Под гальваническим способом понимают покрытие поверхности одного металла другим при помощи осаждения его из водных растворов солей действием электрического тока (рис. 99) или без него. Этот способ широко применяют во многих областях самых различных производств и особенно в художественной промышленности.
В настоящее время гальваническим способом можно покрывать любые металлы и сплавы. Особенно часто в области художественной промышленности применяют следующие покрытия: медные, латунные, никелевые, хромовые, серебряные и золотые.
Покрытия, полученные гальваническим способом, отличаются высокой декоративностью, прочностью и экономичностью, так как толщина покрытия обычно не превышает нескольких микрон.
В зависимости от условий, где будет находиться изделие, подлежащее гальваническому покрытию, толщина наращенного слоя металла бывает различной.
Имеются три группы условий работы:
а) Жесткие условия работы — это наружная атмосфера, загрязненная промышленными газами, испарением морской воды или воздействие грязи, пыли и частого захвата руками;
б) средние условия работы — закрытые помещения, но с повышенной влажностью, неотапливаемые помещения или атмосфера сельской местности, где отсутствуют вредные газы;
в) легкие условия работы — в сухих отапливаемых помещениях.
Меднение. Медные покрытия для антикоррозийных и декоративных целей применяют редко, так как на воздухе медь легко окисляется и теряет цвет и блеск. При действии сернистых соединений медные покрытия быстро темнеют и чернеют; при действии углекислых и хлористых соединений они зеленеют.
Для защиты стали от коррозии в жестких условиях медь совершенно не годиться, так как при повреждении медного слоя омедненное железо ржавеет быстрее, чем не омедненное.
Медные покрытия обычно применяют при многослойных покрытиях декоративного характера — никелирование, хромирование, серебрение, золочение — как подслой. Применение медного подслоя позволяет получать лучшее сцепление между покрытием и изделием.
Меднение производят в цианистых или кислых электролитах.
Меднение в цианистых электролитах имеет следующие преимущества:
• медь осаждается непосредственно на сталь, а в кислых ваннах на изделие осаждается так называемая контактная медь, имеющая очень непрочное сцепление со сталью;
• медно-цианистые ванны обладают хорошей рассеивающей способностью, а осадки из кислых ванн плохо покрывают углубления;
• дают мелкий кристаллический плотный осадок меди.
Недостатки цианистых медных ванн:
• электролиты сильно ядовиты;
• малый выход металла по току;
• не допускают использования высоких плотностей тока;
• малоустойчивы в работе.
Состав ванны и режим работы:
Цианистой меди CuCN — 90 г/л
Цианистого калия KaCN —106 г/л
Углекислого натрия Na 2 CO 3 — 50—80 г/л
Напряжение 3—6 В. Температура раствора 25—30°. Плотность тока для меднения цинка 0,7—0,8 А/дм 2 , меднения стали — 1 А/дм : до 1,5 А/дм 2 .
Процесс меднения в цианистых ваннах протекает медленно, поэтому целесообразно в этих ваннах получать тонкие слои 5— 10 мкм, а окончательное наращение производят в кислых ваннах.
Аноды применяют из чистой меди, так как присутствие посторонних металлов — цинка, свинца и др. — портят ванну.
Толщина анодов от 3 до 10 мм; перед употреблением их отжигают и травят в азотной кислоте. Аноды оставляют в ванне постоянно. Расстояние между анодом и катодом (изделием) не меньше 100 мм.
Процесс идет хорошо, если поверхность анодов больше поверхности катода или, во всяком случае, не меньше. Если ванна в порядке, то предмет начинает покрываться спустя 0,5—1 мин после погружения, и через 15—30 мин процесс можно закончить.
Обычно через 10 мин предмет вынимают, крацуют и, промыв, затем вновь опускают в ванну. Перед опусканием в ванну первый раз предмет следует обезжиривать, хотя процесс идет и без обезжиривания, так как цианистый калий «съедает» жир, но ванна быстро портится от загрязнения. При нормальной работе получаются ровные, плотные розовые осадки меди, а на катоде происходит спокойное, еле заметное газовыделение.
Неполадки в работе медно-цианистых ванн и их устранение.
1. Осадки получаются пористые, при этом осаждение идет очень медленно. Это происходит, если слишком высокая плотность тока или незначительное содержание металла в ванне. Следует понизить плотность тока или добавить в ванну цианистую медь.
• Темно-красные пятнистые осадки на изделии и серые и зеленоватые налеты на анодах указывают на недостаток цианистого калия или малую поверхность анодов; электролит около анодов при этом становится голубым. Следует добавить цианистый калий, а аноды протравить в пятипроцентном растворе азотной кислоты и увеличить их число.
• На анодах появляется белый осадок — не хватает цианистого калия и истощился электролит возле анодов; требуется перемешать электролит и, если белый осадок не исчезнет, добавить цианистый калий.
• Если осаждение идет очень медленно, а аноды все время сохраняют цвет чистой меди (все время травятся), то следует добавить цианистую медь (предварительно растворив ее в малом объеме электролита).
