Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Композиционные покрытия с микро- и нанокерамическими фазами. Методические указания
.pdf
кристаллической решетки металла, на которой разряжается. Или же
разряд происходит на любой точке поверхности твердого электрода с
образованием адсорбированного атома (ад-атом), который
диффундирует по поверхности и встраивается в кристаллическую
решетку. Рост катодного осадка определяется либо разрастанием
двумерных зародышей по поверхности, либо ростом трехмерных
зародышей не только в ширину, но и в высоту. [17].
Анодный процесс. Анодное растворение металла за счет
внешнего тока с переходом его в раствор в виде простых
гидратированных или комплексных ионов во многом представляет
собой обращение процесса катодного выделения металлов.
Общую реакцию анодного растворения можно записать в виде
уравнения:
Ме + x H2O = Mez+ * x H2O + ze (2)
Последовательность стадии здесь обратная, т.е процесс идет
с разрушением кристаллической решетки и заканчивается
образованием ионов металла в растворе. Меняется и направление
каждой отдельной стадии, например, вместо разряда ионов –
ионизация атомов металла и т. п.
Иногда находят применение и нерастворимые аноды (графит,
платина и т.д.). Любой проводимый в водном растворе процесс
электрохимическиого восстановления (или окисления)
сопровождается побочной реакцией выделения водорода, или
кислорода. Это приводит к распределению общего количества
пропущенного электричества между двумя реакциями – осаждения
металла и выделения газа [17].
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Цель работы: освоение методики получения КЭП и изучение
их свойств.
Задачи исследований:
– Определить количество включения частиц в покрытиях
прямым или косвенным методами;
– Изучить влияние дисперсной фазы на физико-химические
свойства КЭП.
Приборы и принадлежности:
21
1. Электролиты : никелирования, меднения, цинкования;
2. Источник постоянного тока;
3. Стеклянный электролизёр;
4. Амперметр;
5. Рабочие электроды;
6. Набор проводов;
7. Наждачная и фильтровальная бумага;
8. Составы для обезжиривания;
9. Растворы для определения пористости;
10. Растворы для изучения коррозионной стойкости;
11. Микротвердомер ПМТ-3.
6.1. Методика проведения работы
Электрохимическое получение покрытий проводят в
цилиндрических или прямоугольных электролизерах из стекла с
плоскопараллельном расположением электродов. В случае
необходимости электролизеры термостатируют и в процессе
электролиза контролируют температуру. Процесс ведут в условиях
естественной аэрации или механического перемешивания.
Принципиальная схема установки приведена на рис.1
Перед электролизом, электроды механически зачищают,
обезжиривают (активируют) кальцинированной содой, тщательно
промывают водой, сушат и взвешивают на аналитических весах.
Принципиальная схема для электролиза
Рис. 1. Установка для проведения электролиза:
1 – источник постоянного тока; 2 – электролизер; 3 – катод;
4 – аноды; 5 – амперметр; 6 – реостат
22
Для получения покрытий используется электролиты
следующего состава.
Электролит 1.
Состав электролита, г/л
NiSO4*7H2O 70-75
Na2SO4*10H2O 40-50
H3BO
20-25
3
NaCl 5-7
pH 5,6-5,8
Плотность тока, ,A/дм
2
1-4
Температура, 0С 20-25
Электролит 2
Состав электролита, г/л
CuSO4 5H2O 250
H2 SO4 50
Температура, 0С 25
рН 0,5
Плотность тока, А/дм2 1-5
Электролит 3
Состав электролита, г/л
ZnSO4 × 7H2O 250
Na2SO4× 10H2O 80
Al2(SO4)3× 18H2O 30
Температура, 0С 15 - 25
рН 3,5 – 4,5
Плотность тока, А/дм2 1 – 6
Задача 1. Изучить влияние кислотности и температуры
электролита на качество покрытия и выход по току металла. Аноды
никелевые, медные и цинковые.. Катоды стальные, медные пластины.
Осаждение проводят из указанных электролитов.
Плотность тока и время осаждения покрытий указывает
преподаватель. Расчетная средняя толщина покрытия около 10 мкм –
40 мкм. Расчет времени получения покрытия определяет студент в
соответствии с приложением 1 и таблицей.
