Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы получения металлических и других покрытий. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. В. Чернявина
Основы получения металлических
и других покрытий
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2025
УДК 546.3+621.793(075.8)
ББК 24.115.1+34.663.2я73
Ч-49
Печатается по решению кафедры электрохимии химического
факультета Южного федерального университета
(протокол № 6 от 28 мая 2024 г.)
Рецензенты:
доцент кафедры химии Донского государственного технического
университета, кандидат химических наук М. Н. Мицкая;
доцент кафедры общей и неорганической химии Южного федерального
университета, кандидат технических наук Е. С. Медведева
Чернявина, В. В.
Ч-49 Основы получения металлических и других покрытий : учебное посо-
бие / В. В. Чернявина ; Южный федеральный университет. – Ростов-наДону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета,
2025. – 77 с.
ISBN 978-5-9275-4952-8
В учебном пособии рассматривается влияние разных факторов на гальваностатическое и химическое осаждение металлов и сплавов из комплексных электролитов, что позволяет прогнозировать ведение процесса
электролиза с целью получения покрытий с заданным комплексом
свойств. Изложены современные способы предварительной подготовки
поверхности перед нанесением покрытий. Пособие предназначено для
студентов, обучающихся по направлению подготовки 04.05.01 – «Фундаментальная и прикладная химия».
УДК 546.3+621.793(075.8)
ББК 24.115.1+34.663.2я73
ISBN 978-5-9275-4952-8
© Южный федеральный университет, 2025
© Чернявина В. В., 2025
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... 5
МОДУЛЬ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ.
СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЙ 7
1.1. Классификация покрытий ...................................................................... 7
1.2. Методы получения покрытий ................................................................ 9
1.3. Подготовка поверхности металлических изделий перед нанесением
покрытий ........................................................................................................ 9
1.3.1. Способы механической обработки поверхности изделий .............. 10
1.3.2. Химическое и электрохимическое обезжиривание поверхности... 11
1.3.3. Ультразвуковая обработка ................................................................ 14
1.3.4. Химическое и электрохимическое травление поверхности ............ 14
1.3.5. Активирование и промывка .............................................................. 18
МОДУЛЬ 2. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ........... 19
2.1. Общие сведения. Закон Фарадея ........................................................ 19
2.2. Основы электролитического осаждения металлов ............................ 22
2.2.1. Стадии электрохимических процессов ............................................. 22
2.2.2. Катодные и анодные процессы ......................................................... 24
2.2.3. Электрохимическое осаждение в потенциостатических и
гальваностатических условиях .................................................................... 27
2.3. Влияние различных факторов на электрохимическое осаждение
металлов ...................................................................................................... 31
2.3.1. Влияние режима электролиза на структуру и свойства
электролитических осадков ........................................................................ 31
2.3.2. Влияние состава электролита на структуру и свойства
электролитических осадков ........................................................................ 34
4
2.3.3. Зависимость кинетики процесса от природы выделяемого
металла ........................................................................................................ 37
2.3.4. Факторы, определяющие величину поляризации при катодном
выделении различных металлов ............................................................... 38
2.4. Электролитическое покрытие сплавами ............................................ 41
2.5. Осаждение благородных и редких металлов .................................... 43
МОДУЛЬ 3. ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ..................................................................... 53
3.1. Сущность метода химического нанесения металлических
покрытий ..................................................................................................... 53
3.2. Химическое меднение ......................................................................... 55
3.3. Химическое никелирование ................................................................ 56
3.4. Фосфатирование металлов .................................................................. 58
3.5. Оксидирование металлов .................................................................... 66
3.6. Пассивирование металлов и гальванических покрытий ................... 71
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 76
5
ВВЕДЕНИЕ
Разработка методов и технологии нанесения покрытий на поверхность
конструкционных материалов для защиты от коррозии является приоритетным направлением во многих развитых странах.
С развитием радиоэлектроники, атомной энергетики, ракетостроения,
полупроводниковой промышленности появились новые задачи, связанные
с обработкой поверхности металлов. Возникла необходимость в разработке
новых методов обработки поверхности изделий с целью придания ей целого комплекса заданных свойств. Покрытия из металлов и сплавов сообщают поверхности изделий оптические, магнитные, антифрикционные
и другие свойства.
