Термины и определения в электрохимической технологии. Учебно-методическое пособие

в результате образования на поверхности металла пленки, состоящей из продуктов его взаимодействия с окружающей средой. Пассивирующая пленка обладает защитными свойствами и предохраняет поверхность от дальнейшего взаимодействия со средой. Пассивирующая пленка образуется при специальной обработке металла химическими веществами (чаще всего сильными окислителями) или при сильной анодной поляризации.

Потенциостатический метод исследования – если на электрод задают определенное значение потенциала и фиксируют установившееся во времени значение плотности тока.

Гальваностатический метод исследования – если задаваемая величина – плотность тока, а фиксируется постоянный во времени потенциал.

Потенциодинамический метод исследования – нестационарные методы отличаются от стационарных тем, что фиксируемую величину получают через определенный промежуток времени, не дожидаясь выхода ее на постоянное значение, или же анализируют ее ход со временем. Потенциал в процессе измерений изменяется по линейному закону:

Е = Ен ± w1τ ,

где w1 – скорость изменения (развертки) потенциала; Ен – начальное значение задаваемой величины (в частном случае может быть Ен = Ер ).

Потенциодинамический метод также называют хроновольтамперометрией с линейной разверткой потенциала, что точно отражает функциональную зависимость потенциала от времени. Хроновольтамперометрия с линейной разверткой потенциала на ртутном капельном электроде называется классическим полярографическим методом, а на твердых микроэлектродах – полярографией на твердых электродах.

Гальванодинамический метод исследования – в гальванодинамических методах ток изменяется во времени по линейному закону:

i = iн + w2τ,

где w2 – скорость изменения (развертки) тока; iн – начальное значение тока.

Для гальванодинамического метода применяется название хроногальванометрия с линейной разверткой тока.

31

2 . П О К Р Ы Т И Я М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Е И Н Е М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Е Н Е О Р Г А Н И Ч Е С К И Е

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Покрытие – слой или несколько слоев материала, искусственно полу-

ченных на покрываемой поверхности.

Внешний слой покрытия – слой покрытия, поверхность которого соприкасается с окружающей средой.

Подслой – каждый из слоев многослойного покрытия, расположенный под внешним слоем покрытия.

Основной покрываемый металл – металл или сплав, на котором получают покрытие.

Толщина покрытия – расстояние по нормали между поверхностью основного покрываемого металла и поверхностью внешнего слоя покрытия.

Местная толщина покрытия – толщина покрытия в заданном месте.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ

Обработка поверхности

Крацевание – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия щетками для удаления окислов, загрязнений, уплотнения покрытия или нанесения декоративного штриха.

Матирование – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия механическим, химическим или электрохимическим способом, устраняющая ее способность к зеркальному и рассеянному отражению света.

Сатинирование – декоративная обработка основного покрываемого металла и (или) покрытия механическим, химическим или электрохимическим способом для получения полублестящей поверхности за счет микронеровностей.

Активация основного покрываемого металла (подслоя) – обработка поверхности основного покрываемого металла (подслоя) в растворах химическим или электрохимическим способом для снятия окисного слоя непосредственно перед получением покрытия.

32

Химическая aктивация – активация основного покрываемого металла и (или) подслоя в слабых растворах кислот, щелочей или солей.

Электрохимическая активация – химическая активация под действием электрического тока от внешнего источника.

Способы получения покрытий

Химический способ получения покрытия – получение металлического или неметаллического неорганического покрытия в растворе солей без электрического тока от внешнего источника.

Электрохимический способ получения покрытия – получение металлического или неметаллического неорганического покрытия в электролите под действием электрического тока от внешнего источника.

Катодное восстановление металла – электрохимический способ получения металлического покрытия на металле, являющемся катодом.

Анодное окисление металла – Электрохимический способ получения неметаллического неорганического покрытия на металле, являющемся анодом

Контактный способ получения покрытия – получение покрытия из раствора солей наносимого металла погружением основного покрываемого металла, находящегося в контакте с более электроотрицательным металлом.

Газотермический способ получения покрытия – получение покрытия распылением газовой струей нагретого до жидкого или вязко-текучего состояния диспергированного материала.

