Меню

Осаждение металлов электрическим током

Гальванопластика металлов

Гальванопластика — электрохимическое осаждение металла на поверхность изделия в процессе электролиза.
Принцип электрохимического осаждения металла применяется также при восстановлении пластин аккумуляторов. При гальванопластических работах используются неметаллическая форма с электролитом и источник тока. Металл методом гальванопластики можно нанести на выработанную поверхность металлических деталей, провести восстановление изношенного изделия или нанести металл даже на неметаллические изделия. Формы для отложения металла готовят из гипса, парафина или пластических масс.

Предварительно форму покрывают электропроводящим графитом или бронзовым порошком.
Гальванопластические работы проводят в стеклянных или пластмассовых сосудах соответствующего изделию объёма.
В состав гальванической установки входят: сосуд для проведения электролиза и источник постоянного тока с приборами контроля процесса электролиза.

Важно при проведении гальванопластики подобрать химический состав и температуру электролита. При использовании медного электролита его готовят в количестве 150-180 г медного купороса на один литр воды с добавлением, для повышения электропроводности, 20-25 гр. серной кислоты плотностью 1,4-1,6 г/см.куб. Для повышения качества осаждённой меди можно добавить спирт в количестве 8-10 гр./л. В электролите не должны присутствовать органические включения, вредно влияющие на работу электролита.

Химические составы электролитов для бронзирования, золочения, серебрения, омеднения несколько отличаются друг от друга, но в их составе обязательно присутствует кислота, вода и сульфаты или нитраты наносимых металлов.

Источник постоянного тока для выполнения электролиза выполняется на напряжение 3-16 вольт при токе до 10 ампер. Использование для восстановления и нанесения металлов заводских устройств зарядки аккумуляторов с диодным выпрямителем и простым регулятором тока неоправданно, так как требует постоянный контроль за температурой электролита, при его повышении вручную уменьшать плотность тока, снижая скорость осаждения металла. Повышение температуры при электролизе приводит к ухудшению качества осаждённого металла, кипению электролита, с выделением взрывоопасной смеси сероводородного газа и кислорода. В помещении без вытяжки проводить гальванопластические работы практически невозможно и запрещено.

Метод электролиза апробированный при восстановлении аккумуляторов импульсным током обеих полярностей позволяет проводить качественную гальванопластику, в более короткое время, с поддержанием рабочей температуры и отсутствием газовых выделений продуктов электролиза. В основу разработанной технологии гальванопластики лежит импульсный метод восстановления аккумуляторов предложенный лабораторий «Автоматика и связь» Иркутского Центра ДТТ в 2003 году на выставке ЭКСПО-2003 в г.Москве, технология получила высокую оценку жури с получением трёх дипломов ЮНЕСКО.

Характеристики электролизёра гальванопластики:
Напряжение сети 220 Вольт.
Напряжение на электролизёре 3-16 Вольт.
Ток катодный 1-10 Ампер.
Ток анодный 0,1- 0,5 Ампера.
Форма токов импульсная.
Частота импульсов 10-60 Гц.
Время нанесения металла 5-20 часов.

Импульсный режим позволяет сократить время нанесения металла, снизить температуру до внешней температуры помещения. Выделение смеси сероводорода и кислорода в процессе электролиза ничтожно, на уровне испарения и не требует установки мощных вытяжных устройств, так же не требуется установка мощных источников тока. Снижение времени электролизного нанесения металла при повышенном напряжении и высокой амплитуде импульсного тока позволяет ускорить процесс гальванопластики, снизить время и температуру. Мощный импульс тока увеличивает прочность нанесенного металла.

Для улучшения свойств осаждённого покрытия введено катодно – анодное соотношение токов, как и при восстановлении пластин аккумуляторов должно варьироваться с 1/10 до 1/2 тока катода, то есть анодный ток ниже катодного тока в 2 -10 раз.

Важно, чтобы в начальный период нанесения металла катодный ток превышал анодный в два раза, а в конце электролиза в 8- 10 раз, внутренние напряжения в покрытии металла будут нарастать постепенно, а отсутствие внутренних напряжений обеспечит надёжное сцепление покрытия с изделием.

Износостойкость и плотность нанесённого металла растет во внешних слоях с постепенным ростом катодного тока.
Изделие в схеме должно иметь отрицательный потенциал — катод, растворяемый электрод — анод, положительный потенциал.