Разработка гальванических покрытий с заданными специфическими
свойствами привела к развитию технологических приемов с использованием разных химических веществ и режимов электролиза, что способствовало формированию нового направления, которое в литературе называют
функциональной гальванотехникой.
Основоположником гальванотехники является член российской академии наук Б. С. Якоби, который в 1837 году впервые получил гальванопластическим способом медную копию с металлического оригинала.
В последующие годы стали известны другие электролитические процессы: серебрение, золочение, покрытие оловом изделий из меди и ее
сплавов.
«Гальванотехника» включает два направления - гальваностегию
и гальванопластику и изучает технику осаждения металлов и неметаллов на поверхности изделия. Гальваностегия – это технический термин,
который используется для обозначения технологических процессов,
применяемых при формировании электролизом тонких слоев металлических покрытий. Гальванопластика – технический термин для обозначения технологических процессов, связанных с получением толстых металлических осадков, а также для изготовления и размножения точных
копий с различных предметов, воспроизводящих во всех деталях рельеф
оригинала.
Методы гальванотехники применяют для получения полуфабрикатов, сложных деталей и элементов, решения многих сложных задач, когда другие технологические процессы непригодны или малоэффективны.
Очистка сточных вод гальванических цехов и извлечение из них металлов, оборудование гальванических цехов, средства механизации и автоматизации процессов, аппаратура контроля электролитов и покрытий, система
стандартов на электролиты, гальванические процессы и их режимы также
относятся к компонентам понятия гальванотехники.
7
МОДУЛЬ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДОВ
ИХ ПОЛУЧЕНИЯ. СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ
ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЙ
1.1. Классификация покрытий
В настоящее время большое разнообразие методов получения позволяет наносить покрытия на металлические и другие поверхности. Рассматривают схемы классификации по следующим основным принципам:
по назначению, по физическим или химическим свойствам, по природе
элементов, по конструкции покрытия, по способу получения, по виду
наносимого материала, по отношению к внешней химически активной
среде.
Прежде всего, при нанесении покрытий с целью обеспечения определённых характеристик изделию необходимо рассматривать классификацию
по назначению. В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают покрытия: защитные, защитно-декоративные, специальные или функциональные.
Металлические покрытия разделяют на катодные и анодные по способу
защитного действия. Равномерные и плотные слои анодного покрытия могут обеспечить защиту изделия от коррозии. В процессе эксплуатации изделия на поверхности покрытий появляются дефекты, что приводит к возникновению гальванической пары между основным металлом и покрытием.
Металл покрытия является отрицательным, растворяющимся анодом. Изделие не разрушается пока на поверхности присутствует покрытие. В отличие от катодных покрытий, анодные покрытия обеспечивают не только механическую, но и электрохимическую защиту [1, 2].
Несмотря на хорошие защитные свойства анодных покрытий, существуют ограничения на их применение. В случае, когда техническими условиями предусмотрены определенные требования к товарному виду изделий и образование продуктов коррозии на поверхности деталей нарушает
работоспособность приборов.
8
Катодные покрытия состоят из металла более положительного, чем
защищаемый. К ним относится большинство защитно-декоративных покрытий на стали (Ni, Cu, Pb, Sn и их сплавы). Они должны полностью изолировать металл изделия от воздействия окружающей среды. Наличие
пор, трещин, оголенных участков покрытий будет способствовать растворению защищаемого металла изделия. Таким образом, применение катодных покрытий обеспечивает лишь механическую защиту основного
металла.
В качестве основных параметров при классификации защитно-декоративных покрытий выделяют цвет и фактуру. Цвет пленок зависит от природы
материала покрытий и их способности окрашиваться красящими веществами.
Изменяя параметры электролиза (состав электролита, ток, время и др.)
можно получать покрытия с разной фактурой. Она может быть матовой,
блестящей, гладкой и шероховатой. На одинаково обработанной поверхности можно получить «молочный», блестящий или матово-серый хром. Рельеф основы не имеет значения.
