Основные виды металлических покрытий и их свойства

ЛЕКЦИЯ 5

Электролиты и их характеристики

При электрохимической обработке в качестве электролитов применяют водные растворы солей, кислот и щелочей. Электролиты обеспечивают прохождение электрического тока в системе и требуемых химических реакций на поверхностях электродов. Протекая через межэлектродный промежуток, электролит уносит продукты растворения, поддерживая тем самым постоянство концентрации взаимодействующих частиц на всех участках межэлектродного промежутка.

Требования к электролитам.Для получения высоких технико-экономических показателей ЭХО необходимо подобрать электролит, отвечающий следующим требованиям к его составу:

— компоненты электролита, растворяемые в воде, должны хорошо диссоциировать на анионы и катионы при всех возможных вариациях технологических параметров обработки, что должно обеспечить высокую электропроводность электролита;

— электродный потенциал материала электрода-инструмента, являющегося анодом, должен быть более положителен, чем электродный потенциал катионов электролита. Это предотвращает осаждение катионов металла на электрод-инструмент и не приводит к изменению его формы, то есть не снижает точности воспроизведения на заготовке формы электрода-инструмента;

— должны быть полностью или частично исключены побочные реакции на электродах, снижающие выход по току;

— на всех участках обрабатываемой поверхности заготовки должна быть обеспечена равная расчётная плотность электрического тока;

— анодное растворение металла заготовки должно проходить только в зоне обработки, для чего электролит должен обладать высокими локализующими свойствами;

— в электролите должны присутствовать активирующие анионы, способные под воздействием тока разрушать поверхностные оксидные плёнки и тем самым обеспечивать преимущественное протекание на аноде реакции растворения;

— электролит должен иметь невысокую вязкость, облегчающую его прокачку через межэлектродный промежуток и ускоряющую тепло- и массоперенос;

— электролит должен быть безвредным для обслуживающего персонала, взрыво- и пожаробезопасным, а также должен обладать невысокой коррозионной активностью.

Электролитов универсального назначения, обеспечивающих выполнение всех перечисленных и ряда дополнительных специальных требований, создать практически невозможно. Состав и концентрацию электролита в связи с этим подбирают в зависимости от физико-химических свойств материала обрабатываемой заготовки с учётом технических требований, предъявляемых к выполняемой операции. Так, если необходимо увеличить скорость растворения, берут электролиты с большей удельной электропроводностью, а для повышения точности обработки используют электролит с пониженной электропроводностью.

Составы электролитов.Электролиты могут состоять из одного или нескольких компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные электролиты).

Характеристики электролита.К важнейшим характеристикам электролита, кроме его состава, относят концентрацию электролита, электропроводность, водородный показатель и температуру.

Водородный показатель (рН)электролита — число, характеризующее концентрацию ионов водорода в данном электролите. Водородный показатель (рН) определяют по формуле

,                                                  (4.2)

где [Н⁺] — концентрация ионов водорода в электролите, моль/л.

В нейтральной среде концентрации ионов водорода Н⁺ и гидроксил-ионов ОН^-, образующихся при диссоциации молекул воды, одинаковы и составляют: [Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7 моль/литр воды. Поэтому для нейтральных сред рН = 7. Для кислой среды, в которой концентрация ионов водорода Н⁺ больше чем гидроксил-ионов, рН< 7, а для щелочной — рН > 7. Чем больше рН отличается от 7, тем больше при прочих равных условиях электропроводность раствора.

Отклонение рН относительно оптимального значения при выполнении определённой операции ЭХО, как правило, приводит к снижению точности обработки и качества обработанных поверхностей заготовки. Эти отклонения являются следствием электрохимических и химических реакций, происходящих в межэлектродном промежутке.

Значения рН для различных электролитов колеблются в следующих пределах: для растворов кислот — 1…7, растворов солей — 6…9, растворов щелочей — 7…10.