Металлизация распылением – получение покрытия распылением расплавленного металла.

Плазменный способ получения покрытия – получение покрытия распылением плазменной струей расплавленного материала.

Детонационный способ получения покрытия – получение покрытия из диспергированного материала при взрыве горючего газа.

Катодное распыление – получение покрытия распылением материала катода при газовом разряде.

Конденсационный способ получения покрытия – получение покрытия испарением в вакууме наносимого материала, созданием направленного потока его частиц с последующим осаждением на поверхности основного покрываемого металла.

33

Диффузионный способ получения покрытия – получение покрытия обогащением поверхностного слоя основного покрываемого металла химическими элементами способом диффузии.

Горячий способ получения покрытия – получение покрытия погружением основного покрываемого металла в расплавленный металл.

Вжигание – получение покрытия нагреванием диспергированного материала с флюсом и связующим веществом, нанесенного на поверхность основного покрываемого металла.

Эмалирование – получение покрытия расплавлением силикатных материалов на поверхности основного покрываемого металла.

Плакирование – получение покрытия соединением двух или более разнородных металлических слоев горячей прокаткой или взрывом на поверхности основного покрываемого металла.

Дополнительная обработка основного покрываемого металла (покрытия)

Пропитка покрытия – обработка покрытия заполнением пор веществом, не взаимодействующим химически с материалом покрытия.

Наполнение покрытия – обработка покрытия заполнением пор веществом, образующим с ним химическое соединение.

Окрашивание покрытия – обработка анодно-окисного покрытия заполнением пор красителем.

Гидрофобизирование покрытия – обработка покрытия гидрофобизирующей жидкостью для получения на его поверхности водоотталкивающей пленки.

Оксидирование – обработка основного покрываемого металла и (или) покрытия химическим или электрохимическим способом, в результате которой на его поверхности образуется оксидная пленка.

Пассивирование – обработка основного покрываемого металла и (или) покрытия химическим или электрохимическим способом, в результате которой на его поверхности образуется пассивная пленка.

Хроматирование – пассивирование основного покрываемого металла и (или) покрытия, в результате которого на его поверхности образуется хроматная пленка.

34

Фосфатирование – обработка основного покрываемого металла и (или) покрытия химическим или электрохимическим способом, в результате которой на его поверхности образуется фосфатная пленка.

Тонирование – декоративная обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия химическим или электрохимическим способом для получения неметаллического неорганического покрытия, интерферирующего свет.

Обезводороживание – удаление водорода из основного покрываемого металла и (или) покрытия путем нагрева.

ВИДЫ ПОКРЫТИЙ Электрохимическое покрытие – металлическое или неметаллическое

неорганическое покрытие, полученное в электролите под действием электрического тока от внешнего источника.

Гальваническое покрытие – электрохимическое покрытие, полученное катодным восстановлением металла.

Анодно-окисное покрытие – электрохимическое покрытие, полученное анодным окислением металла.

Металлизационное покрытие – покрытие, полученное распылением расплавленного металла.

Металлическое покрытие – покрытие, состоящее из металла или сплава.

Неметаллическое неорганическое покрытие – Покрытие, состоящее из неметаллических неорганических соединений.

Композиционное покрытие – покрытие, состоящее из включений металлических и неметаллических неорганических составляющих.

Защитное покрытие – покрытие для защиты основного покрываемого металла от коррозии.

Защитно-декоративное покрытие – покрытие для защиты основного покрываемого металла от коррозии и придания его поверхности декоративного вида.

Декоративное покрытие – покрытие для придания поверхности основного покрываемого металла декоративного вида.

Специальное покрытие – покрытие для придания определенных свойств поверхности основного покрываемого металла.

Катодное покрытие – металлическое покрытие, имеющее в данной среде электродный потенциал более положительный, чем у основного металла.

35

Анодное покрытие – металлическое покрытие, имеющее в данной среде электродный потенциал более отрицательный, чем у основного металла.

Многослойное покрытие – покрытие, состоящее из двух или более последовательно полученных слоев.