После окончания электролиза необходимо тщательно промыть
поверхность катода водой, высушить, взвесить на аналитических
23
весах и провести внешний осмотр покрытия (цвет, степень блеска,
Концентрация,
Время
Признак пористости
K3Fe(CN)
NaCl
10 20 5
Синие точки
– поры до стали
5
Красно
-
бурые
– поры до меди
имеющиеся дефекты – отслаивание, растрескивание, пригар и т.д.).
После электролиза рассчитывают количество прошедшего
электричества и выход металла по току (Приложение 1).
Задача 2. Определить зависимость пористости покрытий от их
толщины.
Покрытия осаждают на стальные катоды из указанных
электролитов при перемешивании. Толщина покрытия и плотность
тока указывается преподавателем.
Методы выявления пор в покрытии заключаются в
воздействии реагентов, дающих окрашенные соединения с ионами
металла основы или подслоя соответствии с ГОСТ 9.302-85.
На поверхность образца накладывается фильтровальная
бумага, пропитанная реактивом. После выдержки бумагу с
отпечатками пор в виде точек определенного цвета снимают, сушат на
стекле, подсчитывают число пор на каждом квадратном сантиметре и
определяют среднее их число.
Таблица 1 - Состав раствора и режим испытаний пористости покрытий
г/дм3
6
Задача 3. Определить жаростойкость покрытия на стали, а
также стали без покрытия по изменению массы образцов после их
выдержки в печи при определенных температурах и времени, согласно
ГОСТ 6130-71. Температура обжига и время выдержки покрытий в
печи указывает преподаватель.
Расчет производят по формуле:
где Δm – изменение массы образца, г;
S – площадь образца, м2;
=
выдержки,
мин
mKΔ
(1)
S
24
Задача 4. Определить массовым методом коррозионную
стойкость покрытий в различных растворах в соответствии с ГОСТом
9.908-85. В качестве растворов используются кислоты, щелочи, соли,
влажная атмосфера, в которых методом погружения определяется
скорость коррозии указанных покрытий в течении определенного срока
(по указанию преподавателя).
Расчет скорости коррозии, К, г/м2·ч, производился по
формуле:
m
K•=
(2)
tS
где m – изменение массы образца, г;
S – площадь образца, м2;
t – время, ч.
Задача 5. Определение микротвердости покрытий в
соответствии с ГОСТ 9450 – 76. Этим методом определяют, помимо
общей твердости многофазных систем, также твердость отдельных фаз
и структурных составляющих, твердость внутри отдельных зерен.
При определении микротвердости в испытываемый образец
под действием нагрузки Р входит алмазный наконечник, имеющий
форму пирамиды (в плоскости квадрат).
При испытании величина нагрузки может находиться в
пределах 5 – 200 г. После снятия нагрузки на поверхности остается
отпечаток в виде пирамиды с квадратным основанием и измеряется
диагональ отпечатка.
Для определения числа твердости НV, кгс/мм2 пользуются
формулой:
=
HV (3)
Где Р – нагрузка, г;
d – диагональ отпечатка, мкм.
4,1854
P
2
)31,0(
•
d
25
Нагрузка выбирается в соответствии с величиной площади
участка, твердость которого измеряется и толщиной образца.
Допускаемая нагрузка подбирается таким образом, чтобы толщина
образца была больше диагонали отпечатка в 1,5 раза.
Измерение микротвердости проводят на приборе ПМТ – 3.
Задача 6. Проверить прочность сцепления (ГОСТ 9.302-88),
получаемых покрытий из электролитов с металлической основой.
Качественные методы:
а) нанесение сетки царапин;
б) изгиб;
в) нагрев.
6.2. Получение КЭП с металлической матрицей
Для получения композиционных электрохимических покрытий
используют указанные выше электролиты. Электролит
модифицируют дисперсной фазой различной природы (предлагает
преподаватель). Концентрация указывается преподавателем и может
изменяться от 1 до 200 г/дм3.
Перемешивание осуществляется мешалкой; температура
электролита составляет 20-40 0С. Катоды изготавливают из меди,
никеля, цинка, подготовка их обычная, как и перед осаждением
других гальванических покрытий. Образцы перед покрытием
взвешивают с точностью до 10
-4
г .