При ЭХО нержавеющих и инструментальных сталей рН электролита поддерживают в пределах 7…8, а при ЭХО жаропрочных сплавов — в пределах 7…9. Повышение значения рН больше определённого критического его значения (рН)_крприводит к пассивации электрода-катода и резкому падению плотности тока в растворе. Электрохимическая обработка становится невозможной.

В процессе обработки электролит насыщается отходами процесса – шламом, изменяет состав, в результате чего производительность обработки падает. Для восстановления его свойств необходимо постоянно очищать электролит от шлама. С этой целью разработаны и широко используются следующие методы: центрифугирование — отделение шлама от раствора под воздействием центробежных сил; фильтрование — отделение твёрдых частиц с помощью пористых материалов; отстаивание загрязнённого электролита в специальных резервуарах; флотацию — очистку всплывших вместе с пузырьками водорода, выделяющегося при ЭХО, твёрдых частиц шлама. Для удержания частиц шлама на поверхности электролита в последний добавляют пенообразующее натриевое мыло (0,4 г на 1 литр электролита).

Концентрацию электролита характеризуют отношением массы вводимых в раствор компонентов ко всей массе раствора в процентах. Повышение концентрации ведёт к росту производительности процесса. Однако при определённой концентрации электролиты на основе солей становятся насыщенными. В растворе появляются твёрдые частицы, что приводит к нестабильности процесса и появлению примесей в покрытии. В промышленности используют электролиты с концентрацией от 5 до 50 %. Конкретные значения рекомендуемой концентрации электролита зависят от его состава и температуры. Так, при комнатной температуре предельные концентрации для ряда распространенных электролитов составляют: KCl – 25 %; NaNO₃ – 47 %; NaCl – 26 %; Na₂SO₄ – 16 %

Температура электролита. Повышение температуры раствора позволяет применять более концентрированные электролиты. При этом одновременно увеличивается электропроводность раствора и уменьшается пассивация анода. Все эти факторы позволяют использовать более высокие плотности тока и повысить производительность электрохимической обработки. Однако чрезмерное повышение температуры приводит к снижению скорости катодного осаждения материала.На практике применяют электролиты с температурой от 18 до 60 °С.

При травлении повышают температуру до 110 ⁰

Электропроводность электролита (G_эл) — важнейшая характеристика, отражающая способность электролита проводить электрический ток. Электропроводность G_эл (См) является величиной, обратной его электрическому сопротивлению G_эл = 1/R_эл, гдеR_эл — электрическое сопротивление электролита, Ом.

При расчётах режимов ЭХО удобно пользоваться значением удельной электропроводности электролита g_эл (См/м), определяемую по формуле (т.е. величину, обратную сопротивлению столба раствора между электродами площадью 1 м², находящимися на расстоянии 1 м):

                          (4.3)

где r_у.эл— удельное электрическое сопротивление электролита, Ом × м; S_эл— площадь поперечного столба электролита (площадь поверхности электрода, если он плоский), м²; l_эл— ширина столба электролита (межэлектродный зазор), м.

    Электропроводность электролита зависит от концентрации растворённых в нём компонентов и его температуры q_эл. С повышением концентрации электролитов их электропроводность возрастает. Однако при достижении предельной концентрации значение электропроводности электролитов несколько снижается. Удельная электропроводность g_эл водных растворов солей растёт и с ростом температуры q_эл. При повышении температуры электролита на 1 ^оСg_эл водных растворов солей возрастает на 2…2,5 %, водных растворов кислот — на 1…1,65 %, а водных растворов щелочей — на 2…3 %.

Наибольшее влияние на технико-экономические показатели проведения электролиза оказывают электрические параметры. К последним относят вид тока, напряжение на электродах U, (В); силу тока в цепи I, (А); плотности тока катодную и анодную (А/м²).