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ Галтовка основного покрываемого металла (покрытия) – обра-

ботка поверхности основного покрываемого металла (покрытия) во вращающихся устройствах для уменьшения шероховатости, удаления продуктов коррозии и загрязнений.

Шлифование основного покрываемого металла (покрытия) – обработка поверхности основного покрываемого металла (покрытия) абразивными материалами для уменьшения ее шероховатости.

Механическое полирование – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия специальными пастами для уменьшения шероховатости и придания блеска.

Химическое полирование – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия в растворах избирательным растворением для уменьшения шероховатости и придания блеска.

Электрохимическое полирование – химическое полирование под действием электрического тока от внешнего источника.

Ультразвуковая очистка – обработка поверхности основного покрываемого металла в моющем растворе в ультразвуковом поле для удаления механических и химических загрязнений.

Обезжиривание – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия в растворах химическим или электрохимическим способом, или в органических растворителях для удаления жировых загрязнений.

Химическое обезжиривание – обезжиривание в щелочных растворах.

Электрохимическое обезжиривание – химическое обезжиривание под действием электрического тока от внешнего источника.

Анодное обезжиривание – электрохимическое обезжиривание, при котором обрабатываемый металл является анодом.

Катодное обезжиривание – электрохимическое обезжиривание, при котором обрабатываемый металл является катодом.

36

Травление – обработка поверхности основного покрываемого металла химическим или электрохимическим способом для растворения и удаления оксидов или слоя металла.

Химическое травление – травление в растворах кислот, щелочей или солей.

Электрохимическое травление – химическое травление под действием электрического тока от внешнего источника.

Анодное травление – электрохимическое травление, при котором обрабатываемый металл является анодом.

Катодное травление – электрохимическое травление, при котором обрабатываемый металл является катодом.

Осветление – обработка поверхности основного покрываемого металла и (или) покрытия в растворе химическим способом для придания светлого оттенка или снятия шлама.

СВОЙСТВА ПОКРЫТИЯ Защитная способность покрытия – способность покрытия предохра-

нять основной металл от коррозии.

ДЕФЕКТЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Питтинг покрытия – дефект покрытия, характеризующийся нали-

чием мелких точечных углублений, образовавшихся в процессе электрохимического получения покрытия.

Дендритные наросты, дендриты – дефект покрытия в виде характерных кораллообразных наростов.

Пригоревшее покрытие, пригары – дефект покрытия, выражающийся в наличии шероховатостей и мелких наростов, образующихся при плотности тока выше критической.

Отслаивание покрытия – отделение покрытия от основного покрываемого металла.

Вздутие покрытия – дефект куполообразной формы на покрытии, образующийся от потери прочности сцепления между покрытием и основным покрываемым металлом.

Нитевидные кристаллы – металлические нитевидные наросты, образующиеся самопроизвольно при хранении, эксплуатации или во время электроосаждения.

37

3 . Х И М И Ч Е С К И Е И С Т О Ч Н И К И Т О К А

Электрохимическая энергетика – это область электрохимической технологии, основой которой являются химические источники тока (ХИТы) или источники электрической энергии.

Химический источник тока – это устройство, в котором химическая энергия активных веществ при протекании окислительно-вос- становительных процессов превращается непосредственно в электрическую энергию.

Химические источники тока подразделяются на первичные источники, или гальванические элементы, вторичные, или электрические аккумуляторы и топливные элементы. Элементы могут использоваться до тех пор, пока в них имеется запас активных веществ, обеспечивающих образование электрической энергии. При полном израсходовании этих веществ элементы становятся непригодными для дальнейшего использования. Аккумуляторы могут служить неопределенно долгое время. Процесс регенерации израсходованных активных веществ (заряд аккумулятора) возможен с помощью постоянного электрического тока от другого источника. Топливные элементы производят электрическую энергию при непрерывной подаче в них топлива и окислителя. Вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакции удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Области применения химических источников тока постоянно расширяются вместе с развитием новой техники и новых технологий. Они применяются в различных областях народного хозяйства, военной промышленности, авиации, железнодорожном и автомобильном транспорте, многочисленных электронных устройства, в ракетной технике и в быту, на станциях анодной и катодной защиты от коррозии технических объектов.