Схема электролизёра гальванопластики

В состав электронной схемы электролизёра входит: генератор прямоугольных импульсов на микросхеме DD1, реле времени на счетчике DD2 и таймер управления и поддержания токов восстановления на м/с DA1. Генератор прямоугольных импульсов на таймере DA1 автоматически устанавливает скважность импульса тока восстановления в зависимости от времени. Ключи анодного и катодного тока выполнены на полевых транзисторах VT1, VT2.

Индикация состояния схемы контролируется с помощью светодиодов HL1-HL3 и стрелочных гальванометров: амперметра — РА1 с током шкалы 5 ампер и вольтметра — PV1 на напряжение 15 вольт постоянного тока. Для питания схемы электролизёра гальванопластики не требуется выполнять отдельный блок питания, в данной конструкции применён источник питания от компьютеров мощностью в 350-450 ватт, разнополярные источники тока позволяют использовать блок питания без переделок. Внутренние функции защиты от короткого замыкания и стабилизация выходного напряжения БП ПК дополняют функциональные возможности схемы электролизёра.

Печатная плата управления электролизёром установлена на задней стенке блока питания с креплением на стойки.

Микросхема DD2 — К561ИЕ16 содержит 14- разрядный асинхронный счётчик (счётчик пульсаций), дающий на своих выходах Q0-Q13 16384 двоичных отсчётов. Счётчик имеет выходной каскад, формирующий тактовые импульсы и сбрасывает выходные сигналы в нуль при напряжении высокого уровня на входе сброса R.
Содержимое счётчика увеличивается в соответствии каждому отрицательному перепаду тактового импульса генератора на м/с DD1, логические элементы DD1.1 и DD1.2 которой используются в режиме генерации прямоугольных импульсов. Резистором R1 можно изменить время импульса — время восстановления изделия.

Для автоматической остановки отсчета времени используется вывод 6 м/с DD1, при появлении высокого уровня на старшем разряде 3 DD2 — счётчика пульсаций, генератор прекращает работу.
Частота и скважность импульса зависит от значения R1,R2,C2, данные значения позволяют на выходе 3 счётчика DD2 получить время между сменой уровней с низкого на высокий от 2 до 10 часов.

Предыдущие выходы счётчика Q10,Q11,Q12 включаются на высокий уровень, каждый через определённое время, что даёт возможность регулировать уровень катодного тока в установленным резистором R1 временем, без изменения анодного тока,то есть изменять отношение тока катода к току анода. Использование четырёх выходов счётчика Q10-Q13 позволяет увеличить время восстановления, суммируя счёт выходов Q10 с Q11, Q12 с Q11 и Q10, Q13 c Q12,Q11,Q10.При нулевых уровнях на выходах Q10-Q13 счётчика DD2 резисторы R4-R7 шунтируют напряжение на подстроенном резисторе R9, что ведёт к почти полному снижению катодного тока восстановления, связанное с увеличением частоты генератора на таймере. При появлении на выходах Q10-Q13, в результате счёта, высоких уровней, снижает уровень шунтирования резистора R9 и катодный ток возрастает до максимального значения.

Изменяя напряжение на выводе 5 таймера DA1 — прямого доступа к точке делителя с уровнем 2/3 Uп мы изменяем уровень опорного напряжения верхнего компаратора и тем самым получаем модификацию схемы. Снижение опорного напряжения приводит к увеличению частоты генерации таймера, без изменения скважности, так как время разряда конденсатора С4 через внутренний транзистор микросхемы DA1 не зависит от состояния напряжения на выводе 5 м/с DA1 и значения сопротивлений R10,R11.

Делитель напряжения, основанный резисторами R8,R9 создаёт уровень напряжения на выводе 5 DA1, который увеличивается по мере возникновения на выходах счётчика DD2 высоких уровней. Резисторы R4-R7 из процесса шунтирования последовательно исключаются, напряжение на выводе 5 DA1 растёт и это приводит к снижению частоты таймера и увеличению катодного тока восстановления, то есть начальный небольшой катодный ток возрастает за полное время до максимального тока,что положительно повлияет на качественные показатели осаждённого металла. Диоды VD1-VD4 препятствуют прохождению обратного тока при превышения напряжения на выходах счётчика DD2.

Через установленное время на старшем выводе 3DD2 появится высокий уровень, который запретит работу генератора на микросхеме DD1. При необходимости счёт можно сбросить или продолжить кратковременным нажатием кнопки «Сброс», те же действия можно выполнить при кратковременное отключении источника питания.