• Осадок становится темным, зернистым, или вовсе ничего не осаждается — ванна содержит слишком много цианистого калия; следует добавить цианистой меди небольшими порциями, предварительно растворив в небольшом объеме электролита (сухая не смоченная соль не растворяется в электролите).
По окончании меднения предмет очень тщательно промывают в воде, так как каждая капля электролита, оставшаяся в порах изделия, вызывает появление пятна, которое очень трудно удаляется.
Сернокислые электролиты имеют следующие преимущества:
• не ядовиты;
• очень просты по составу;
• дают высокий выход по току;
• устойчивы в работе;
• позволяют работать на высоких плотностях тока.
Недостатки:
1) нельзя осаждать медь непосредственно на сталь, так как сталь травится в серной кислоте.
Состав сернокислого электролита:
Медного купороса C 11 SO 4—200—250 г/л
Серной кислоты H 2 SO 4 — 50—70 г/л
Температура раствора без перемешивания — комнатная, с перемешиванием 30—40° С. Плотность тока без перемешивания — 1— 2 А/дм 2 . Плотность тока с перемешиванием — 3—5 А/дм 2 .
• Темные рыхлые осадки, особенно в углубленных местах, недостаток серной кислоты. Следует добавить серной кислоты.
Бурное газовыделение, осадки рыхлые губчатые, пятнистые, недостаток медного купороса (или избыток кислоты). Необходимо добавить медного купороса, предварительно растворив его в небольшом объеме подогретого электролита.
Латунирование. Этот процесс применяется как подслой (вместо меди) и как самостоятельное покрытие.
Состав ванны:
Цианистой меди CuCN — 27 г/л
Цианистого цинка ZnCN — 9 г/л
Цианистого натрия NaCN — 54 г/л
Температура 20—40° С, плотность тока 0,1—0,3 А/дм 2 , выход по току 60—80%. Аноды из латуни.
Неполадки и их устранение.
• Бледные осадки — излишки цинка или велика плотность тока. Следует добавить цианистой меди или уменьшить силу тока.
• Красные осадки — избыток меди. Необходимо добавить в ванну цианистого цинка.
• Бледные осадки и бурное газовыделение — избыток циана. Следует небольшими порциями добавлять в ванну обе соли, предварительно растворив их в воде.
Никелирование. Никелевые защитно-декоративные покрытия применяют очень широко как в технике, так и в художественных изделиях из металла благодаря следующим достоинствам: красивый внешний вид; легко принимают полировку.
Толщина покрытия в зависимости от условий работы для изделия установлена следующая: а) при легких условиях (закрытое сухое, отапливаемое помещение) медный подслой—10 мкм, слой никеля — 5 мкм; б) при средних условиях (на открытом воздухе) подслой меди — 20 мкм, слой никеля—10 мкм. Наиболее прочно никелевое покрытие на меди или латуни; на стали осажденный никель держится непрочно, поэтому применяют многослойные покрытия, т. е. поверхность стального изделия сначала омедняется, а затем полируется и никелируется.
Состав электролита:
Сернокислый никель NiS О 4 —140 г/л
Сернокислый магний MgSO 4 — 30 г/л
Сернокислый натрий Na 2 S О 4 — 50 г/л
Борная кислота Н 3 ВО 3 — 20 г/л
Хлористый натрий NaCl — 5 г/л
Температура электролита 20—30°; плотность тока 1 А/дм 2 . Скорость осаждения: слой толщиной в 1 мкм осаждается за 5 мин.
Основной химикат — это сернокислый никель, но из одной этой соли нельзя сделать ванну, так как такая ванна очень плохо проводит ток. Для лучшей проводимости тока применяют сернокислый натрий и сернокислый магний.
Для регулирования постоянной кислотности (ванна имеет тенденцию делаться щелочной) используют борную кислоту.
Для облегчения растворения анодов и защиты их от пассивирования служит хлористый натрий.
Неполадки в работе и их причины:
• Предметы не никелируются — а) слабый ток, б) ванна холодная (ниже 15 0 ): необходимо усилить ток или подогреть ванну.
• Слой никеля темный с пятнами — а) ванна недостаточно кислая— добавить борной кислоты (осадок отсвечивает желтым цветом); б) ванна слишком концентрированна—разбавить водой (на анодах зеленые кристаллы); в) ванна недостаточно электропроводна — добавить сернокислого магния или сернокислого натрия; г) ванна бедна металлом — добавить сернокислого никеля; д) плохая подготовка и обезжиривание —протереть изделие венской известью.
• Отслаивание, растрескивание и хрупкость осадка—а) плохая подготовка; б) низкая температура ванны; в) ток слишком велик (подгар на углах и выступающих частях — серый цвет); г) велика кислотность — нейтрализуется аммиаком.
Никелевые покрытия применяют главным образом для отделки изделий интерьерного характера; они заменяют серебрение. Никелевые покрытия очень декоративны, они имеют серебряный цвет с теплым желтоватым оттенком (в отличие от хрома — холодный голубовато-сероватый оттенок). Их с успехом применяют для меди и ее сплавов, стали и в последнее время для алюминия.
