воды и до 1 л трихлоруксусной ки­ слоты. Температура 95°, время травления 1—2 мин.

Значительный интерес представляет предваритель­ ная подготовка алюминия, заключающаяся в электро­ химическом оксидировании. Установлено, что при опре­ деленных условиях искусственная оксидная пленка обладает особой структурой и повышенной порис­ тостью и обеспечивает прочное сцепление алюминия с наносимым гальваническим покрытием.

По одному из рецептов оксидирование произво­ дится в 20—30°/0-ной ортофосфорной кислоте при 25°, плотность тока 1—2 а[дм\ напряжение 30—60 в в те­ чение 10 мин., при этом рекомендуется интенсивное перемешивание. Толщина пленки составляет 3 мк.

Весьма широкое распространение получил цинкат­ ный метод подготовки поверхности алюминия. Этот метод заключается в обработке алюминия щелочным раствором цинката натрия. При этом окисная пленка растворяется, а из раствора вытесняется металлический

190

цинк. Рекомендуется следующий состав цинкатного раствора (в г/л):

Режим работы: температура 25°, время выдержки — не больше 30 сек.

Прочное сцепление основного металла с гальвани­ ческим покрытием можно получить цинкатной обра­ боткой из простых цинкатных растворов без добавок сегнетовой соли, хлорного железа и азотнокислого натрия. Однако в этом случае рекомендуется двукрат­ ная обработка в цинкатном растворе с промежуточ­ ным осветлением в азотной кислоте.

Хорошие результаты получаются также при обра­ ботке во фтористых растворах состава: 5 н. цинко­ вый купорос, 0,2—0,4 н. фтористый натрий.

Время выдержки 30—60 сек.

Из различных видов гальванических покрытий за­ щитно-декоративное хромирование алюминиевых изде­ лий имеет наиболее широкое распространение. Ниже приводится схема защитно-декоративного хромирова­ ния алюминия и его сплавов с применением цинкатной обработки.

Шлифовка и полировка

4

Обезжиривание органическими растворителями

4

Катодное обезжиривание в щелочном растворе

4

Промывка в горячей и холодной воде

4

Травление1 (деформируемые сплавы травятся в 25%-ной серной кислоте, литые сплавы — в смеси азотной и

плавиковой кислот 1 :1)

4

Цинкатная обработка

4

Промывка в горячей и холодной воде

4

Меднение из цианистого электролита

4

1 Для нелегированного алюминия операция травления не при­ меняется.

191

Промывка в воде

I

Никелирование

I

Промывка в воде

I

Хромирование

Возможно также и непосредственное никелирова­ ние после цинкатной обработки, однако в этом случае требуется термическая обработка при температуре 200—250° в течение 30 мин. В последние годы разра­ ботаны методы гальванического покрытия других легких металлов — магния, бериллия, титана.

Возникающие при этом затруднения аналогичны тем, которые имеют место при гальваническом по­ крытии алюминиевых сплавов: окисная пленка на по­ верхности этих металлов и сильно электроотрицатель­ ный потенциал.

Однако если при некоторых способах подготовки поверхности удается наносить непосредственно на алю­ миний прочно сцепленные гальванические покрытия, не прибегая к промежуточным слоям, то нанесение промежуточного слоя цинка на магниевые сплавы обя­ зательно, так как вследствие большой химической активности магний и его сплавы вытесняют металлы из соответствующих электролитов. В наиболее ответ­ ственных случаях количество подслоев может значи­ тельно возрасти.

Для удаления окисной пленки с поверхности ти­ тана было предложено много способов. Наилучшие результаты получены при катодной или анодной обра­ ботке титана в смеси следующего состава: 200 смА плавиковой кислоты (40%-ной), 100 г фтористого цинка, 800 см° этиленгликоля при температуре 20—25° и плот­ ности тока 1—5 а/дм2 в течение 10—20 мин.

Для защитно-декоративного хромирования титана необходима предварительная механическая обработка и обезжиривание, а после катодной обработки в рас­ творе HF — ZnF2 — этиленгликоль последовательно на­ носят слои латуни, никеля и хрома.

Хорошие результаты дает также обработка титана в смеси уксусной и фтористоводородной кислот.

По своим химическим и электрохимическим свой­ ствам бериллий приближается к таким металлам, как

192

магний, алюминий, цинк, в связи с чем принципиально возможны такие же методы нанесения на него галь­ ванических покрытий, как на эти металлы.