Читайте также:  При таком подключении полупроводник способен проводить электрический ток

Микросхема DA1 представляет собой аналоговый интегральный таймер, используется для регулирования катодно- анодного тока и автоматического поддержания температуры электролита.
В состав таймера входят: два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов; RS- триггер; выходной усилитель для повышения нагрузочной способности и внутренний ключевой транзистор с открытым коллектором.

Назначение выводов таймера DA1: 1,8 – питание; 2,6 – вход нижнего и верхнего компаратора микросхемы; 3- выход с током до 200 ма; 4- сброс триггера; 5- контрольное напряжение; 7 — вывод коллектора транзистора, эмиттер которого подключен к минусу источника питания, в схеме используется как вспомогательный вывод с током до 100ма. Длительность положительного импульса с вывода 3DA1 зависит от номиналов R10,R11,C4. Т1 = 0,69С4 (R10+R11). Длительность импульса низкого уровня c вывода 7 DA1 Т2= 0,69 С4 R13.

Частота зависит F= 1/T1+T2. Для начальной установки отношения тока катода электролизёра к току анода установлены переменные резисторы R11, R13, резистором R9 задаётся минимальный уровень катодного тока в начале восстановления. Диод VD5 исключает влияние резистора R11 – регулятора тока катода, на ток анода.

Питание микросхем DD1,DD2, DA1 выполнено от аналогового стабилизатора DA2. Диод VD6 в общем выводе микросхемы DA2 устраняет питание микросхем DD1,DD2,DA1 при неверной полярности напряжения источника питания. Питание транзисторных ключей VT1,VT2 выполнено от источников минус 12 вольт и плюс 12 вольт блока питания компьютера. Полевые транзисторы установлены разного типа, для регулирования катодного и анодного тока электролизёра. Общий ток восстановления контролируется амперметром РА1, напряжение на электролизёре проверяется вольтметром PV1. Анодный ток понижен резистором R17 до максимального уровня в один ампер.

Для индикации полярности и перегрузки электролизёра установлены световые индикаторы HL2,HL3. Индикатор HL1 указывает на рабочее состояние микросхем. При перегрузке тока на сопротивлении R19, в цепи стока транзистора VT2, возникает напряжение, достаточное для зажигания светодиода HL3- «Авария».

Радиокомпоненты схема электролизёра гальванопластики соответствуют таблице №1.

Источник

Электрохимическое покрытие и осаждение металлов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Электрохимическое осаждение металлов относится к самым старым способам повышения качества поверхности изделия. В промышленности оно, будучи основой гальванотехники, развивалось почти исключительно эмпирически и нашло применение в большинстве отраслей народного хозяйства благодаря чрезвычайно широким возможностям использования легко видоизменяемых методов осаждения.

К сожалению, научные основы большинства методов электрохимического осаждения разработаны еще недостаточно. Имеется множество эмпирических описаний процессов. Между тем почти полностью отсутствуют надежные данные для количественного описания реакций, впрочем, довольно сложных, определяющих ход технологии и обусловливающих формирование определенных свойств осаждаемых покрытий. Разработка этих научных основ стала возможной только в последние десятилетия в связи со значительным прогрессом в областях электрокристаллизации, физики твердого тела и массопереноса в жидкостях. Несмотря на большое число исследований, проведенных в последние годы в области гальванотехники, еще нет оснований говорить о создании достаточных основ для научного подхода к проблемам промышленной практики электрохимического осаждения металлов, например таких, которые позволили бы заранее рассчитывать оптимальные варианты решения конкретной практической задачи. Такое отставание, бесспорно, существенно препятствует разработке и дальнейшему совершенствованию технологических процессов.

Предлагаемый раздел в первую очередь предназначается для разъяснения процессов, лежащих в основе технологических методов, что в настоящее время необходимо во всех областях их применения. Здесь нет возможности подробно рассматривать множество рецептур, технологических рекомендаций и экспериментальных фактов, по которым и без того уже имеется достаточная литература. Ввиду краткости изложения при упоминании, безусловно, необходимых для понимания происходящих процессов основных положений из области физической химии, электрохимии и металловедения приходится ограничиться ссылкой на имеющиеся учебники и монографии.

Обширная область специальных химических методов анализа, измерений и контроля качества полученных слоев здесь тоже не может быть охвачена.