Гальванический элемент – химический источник тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящий к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита.

Самым известным элементом, который сегодня широко используется, является элемент Лекланше (1867 год). Также его называют

38

«сухим элементом». Кратко схему элемента можно представить следующим образом:

Этот элемент имеет ЭДС 1,5–1,8 В.

Большинство первичных источников тока, выпускаемых в настоящее время промышленностью, относятся к сухим батареям электропитания. Около 25 % сухих батарей выполнены на основе марган- цово-цинкового элемента Лекланше – одного из первых наливных элементов. В сухом элементе Лекланше имеется графитовый положительный электрод, окруженный электролитом в виде смеси диоксида марганца (MnO2), графитового порошка, хлорида аммония (NH4Cl), хлорида цинка (ZnCl2) и воды. Эта смесь служит также деполяризующим агентом, предотвращающим образование газообразного водорода внутри элемента. Если не предотвратить образование водорода, то под давлением газа батарейка раздувается, в результате чего нарушается ее герметичность и из нее вытекает электролит. Электролит и графитовый электрод находятся в тонкостенном цинковом стаканчике, который, выполняя функции защитного корпуса, служит также отрицательным электродом батарейки. Сухой элемент герметичен, воздухонепроницаем. Его называют еще угольно-цинковым элементом. В элементе Лекланше электричество вырабатывается за счет химического взаимодействия электролита с цинковым электродом, являющимся анодом. При подключении к зажимам батарейки внешней нагрузки, например, лампочки карманного фонарика, через лампочку начинает проходить ток от цинкового электрода к графитовому. Ток не прекращается, пока не растворится почти весь цинк. После этого батарейка теряет работоспособность, и ее необходимо заменить.

Во время разрядки цинковый стакан частично растворяется. Во избежание вытекания электролита или продуктов реакции цинковый стакан имеет запас по толщине или окружен железной защитной оболочкой.

Широко известны воздушно-цинковые элементы, например «Крона ВЦ», краткая схема элемента выглядит следующим образом:

ЭДС воздушно-цинкового элемента 1,4 В. Воздушно-цинковые элементы отличаются от остальных пер-

вичных химических источников тока наличием специального

39

отверстия, которое вскрывается при вводе в эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя. В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха, используются угольные электроды, модифицированные катализатором. Активным материалом анода является цинк, электролитом – раствор КОН или NaOH. Аккумулятор с точки зрения конструкции представляет собой двухэлектродное электрохимическое устройство, анодное и катодное пространства которого, содержащие некоторые количества реагентов, разделены сепаратором, являющимся преимущественно ионным проводником, а в межэлектродном пространстве – электролит в жидком, загущенном или твердом состоянии. На электродах имеется некоторый запас электрохимически активных веществ. На аноде – это восстановители: Li, Ca, Na, Mg, AI, Zn, Pb, Fe, Cd и др., а на катоде – окислители: F2, Cl2, Br2, CF4, SOCl2, O2, оксиды металлов, органические окислители и многие другие вещества. Роль электролита могут выполнять водные и неводные растворы, расплавы, полимерные органические твердые вещества и твердые ионные проводники. Свойства электролитов определяют основные характеристики источника электрической энергии: температуры плавления и кипения электролитов влияют на диапазон рабочих температур его использования; проводимость влияет на предельно допустимую нагрузку; сохраняемость ХИТ зависит от растворимости материала положительного электрода в электролите и его взаимодействия с электролитом; агрессивность электролита влияет на выбор материалов корпуса ХИТ и уплотнений; свойства электролитов сказываются и на выборе технологии изготовления ХИТ.

Сепараторы обеспечивают разделение анодного и катодного пространств в ХИТ, исключая возможность прямого контакта веществ, заложенных на электродах, между собой.

Важнейшими техническими характеристиками аккумуляторов являются:

1. Емкость С (А·ч) – количество электричества (3.3), отдаваемого при разряде аккумулятором до достижения допустимого конечного напряжения Uкон, ниже которого ХИТ считают разряженным, при выбранном режиме разряда в определенный отрезок времени:

где I – значение тока при разряде, А; t – продолжительность разряда, ч.

40