В связи с ростом требований, предъявляемых современной техникой
к свойствам конструкционных материалов, возникает необходимость в получении покрытий, обладающих необходимыми специальными свойствами. Специальные свойства покрытий условно делятся на физико-механические, физические, физико-химические и др.
Тепло-, электро- и светотехнические свойства относятся к физическим
свойствам. Если металлические детали подвергаются воздействию высоких
температур, условием их долговечности является жароустойчивость.
К таким покрытиям относятся хромовые, никелевые и комбинированные
покрытия на основе этих металлов.
Развитие электротехники, автоматики и радиоэлектроники привело
к появлению большого разнообразия материалов, обладающих электротехническими свойствами. К ним относятся электрическая проводимость, электроизоляционные свойства, магнитные и другие характеристики. Медные
и серебристые покрытия, а иногда золотые, палладиевые и родиевые наносят для увеличения электрической проводимости. Покрытия из сплавов
9
хром-железо, хром-никель выполняют роль нагревательных элементов. Высокую отражательную способность обеспечивают покрытия серебра
или хрома [1, 3].
1.2. Методы получения покрытий
Метод нанесения покрытий выбирают в зависимости от физико-химических свойств изделия и металлопокрытий, толщины покрытия
и экономических показателей. Самыми распространенными промышленными методами получения являются горячий метод нанесения покрытий, электролитические и химические методы. Горячий метод имеет
ограничения и применяется только для нанесения покрытий с низкой
температурой плавления и используется для цинкования, лужения
и свинцевания изделий. Электролитические и химические методы применяют при нанесении покрытий из металлов с высокой температурой
плавления. Распыление расплавленного металла и напыление металла
методом испарения в вакууме относятся к диффузионным методам
нанесения покрытий. Они имеют ограниченное применение в промышленности, поскольку являются дорогостоящими и менее доступными
для масштабного производства.
Изменяя различные параметры электроосаждения, можно получать покрытия с разнообразными свойствами, с различной толщиной как на металлических, так и неметаллических изделиях. Кроме этого, методом электрохимического осаждения можно получать сплавы металлов разнообразного
состава и фазового строения.
Основным недостатком электролитического метода является неравномерность распределения осадков по толщине на изделиях сложного профиля [1].
1.3. Подготовка поверхности металлических изделий перед
нанесением покрытий
Одной из важных операций всего процесса нанесения металлических покрытий является подготовка поверхности изделия. Для увеличения прочности сцепления между основой и металлическим покрытием
необходимо очистить поверхность от посторонних загрязнений, оксидов
и жиров.
10
Подготовка поверхности основного металла определяется на основании
операций, которые предшествовали процессу нанесения покрытий. Например, если покрытием изделия ранее подвергалось обжигу, то можно ограничиться одним травлением.
Для подготовки поверхности изделий перед покрытием применяют механические, химические и электрохимические способы обработки поверхности [3, 4].
1.3.1. Способы механической обработки поверхности изделий
Механическая обработка поверхности деталей является необходимой
при гальваническом методе получения покрытий. Она направлена на устранение различных дефектов поверхности и придании поверхности требуемой шероховатости.
Существуют разные способы механической обработки поверхности:
шлифование, полирование, крацевание, водно-струйная обработка, абразивная зачистка [1, 3].
Шлифование – процесс механической обработки для получения ровной
и гладкой поверхности.
Полированием называют процесс получения блестящей зеркальной по-
верхности путем сглаживания мельчайших неровностей.
При шлифовании и полировании применяют абразивные материалы:
карборунд, карбид бора, электрокорунд, крокус, оксид хрома (III), оксид
алюминия.
Для крацевания используют стальные, латунные и медные щетки, насаженными на вал электродвигателя или станка. При декоративной обработке используют волосяные, капроновые или травяные щетки, смоченные
в содовом или мыльном растворе.
Галтовка заключается в обкатке деталей совместно с абразивными
и полирующими материалами в колоколах или барабанах. При вращении
с выступающих частей поверхности деталей в результате трения их между
собой, а также с абразивными материалами снимается тонкий слой металла.
При вибрационной обработке детали и обрабатывающая среда (абразивные материалы, наполнители, ПАВ) помещаются в контейнер, которому
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]