В соответствии со сформулированной выше целью понятно, что изложение в основном сосредоточивается на взаимосвязях между химическими, электрохимическими и физическими явлениями, лежащими в основе технологических процессов, технологическими режимами и свойствами получаемых покрытий. Описание специфических технологических процессов, оборудования и агрегатов будет ограничено лишь немногими типичными примерами.

Общее описание процесса

Типичные этапы технологического процесса электролитического осаждения металлического покрытия схематически представлены в табл. 3.1.

Рабочий процесс в механизированных и автоматизированных агрегатах обычно осуществляется при загрузке в ванну металлических изделий или же при непрерывном прохождении через ванну проволоки или полосы. Обзор действующих при нанесении покрытия химических, физических и электрохимических процессов, представлен в табл. 3.2.

В зависимости от условий нанесения покрытия определяющим для всего процесса может быть какой-либо один из этих частных процессов или же сочетание нескольких из них; они оказывают соответствующее влияние на структуру и свойства получаемых слоев покрытия. В простейшем случае весь процесс представляет собой только сочетание электрохимической реакции с кристаллизацией, причем главным этапом является электрокристаллизация. Поэтому целесообразно уделить электрокристаллизации основное внимание, а другие процессы и явления рассматривать только в аспекте того прямого или косвенного влияния, которое они оказывают на электрокристаллизацию.

Электрохимические основы

Для облегчения понимания и для пояснения часто используемых терминов далее кратко излагаются важнейшие основные закономерности электрохимического осаждения металлов.

Массообмен при электрохимических реакциях

Для любой электрохимической реакции, обобщенно записываемой в виде, в соответствии с законами Фарадея справедливы соотношения,

Следует учитывать правило знаков, согласно которому стехиометрические коэффициенты vj для вещества — участника реакции, перемещающегося в направлении анода, считаются отрицательными, а для вещества, движущегося в направлении катода,— положительными. Аналогичным образом и току в направлении анода присваивается положительный знак, а в направлении катода — отрицательный.

Количество электричества AQ, подведенное к системе, в общем случае соответствует интегралу силы тока по времени:

При постоянном токе неизменной силы это выражение упрощается и принимает вид AQ = IAt.

Выход по току определяется как отношение количества электричества, расходуемого по номинальной (теоретической) реакции AQhom, к общему количеству фактически израсходованного электричества AQобщ:

Если номинальная реакция принята произвольно и не соответствует фактическому протеканию суммарной реакции, то следует говорить о кажущемся выходе по току. Это приходится делать прежде всего тогда, когда через рассматриваемый электрод проходят также местные токи, вызывающие значительный массообмен. Изменение толщины слоя AXj, произошедшее за время при постоянной плотности то а для соответствующей номинальной реакции со средним выходом по току Aj, определится формулой

Дифференцированием уравнений по dt можно получить соответствующие дифференциальные выражения.

3.1.2.2. Химические и электрохимические равновесия

Химическое равновесие описывается константой равновесия,

относящейся к соответствующей реакции. Ввиду отсутствия данных о соответствующих коэффициентах активности в большинстве случаев приходится пользоваться приближенной величиной К, которая, впрочем, уже не является не зависящей от состава системы. Аналогичные по смыслу выражения могут быть применены для электролитической диссоциации, гидролиза и для комплексообразования. Для растворения ионогенного вещества величина К соответствует произведению растворимости L.

Для нормированной разности потенциалов на границе раздела фаз электрода, на котором для какой-либо электрохимической реакции установилось термодинамическое равновесие, т. е. действует обратимый потенциал, используют обобщенное уравнение Нернста.

Стандартный (нормальный) потенциал е° соответствующей электрохимической реакции определяется как разность между обратимыми потенциалами этой реакции и реакции образования водорода Н2 = 2Н + + 2е — при той же температуре, если активности всех участвующих веществ равны единице.

3.1.2.3. Кинетика электрохимических реакций

Скорость какой-либо реакции перехода на границе раздела фаз может быть описана суммой составляющих плотностей тока — анодной и катодной.

Произведения активностей распространяются только на вещества JА и JК действующие в качестве участников реакции в направлении ее протекания. Ввиду отсутствия значений соответствующих коэффициентов активности в большинстве случаев целесообразно принимать приближенное уравнение с величинами kА и kК.