Осаждение ведут при различных плотностях тока и времени
(по указанию преподавателя). Одновременно из каждого электролита
(чистого и суспензий) получают по три образца. После окончания
электролиза образцы промывают, высушивают и взвешивают.
Исследование покрытий включает: определение их
пористости, микротвердости, жаростойкости, стойкости в растворах,
внешнего вида, сцепления с основой, содержания включения в
покрытиях.
Электрохимическое получение покрытий проводят в
цилиндрических или прямоугольных электролизерах из стекла с
плоскопараллельным расположением электродов. В случаи
необходимости электролизеры термостатируют и в процессе
электролиза контролируют температуру. Процесс ведут в условиях
26
естественной аэрации или механического перемешивания.
•
Необходимая плотность тока задается преподавателем.
Принципиальная схема установки представлена на рис.2.
Рис. 2. Схема установки: 1 – источник тока; 2 – амперметр;
3 – реостат; 4 – электролизер с суспензией; 5 – аноды; 6 – катод;
7 – электролизер с чистым электролитом.
Определение количества включений дисперсной фазы в
покрытиях косвенным методом. Электролиз проводят в двух
последовательно соединенных электролизерах. В первом
электролизере находится электролит с частицами, во втором –
электролит без дисперсной фазы.
Расчет количества включений, am, % в покрытиях производится по
формуле:
mm
100
=
a
m
m
21
•
(4)
1
где m1 – масса КЭП, г;
m
- масса контрольного покрытия, г.
2
27
Определение количества включений ДФ в покрытиях
•
•
•
прямым методом. Образец с покрытием растворяют в 30% НNО3,
осадок (не растворенные в ней частицы) после многократной
промывки дистиллированной водой и центрифугирования
высушивают и взвешивают на аналитических весах с точностью до
0,0001 г.
Массовое количество включений, am, % , определяют по
формуле:
MM
12
100
=
a
m
•
•
mm
12
(5)
где М1 – масса пробирки, г;
М2 – масса пробирки с частицами, г;
m1 – масса металлической основы, г;
m2 – масса покрытий с дисперсной фазой, г.
Массовая концентрация частиц – С (количество их
добавленное к 1 литру чистого электролита) определяют по формуле:
)-ρρ(ρ1000
C
= , (6)
-ρρ
сэ
эсд
обьемную концентрацию находят по формуле:
C
=
v
C
д
, % (7)
С
01,0ρ10 +
где ρд, ρс, ρэ – плотности, соответственно, добавки, суспензии и
электролита, г/см3.
Плотности электролита и суспензии определяют ареометром с
ценой деления 0,001 г/см3 в цилиндре на 200-250 мл. Суспензию перед
измерением плотности взбалтывают непосредственно в цилиндре.
Плотность покрытия определяют по формуле:
28
ρρ
•
•
ρ
= , г/см
КЭП
дм
а ••+
)ρ -ρ(01,0ρ
дмmд
3
(8)
где ρм – плотность чистого металла, г/см3;
am – количество частиц в покрытии, %.
Обьемное содержание частиц в покрытии определяют через
величину am по формуле:
a
= , % (9)
V
ρ
a
mКЭП
ρ
д
Полученные, экспериментальные данные заносим в таблицу 1
и 2 в Приложении 3
Указать влияние количества включений (am) дисперсной фазы
в металлическую матрицу по сравнению с контрольным
металлическим покрытием на следующие физико-химические
свойства: микротвердость, пористость, коррозионная стойкость,
жаростойкость в виде графиков, таблиц, диаграмм (Приложение 2)
29
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Электрохимические покрытия. Области из применения
2. Электроосаждение металлов. Механизм катодного и анодного
процессов
3. Факторы, оказывающие влияние на качество электрохимических
покрытий.
4. Пассивация анодов. Условия возникновения
5. Основные компоненты электролитов и их назначение.
Сравнительный анализ различных электролитов
6. Понятия катодного (анодного) выхода металла по току
7. Методы контроля покрытий
8. Механизм образования композиционных электрохимических
покрытий.
9. Влияние природы дисперсной фазы на свойства композиционных
покрытий.
10. Основные факторы, влияющие на механизм образования
композиционных электрохимических покрытий.
11. Формулы определения содержания дисперсной фазы в покрытиях.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]