Предварительная подготовка сводится к обезжи­ риванию (органическими растворителями и в щелоч­ ном растворе), химической полировке (в смеси серной, фосфорной кислоты и хромового ангидрида), химиче­ скому активированию (5°/0-ная серная кислота). Если необходимо непосредственно на бериллий осаждать медь, железо, никель или серебро, то применяется химическое травление (азотная кислота уд. веса 1,4). Хромирование бериллия производится после нанесе­ ния цинковой пленки методом погружения и медне­ ния в цианистом растворе.

13 Зак. № 1720

Глава XVIII

ГАЛЬВАНОПЛАСТИКА

Гальванопластика — это техника получения точных металлических копий путем электроосаждения металла.

Открытие явления гальванопластического копиро­ вания принадлежит русскому академику Б. С. Якоби, который впервые в 1836 году путем электролитиче­ ского наращивания меди изготовил клише для печа­ тания бумажных денежных знаков. Этот процесс сразу же получил широкое применение, а вскоре распро­ странился и в других странах.

В 1840 г. в Петербурге под руководством Якоби было организовано первое крупное предприятие галь­ ванопластического воспроизведения скульптуры. Здесь были изготовлены гальванопластическим методом скульптуры для Исаакиевского собора, Эрмитажа, са­ дов и парков Петербурга и его пригородов, Большого театра в Москве.

Россия является также родиной гальванопластиче­ ского изготовления бесшовных труб, которые в 1867 г. экспонировались И. М. Федоровским в Париже на Всемирной выставке. В настоящее время гальванопла­ стика используется в самых разнообразных областях техники и прикладного искусства.

Путем гальванопластики готовят волноводы для радиолокации, рефлекторы, матрицы для прессования различных изделий (граммофонных пластинок, искус­ ственных зубов, пуговиц, кукол и т. д.), гальваносте­ реотипы, матрицы для тиснения кожи, бумаги, печат­

194

ные схемы, фольгу и сетки. Гальванопластика широко применяется для изготовления скульптур, барельефов, медалей, ювелирных изделий и т. п.

Основные технологические операции в гальвано­ пластическом производстве сводятся к следующим:

1)изготовление металлических или неметалличе­ ских форм;

2)нанесение проводящего слоя (для неметалличе­ ских форм);

3)нанесение разделительного слоя;

4)электрохимическое осаждение металла;

5)отделение форм от полученных копий и окон­ чательная обработка последних.

Изготовление форм. Формой, на которую осаждают

не используют для электроосаждения, так как это связано с возможностью их порчи.

Существуют два принципиально различных метода изготовления форм. Форма может являться „негатив­ ной" копией с какого-либо оригинала. В этом случае осажденный слой металла станет „позитивным" и бу­ дет полностью соответствовать оригиналу. Во втором случае оригинал может отсутствовать, и форма гото­

более ответственные операции в технологии гальва­ нопластики. Формы могут быть изготовлены из самых различных материалов — металла, пластмассы, гипса, восковых композиций, желатины и т. д. Основные требования, которые предъявляются к формам,— со­ хранять точный отпечаток оригинала, не взаимодей­ ствовать химически с электролитом.

Наиболее часто в производственной практике формы изготовляются из гипса, восковых композиций, стали, сплавов алюминия, свинца. Стальные формы приме­ няются для воспроизведения деталей, допускающих разъем без нарушения формы и нарощенного изделия. Основным преимуществом стальных форм является возможность их повторного многократного использо­ вания. Для увеличения тиражности их готовят из за­ каленной и легированной стали.

Свинцовые формы применяются для снятия копий с металлических оригиналов, имеющих небольшой рельеф и способных противостоять значительным да­ влениям. Формы из свинца получили применение в по­ лиграфии для производства гальваностереотипов.

Формы из алюминия и его сплавов относятся к числу растворимых форм, т. е. разрушаемых по окончании гальванопластического наращивания металла. Они при­ меняются в тех случаях, где требуются очень высокая точность размеров и чистота поверхности в сочетании со сложностью конфигурации.

Чаще всего формы из алюминиевых сплавов при­ меняют для изготовления точных полых изделий, на­ пример волноводов, сложных бесшовных труб и т. д.

В качестве материала форм можно использовать и легкоплавкие сплавы (например, сплавы Вуда, Липовица, Розе), однако к ним прибегают реже по технико­ экономическим соображениям.

Из неметаллических материалов одним из лучших является гипс, который широко применяется в худо­ жественной гальванопластике. Формы из гипса можно снимать с любых оригиналов — металлических и неме­ таллических, что выгодно отличает гипс от многих других формовочных материалов. Весьма широко при­ меняются также фенольные и акриловые смолы.