Читайте также:  Основное средство защиты от переменного тока

Для представления функции плотность тока — потенциал (поляризационная кривая) в полулогарифмических координатах (lg j — е) вводятся видоизмененные коэффициентыв показателях степени и характеризующие подъем кривой (табличная прямая):

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Источник



Лекции 13. Электролитическое осаждение и рафинирование металлов

date image2015-05-12
views image4067

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Электролитическое осаждение — процесс выделения металла на катоде при прохождении через раствор (электролит) постоянного тока. Обычно электролитами служат такие растворы, в которых металл присутствует в виде сульфата или хлорида, находящихся в диссоциированном состоянии: MeSO4Ме 2+ + SO4 2- . Часть молекул воды тоже диссоциирует Н2О ↔ Н + + ОН — . Находящиеся в растворе ионы под действием электрического тока движутся к электродам: положительно заряженные ионы (катионы) направляются к электроду, соединенному с отрица­тельным полюсом источника тока — к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к положительному электроду, аноду. На электродах ионы теряют заряд, выделяясь в виде атомов (молекул), или образуют химические соединения.

Закон Фарадея. Закон Фарадея устанавливает, что при разложении различ­ных соединений одним и тем же количеством электричества на электродах выделяются количества вещества, пропорциональ­ные их электрохимическим эквивалентам: , где: т — количество выделенного на электроде вещества, мг; I — сила тока, а; t — время прохождения тока, сек; q — электрохимический эквивалент (количество вещества выделяемого одним кулоном электричества — током в 1 а в течение 1 сек).

Для выделения грамм-эквивалента любого иона через электролит необходимо пропустить одно и то же количество электричества, равное 96520 к. Это число называют числом Фарадея и обоз­начают — F. Подставляя значение электрохимического эквивалента, получаем: .

Выход по току и коэффициент использования энергии. При электролизе часть тока расходуется непроизводительно. На катоде может выделяться не только металл, но и водо­род. Образовавшийся катодный осадок может подвергаться окислению и растворяться. При электролизе неизбежна некото­рая утечка тока. Указанные причины сниженают выход по току, который определяется отношением количества фактически отложившегося на катоде вещества к тому количеству вещества, которое соответствует прошедшему через электролит количеству электричества: , где: — количество вещества, практически отложившееся на электроде; — теоретическое количество отложенного вещества.

При электролизе около электродов собираются продукты электролиза и образуется гальванический элемент, дающий ток в обратном направлении. Электродвижущая сила такого тока называется электродвижущей силой поляризации. В результате возникновения электродвижущей силы поляризации электролиз может прекратиться, если не увеличить напряжения на электродах. Минимальное напряжение внешнего источника тока, которое необходимо приложить к электродам, чтобы началось разложение электролита, называется напряжением разложения.

Таким образом, не вся электрическая энергия расходуется на электролиз; часть ее идет на преодоление сопротивлений и прочие неизбежные потери. Поэтому важным показателем элек­тролизной установки является коэффициент использования энергии.

Коэффициент использования энергии — отношение количества энергии, теоретически необходи­мого для электролиза , к израс­ходованному количеству энергии : .

Энергия, теоретически необходимая для получения при электролизе единицы массы металла, определяется умножением количества электричества, необходимого для осаждения металла, на напряжение разложения: .

Катодный процесс. На катоде разряжаются катионы: Ме 2+ + 2е = Me.Процесс присоединения электронов называется восстановитальным. В результате приведенной реакции образуется осадок, формирование которого идёт в 3 стадии: 1) адсорбции иона на поверхности катода; 2) разряда иона; 3) образования кристаллической решетки и роста кристалла.

В зависимости от режима электролиза металлы могут осаждаться или в виде плотного осадка равномерной толщины, или в виде порошка, или в виде рыхлого кристаллического слоя (губчатые осадки). Иногда образуются древовидные отростки, назы­ваемые дендритами.

Рисунок 13.1 – Зависимость ή от Dk и Т

При электролитическом осаждении металла стараются получать плотный осадок, равномерного строения. В некоторых случаях получениют порошкообразные катодные осадки. На качество катодного осадка влияет введение в электролит коллоидов (желатины, столярного клея), которые адсорбируются поверхностью растущих на катоде кристаллов, обволакивают кристаллические центры и препятствуют их дальнейшему росту; поэтому катодный осадок получается мелкокристаллической структуры. Адсорбируемый слой коллоидов концентрируется на выпуклостях, имеющихся на катодной поверхности, и, препятствуя их дальнейшему росту, способствует выравниванию поверхности катодного осадка.