Хромирование. Покрытие хромом занимает особое место среди гальванических процессов. Нет ни одной отрасли техники, где бы не применялось хромирование. Это обусловлено следующим:
• высокая твердость хромовых покрытий, превосходящая твердость закаленной стали;
• жаростойкость и прочность против химической коррозии;
• в художественных изделиях хромирование, кроме указанных причин, обусловливается и красивым блеском и холодным серо-голубым цветом хромового покрытия.
Практика покрытия хромом — самая сложная из всех гальванопокрытий, так как она имеет следующие особенности:
• очень плохая рассеивающая способность электролита, т. е.плохо покрывает углубление;
• требуется высокая плотность тока — от 35 до 60 А на квадратный дециметр (обычно для других покрытий плотность тока не превышает А —5 А/дм 2 );
• вместо обычных растворимых анодов применяют нерастворимые свинцовые или свинцово-сурьмяные, которые при электролизе помогают проводить ток, а хром осаждается полностью из раствора.
Для декоративных покрытий применяют обычно хромирование по медно-никелевому подслою; слой меди цианистой толщиной 3 мкм, слой меди кислой—12 мкм, слой никеля—10 мкм, всего 25 мкм, слой хрома— 1 мкм.
Перед хромированием медно-никелевый подслой тщательно полируют.
Состав ванны:
Хромового ангидрида СгО 3 — 300—350 г/л
Серной кислоты H 2 SO 4 — 3—3,5 г/л.
Температура хромирования 40°, плотность тока 15—20 А/дм 2 . Суммарная поверхность анодов должна быть меньше катодной в два раза,
Неполадки ванн хромирования и их устранение.
1. Хром не осаждается в углубленных местах — а) недостаточна плотность тока; б) избыток серной кислоты.
Чтобы увеличить плотность тока в углубленных местах, дают толчок тока на одну минуту, т. е. увеличивают плотность тока в два-три раза больше нормальной, а затем снижают ее до нормального размера.
2. Матовый или пригорелый осадок, особенно на выпуклых местах,— а) велика плотность тока; б) запассивировались аноды; в) изделия завешены под током без предварительного подогрева их в электролите.
Устранение недостатков: а) увеличить расстояние между анодом и катодом или применить защитные катоды; б) запассивированные аноды протравить в соляной кислоте и зачистить стальной щеткой; в) перед включением тока детали прогреть в электролите.
• Темные полосы и точки на осадке или темный осадок сплошь — недостаток серной кислоты.
Серебрение. Серебрение применяют в ювелирном деле, в производстве столовых приборов и т.п. Толщину серебряного покрытия берут различной, в зависимости от назначения. Для столовых приборов 15—30 мкм; для ювелирных изделий и галантереи — 60— 100 мкм. Стальные изделия перед серебрением омедняют на толщину 30—50 мкм. Серебрение производится в бесцианистых ваннах следующего состава:
Серебра хлористого AgCl — 6—8 г/л
Желтой кровяной соли Ka 4 Fe ( CN ) 6 — 18 г/л
Кальцинированной соды Nа 2 СО 3 — 18 г/л
Плотность тока 0,1—0,3 А/дм 2 , температура 18—25°.
Аноды применяют или из чистого серебра или угольные; наращение ведут два-три раза, в промежутках изделие обрабатывают мягкой латунной крацовочной щеткой со слабым раствором поташа или кваса (с обязательной тщательной промывкой после крацования в проточной воде).
Перед серебрением детали полезно амальгамировать, т. е. покрывать ртутью (50 г азотнокислой ртути на 10 л воды).
Цвет осажденного серебра снежно-белый. Хранить и применять электролит следует в темноте под крышкой или при красном свете. В свежей только что составленной ванне осаждение идет без тока.
Неполадки:
• Отслаивание осадка — плохая подготовка.
• Желтоватые или розовые осадки — присутствие меди.
Золочение. Золочение - это наиболее красивый и дорогой способ отделки художественных изделий из металла; применяется в основном в ювелирном деле. В прошлом золотили и крупные изделия— посуду, бра, люстры, решетки и т. д.
Стальные изделия перед золочением покрывают медью толщиной 30—50 мкм. Толщина золотого слоя — 2—5 мкм, редко 10— 20 мкм. Производится в бесцианистых ваннах.
Состав электролита и режим работы:
Хлорного золота AuCl —2—3 г/л
Желтой кровяной соли Ka 4 Fe ( CN ) 6 — 7,5 г/л
Кальцинированной соды Nа 2 СО з — 7,5 г/л
Плотность тока 0,1—0,2 А/дм 2 ; температура — 60—80° С.
Аноды — чистое золото, платина, уголь (сталь). Для получения матовой или полированной поверхности изделия его соответственно матуют или полируют ручным полировником. Интенсивность цвета осадка зависит от плотности тока, которую удобно регулировать большим или меньшим погружением анода в электролит.
Неполадки:
1. Бледные осадки — а) недостаток в электролите золота; б) низкая температура ванн; в) малая плотность тока.
2. Красноватый цвет — а) высокая концентрация золота в ванне; б) высокая температура ванны; в) наличие в ванне меди.
3. Зеленоватый оттенок — присутствие серебра в ванне.