Нанесение проводящего слоя. Перед нанесением проводящего слоя на неметаллические формы надо выполнить ряд подготовительных операций. Поверх­ ность форм должна быть тщательно очищена от за­ грязнений или обезжирена. Если формы приготовлены из гигроскопических материалов, их необходимо сде­ лать водонепроницаемыми. Так, например, гипсовая форма обычно пропитывается предварительно расплав­ ленным восковым составом. В тех случаях, когда про­ водящий слой наносится путем химического восста­ новления серебра или меди из водных растворов, применяется обработка поверхности в растворе хло­ ристого олова, обеспечивающая благодаря восстано­ вительным ее свойствам качественную структуру ме­ таллической пленки. Для нанесения проводящего слоя, который обеспечивает необходимую электропровод­ ность поверхности, применяют графит и некоторые металлы: медь, серебро, золото. Применяются различ­

196

ные способы нанесения проводящего слоя. Основными из них являются:

1)механическое нанесение проводящего слоя (гра­ фитирование и применение металлических порошков);

2)химическое осаждение проводящего слоя, на­ пример восстановление меди или серебра из водных растворов их солей;

3)термическое восстановление металлов из их со­ единений, например нанесение паст с последующим вжиганием.

Первый способ механического нанесения проводя­ щего слоя путем графитирования является наиболее простым и дешевым. Графит втирается в поверхность формы мягкой волосяной кистью. Для этих целей используется высокосортный чешуйчатый графит. Элек­ тропроводность графитовой пленки и скорость покры­ тия ее металлом зависят от степени чистоты графита, размера и формы частиц. Графит должен содержать не менее 92% углерода. От примесей силикатов и окис- -лов железа в графите освобождаются путем последо­ вательной обработки в серной и соляной кислотах и едком натре. Для получения качественного покрытия частицы графита не должны быть чрезмерно малыми, так как в противном случае трудно получить сплош­ ную проводящую пленку.

Вместо графитирования можно получить проводя­ щий слой методом химического восстановления метал­ лов из водных растворов. В настоящее время разра­ ботаны способы получения пленок серебра, меди, зо­ лота, никеля, кобальта и некоторых других металлов.

Наиболее широко применяются пленки серебра, реже меди. Обычно для реакции серебрения берут азотнокислое серебро, а в качестве восстановителя формальдегид, пирогаллол, глюкозу, сегнетову соль. Способ нанесения проводящих паст с последующим вжиганием применяется в тех случаях, когда необхо­ димо получить исключительно прочное сцепление ме­ таллического покрытия с непроводником — керамикой, стеклом или пластмассой.

Для получения проводящего слоя используются специальные составы — пасты, которые наносятся на поверхность и затем нагреваются до сплавления с

197

диэлектриком. Наибольшее распространение получили пасты на основе серебра.

Для вжигания серебра в керамику или стекло при­ меняют специальные флюсы (смесь борнокислого свинца и окиси висмута). На полученную пленку можно осаж­ дать гальванически другие металлы.

Нанесение разделительного слоя. Для легкого отде­ ления нарощенной копии от металлической формы наносят так называемый разделительный слой. Разде­ лительными слоями могут служить пленки из окислов и солей некоторых металлов, а также из графита и органических веществ (жиры и масла). К раздели­ тельным слоям предъявляются следующие требования:

1) разделительный слой должен покрывать изде­ лие равномерно на одинаковую толщину, так как в противном случае уменьшится точность воспроиз­ ведения рельефа поверхности формы;

2)омическое сопротивление разделительного слоя не должно быть чрезмерно большим;

3)разделительный слой должен быть достаточно устойчив при погружении в электролит.

В настоящее время чаще всего прибегают к нане­ сению разделительных слоев химическим путем.

В зависимости от металла, из которого изготов­

лена форма, наносят сульфидные, оксидные, хромат­ ные и другие пленки. Сульфидные пленки могут быть образованы на свинце, меди, серебре, никеле при обработке их 1%-ным раствором сернистого натрия.

Хроматные пленки на серебре и свинце получаются погружением в раствор, содержащий 1 г/л двухромо­ вокислого калия. Оксидные пленки образуются при обработке их различными окислителями.

Электрохимическое осаждение металла на прово­ дящий и разделительный слои. Как уже отмечалось,

металл осаждается либо на металлические формы, по­ крытые разделительным слоем, либо на неметалличе­ ские формы, покрытые проводящим слоем. Во втором случае при подготовке к осаждению металла необхо­ димо особое внимание уделять контактным приспособ­ лениям. Обычно перед нанесением проводящего слоя к форме по ее периферии присоединяется медная про­ волока. Монтировать проволоку следует за пределами рабочей поверхности формы, так как в противном слу-

198