Присутствующие в растворах ионы водорода могут разряжаться на катоде вместе с ионами металла, если потенциал выделения водорода равен или меньше потенциала выделения металла. Потенциал выделения водорода зависит от материала катода, от состояния его поверхности. Наименьший потенциал выделения водорода наблю­дается на губчатой платине. Зависимость перенапряжения водорода от плотности тока может быть выражена эмпирическим уравнением Тафеля: , где: — плотность тока; а и b — постоянные (а зависит от материала элек­трода, состояния его поверхности, состава электролита и тем­пературы, b расчитывается по формуле: ).

Для выделения водорода со скоростью, соответствующей плотности тока, требуется дополни­тельная затрата энергии на восстановление иона водорода: Н + + ē → Н, чтоприводит к перенапряжению . различен на различных ме­таллах, некоторые металлы катализируют реакцию.

С увеличением возрастает, с повышением Т — уменьша­ется (рисунок 1). Образование Н2 слагается из следующих стадий: 1) дегидратация ионов водорода, 2) разряд ионов водорода, 3) образования моле­кул водорода на поверхности катода; 4) отрыва пузырьков водорода с катода и выделения их в газовую фазу. Эта цепь процессов может быть изображена следующей схемой: Н3О + → Н + → → → Н2↑. Последняя стадия — выделение образовавшегося на катоде водорода — протекает тем успешнее, чем меньше поверхностное натяжение на границе жидкость — газ и чем оно больше на гра­нице электрод — жидкость.

Выделение электроположительных ме­талов про­исходит без особых затруднений, осаждение же электроотрицательных металлов идет успешно только при малых концентрациях водо­родного иона в электролите или при высоком перенапряжении водорода. Катодное осаждение кадмия и цинка возможно потому, что водород на них выделяется со значительным перенапряжением.

Прибавление в электролит коллоидов увеличивает перенапряжение водорода.

Анодный процесс. На аноде происходит разряд аниионов. При электролизе сернокислых растворов к аноду идут ионы гидроксила и кислотного остатка. Из этих двух ионов разряжаться на аноде будет тот, у которого потенциал более электроотрицательный, т. е. ион гидроксила. Так как гидроксильная группа после потери заряда неустойчива, то раз­ряд иона гидроксила сопровождается образованием воды и вы­делением кислорода у анода: 4ОН — — 4е = 2Н2О + О2.

В кислых электролитах происходит разряд молекул воды: Н2О — 2е = 2Н + + 0.5О2.

При высокой плотности тока осадки получаются крупнокристалли­ческими, непрочно связанными с поверхностью катода, при низкой — мелкокристаллические, плотно пристающие к катоду.

На характер катодного осадка значительно влияет присутствие различных загрязнений в электролите. Одни примеси способствуют образованию древовидных наростов, другие приводят к получению дырчатых катодных отложений.

Из более концентрированных растворов получают катодные осадки плотные и мелкокристаллические; с понижением концентрации электролита осадок становится все менее плотным, наконец, рыхлым и даже порошковидным, легко осыпающимся с катода.

Источник

Осаждение металлов электрическим током

Тема : Восстановление деталей электролитическими способами

План:

1.Сущность и режимы процесса.

2. Основное содержание технологического процесса.

3. Совершенствование технологических приемов получения электролитических покрытий.

1.Сущность и режимы процесса.

В основе процесса «Электролитическое наращивание» Лежит электролиз.

Электролиз — электрохимический процесс (электролиз металлов), протекающий между анодом и катодом (деталью) в электролите (водном растворе соли, кислоты или щелочи) и сопровождающийся выделением на катоде металла (рис.1, 2).

Принципиальная схема процесса электролитического наращивания

Рис.1. Принципиальная схема процесса электролитического наращивания.

Схема электрохимического осаждения металла

Рис. 2. Схема электрохимического осаждения металла:

1—ванна; 2 — Анодная штанга; 3 — Крюк (подвеска) для завешивания анода;

Читайте также:  Проверочная работа по теме постоянный ток по проводнику течет постоянный ток

4 — катодная штанга; .5 —крюк подвеска для завешивания детали (катода);

6 — ионы металла (катионы); 7 — покрытие; 8 — Анод; 9 —- деталь (катод).

При прохождении постоянного тока через электролит на аноде 3 происходит растворение металла (переход его в электролит) и выделение кислорода, а на катоде 9 (деталь) — отложение металла и выделение водорода.

Электролитические покрытия Предпочтительнее наплавки, так как:

· процессы гальванического осаждения металла не вызывают структурных изменений в деталях,

· позволяют устранять незначительные износы,

· легче поддаются механизации и автоматизации,

· можно получать равномерные по толщине покрытия с широким диапазоном твердости (от 1000 до 12000 МПа), что позволяет восстанавливать большую номенклатуру деталей, значительно от-личающихся конструктивно-технологическими характеристиками и условиями эксплуатации,

· одновременно можно восстанавливать значительное количество деталей,

· применяемые электролиты можно использовать многократно,

· технологический процесс легко поддается механизации и автоматизации.

Недостатки электролитического наращивания:

· сравнительно низкая производительность процесса,

· большой цикл подготовительных операций,

· значительное выделение вредных веществ (хлор, кислотные испарения и т, п.).

Наибольшее распространение получили осталивание (железнение), хромирование, никелирование, меднение, нанесение электролитических сплавов.

Краткая характеристика основных способов электролитического наращивания.

Железнение:

— высокая производительность наращивания (скорость осаждения металла 0,2…0,5 мм/ч),

— толстые осадки (до 2 мм и более),

— высокие физико-механические свойства,

— недорогие и недефицитные материалы,

— себестоимость восстановления – 30…50% от стоимости новой детали при одинаковой износостойкости.

— высокая твердость, жаростойкость, износостойкость покрытий, низкий коэффициент трения;

— осадки хрома обладают повышенной хрупкостью и плохой прирабаты-ваемостью;

— процесс чувствителен к изменениям температуры электролита и плотности тока,

— электролит нестабилен по составу и требует корректировки в процессе электролиза.

Увеличивает износо — и коррозионную стойкость деталей, улучшает внешний вид.

Никелирование:

— высокая твердость, жаростойкость, износостойкость покрытий, низкий коэффициент трения;

— электролит нестабилен по составу и требует корректировки в процессе электролиза,

— высокая себестоимость восстановления.

Применятся для защитно-декоративных целей, как подстилающий слой при декоративном хромировании, а иногда для повышения изностойкости и восстановления деталей – поршневых колец, пальцев, плунжеров и т. п.

Режим процессов электролитического наращивания Определяется следующими основными показателями:

· состав электролита (г/л)

· плотность тока, А/дм2

· выход по току (к. п.д.), %.

Таблица 1. Примеры режимов электролитического наращивания

Вид электролитического наращивания.

Плотность тока, А/дм2

Аскорбиновая кислота — 0,5…2.

Хромовый анги-дрид — 120…150,

Серная кислота – 1,2…1,5.

Щавелевокислый алюминий – 300, Сернокислый никель – 140,

Хлористый натрий – 10.

Подробнее о режимах железнения и хромирования см. [1 с.126 – 133, табл. 30, 31].

2. Основное содержание технологического процесса.

Рис. 8. Структурная схема технологического процесса.

Технологический процесс нанесения электролитического покрытия состоит из трех этапов:

1) подготовка детали (деталей);

2) нанесение покрытия;

3) обработка детали (деталей) после нанесения покрытия.

Технологический процесс, показанный на схеме (Рис.8) может быть подробнее рассмотрен на примере железнения.

3. Совершенствование технологических приемов получения электролитических покрытий.

Существует достаточно большое разнообразие технологических приемов получения покрытий, позволяющих расширить области применения обычных способов, повысить их производительность и качество.

Электролитическое осаждение металлов на нестационарных режимах — реверсивном и асимметричном токе.

Процесс осаждения металла На реверсивном токе протекает по графику (рис. 20).

График получения реверсивного тока

Рис. 20. График получения реверсивного тока.

В Начальный период Деталь является катодом, и, следовательно, происходит обычное осаждение металла — катодный период, который длится tк при силе тока iк; затем изменяется полярность, Деталь становится анодом — анодный период, который длится ta при силе тока iа. В этот период происходит частичное растворение зародившихся зерен; таким образом, блокируется их рост, структура измельчается, поверхность покры-тия становится гладкой. Это позволяет применять высокие плотности тока: при хромировании 120. 150 А/дм2; при железнении— 80. 100 А/дм2, что в 2. 3 раза повышает производительность наращивания.

Применение Асимметричного тока позволяет еще больше повысить производительность процесса осаждения металла.

Асимметричный ток получают наложением переменного тока про-мышленной частоты (50 Гц) на постоянный однополупериодновы-прямленный ток. Качественные покрытия получают при очень высокой плотности тока—160. 200 А/дм2.

Безванные способы применяют для восстановления крупногабаритных деталей: коленчатых валов, отверстий корпусных деталей, цилиндров двигателей и др.

К безванному осаждению металла относятся три способа: струйный, проточный, натиранием.

При струйном способе электролит подается к детали, установленной в электролитической ячейке специальной конструкции, которая играет роль Местной ванны (рис. 21, 22).

струйный способ

Электролитическая ячейка состоит из разъемного корпуса, подводного 1 и отводного 2 патрубков для подачи и удаления электролита из зоны электроосаждения металла. Струя электролита подается к детали через отверстия насадки — анода 4, Расположенные под углом 30. 40° к радиальному направлению струи. Это способствует улучшению перемешивания электролита, что приводит к получению мелкозернистого, плотного осадка, почти полностью исключает образование дендритных зерен (игольчатых наростов металла).

Рис 21. Струйный способ наращивания металла (электролитическая ячейка для восстановления изношенной шейки коленчатого вала):

1 Подводной патрубок; 2 — отводной патрубок; 3 — зажим; 4 — анод;

5 — нижний корпус ячейки; 6 — кабель для подвода тока; 7 — верхний корпус ячейки; 8 — уплотнительная прокладка; 9 — катод (деталь).

Струйное хромирование

Рис. 22.Струйное хромирование.

В проточном электролите восстанавливают внутренние поверхности цилиндров двигателей (рис. 23) и гидроцилиндров, которые образуют местную ванну для циркулирования электролита. Он нагнетается в полость детали насосом. Расстояние между зеркалом цилиндра (катодом) и стержнем (анодом) должно быть не менее 5. 10 мм. При струйном и проточном способах восстановления деталей применяют плотность тока 180. 220 А/дм2.

Установка для безванного хромирования в проточном электролите

Рис.23. Установка для безванного хромирования в проточном электролите.

Принципиальная схема наращивания металла Электролитическим натиранием Приведена на рис. 24 (дополнительно [1 стр.131, рис.48]).

Восстанавливаемую деталь закрепляют в патроне станка и подключают к катоду источника постоянного тока 9. Электролит из сосуда 1 с помощью капельницы с краном подается к войлочному тампону 4, Закрепленному в тампонодержателе (анод).

В межэлектродном пространстве между деталью и стержнем (это собственно местная ванна) протекает электрохимическая реакция, в резуль-тате которой на детали наращивается металл.

Этим способом можно восстанавливать и внутренние поверхности (например, отверстия корпусных деталей), при этом применяют подвижный (вращающийся) анод.

Относительное перемещение анода (катода) препятствует росту зерен, структура осадка получается мелкозернистая и ненапряженная, а поверхность очень гладкая, что в отдельных случаях позволяет исключить механическую обработку покрытия.

Рабочая плотность тока при электронатирании — 150. 180 А/дм2. Производительность этого способа в 3. 4 раза выше, чем ванных.

Электролитическое осаждение металла натиранием

Рис. 24. Электролитическое осаждение металла натиранием:

1 — емкость для сбора электролита; 2 — деталь (катод); 3 — графитовый стержень (анод); 4 — тампон; 5 — пластмассовый колпачок;

6 — алюминиевый корпус; 7 — кран; 8 — резервуар с электролитом;

9 — источник тока; 10 — клемма; 11 — пластмассовая гайка;

12 — штеккер для подвода тока к аноду.

Контрольные задания и вопросы:

1.Пояснить сущность электролитического наращивания металла*.

2.Охарактеризовать положительные и отрицательные особенности восстановления деталей электролитическими способами*.

3. Охарактеризовать общее содержание режимов электролитического наращивания, привести пример*.

4. Привести структурную схему технологического процесса электролитического наращивания металла*.

5. Дать сравнительную характеристику основным способам электролитического наращивания металла: железнению, хромированию, никелированию**.

6. Изложить основное содержание технологии электролитического наращивания металлов**.

7. Охарактеризовать особенности и возможности струйных способов электролитического наращивания металлов**.

8.Охарактеризовать особенности и возможности электролитического наращивания металла в проточном электролите**.

9.Охарактеризовать особенности и возможности электролитического натирания металла**.

10.Дать сравнительную характеристику основным видам хромовых покрытий: матовый хром, блестящий хром, белый хром***.

11. Охарактеризовать особенности электролитического наращивания металлов на нестандартных режимах***.

Источник