В современной гальванотехнике обработку ведут при большой плотности тока, которую вычисляют по формуле r_i = I/S (А/м²), где S – площадь покрываемой поверхности заготовки. Повышение плотности тока до определённых значений способствуют получению мелкозернистой структуры покрытия.Превышение оптимальных значений плотности тока r_i приводит к образованию покрытий со значительной шероховатостью и даже к осаждению металла на поверхности в виде порошка. Последнее свойство широко используют для получения электролизом порошков металлов, необходимых при производстве металлокерамических изделий.

В технологиях нанесения гальванических покрытий используют плотность тока в пределах r_i= 10…10⁴ А/м². Для каждого вида покрытия существует свой оптимальный диапазон плотности тока, определяемый материалом основы, составом электролита и другими условиями процесса. Так, при покрытии металлов оловом плотность тока выбирают в пределах r_i= 50…5000 А/м², при золочении поверхности изделия r_i = 10…30 А/м², при хромировании назначают r_i = 10³…10⁴ А/м².

    Сила тока Iнаходится в пределах 320…25000 А.

    Рассеивающая способность электролита.Одним из основных требований к покрытиям является их равномерность. Однако в связи с тем, что плотность тока в электролите и на разных участках изделия различна, толщина покрытия на поверхности разная. Наибольшие толщины покрытий имеют выступы и угловые кромки на поверхности, так как плотность тока на этих участках наибольшая. Так, при покрытии хромом плотность тока по краям заготовки возрастает до 5 раз по отношению к толщине в середине образца, соответственно этому возрастает и толщина покрытия в этих местах. Степень перераспределения тока и металла на поверхности катода в сторону большей равномерности называют рассеивающей способностью электролита. Для обеспечения выравнивания, создания равномерных покрытий на различных участках заготовки в ванне устанавливают дополнительные катоды, делают непроводящие экраны и применяют другие способы.

Микрорассеивающей способностью электролита называется способность электролита образовывать равномерные осадки на микровпадинах поверхности. Иногда применяются термины «выравнивающая» или «сглаживающая» способность. По степени выравнивания выделяют три типа электролитов (рис. 4.6).

Электролиты первой группы обеспечивают равномерное покрытие на поверхности и во впадинах. При этом высота микронеровности до и после нанесения покрытия остается постоянной Rz= Rz'(рис. 4.6, а). Такой вид выравнивания называют геометрическим.

Схема положительного или истинного выравнивания представлена на рисунке 4.6, б. В этом случае электролит характеризуется положительной выравнивающей способностью, при которой высота микронеровностей после нанесения покрытия уменьшается: Rz>Rz'. Идеальной выравнивающей способности, при которой Rz' = 0, достигнуть не удается.

Рис. 4.6. Схемы изменения шероховатости при покрытии                                     микронеровностей

В большинстве случаев нанесения покрытия шероховатость поверхности возрастает Rz<Rz' (рис. 4.6, в). В этом случае говорят, что электролит обладает отрицательной выравнивающей способностью. Следовательно, в таких случаях поверхность под покрытие должна иметь меньшую шероховатость, чем требуется получить после нанесения покрытия. Это необходимо учитывать технологу при проектировании технологического процесса. Особенно низкая выравнивающая характеристика у электролитов при хромировании изделий. Шероховатость в этом случае увеличивается в 2…3 раза. Как правило, для уменьшения влияния отрицательной микрорассеивающей способности электролитов после нанесения покрытия проводят дополнительную механическую обработку поверхности, например, полирование.

Основные виды металлических покрытий и их свойства

К основным, используемым в промышленности металлическим покрытиям, относят покрытия медью, цинком, кадмием, оловом, никелем, хромом, свинцом, серебром, золотом, покрытия из сплавов, в частности, Cu – Zn, Cu – Sn, Cr – Mo, Fe – Ni, Cr – W, Au – Sb, V – Ni – Cr. Широкое распространение получили многослойные комбинированные покрытия, обеспечивающие лучшие функциональные свойства, чем однослойные, в том числе сцепление покрытия с основой.

Цинкование— покрытие цинком. Цинкование является наиболее распространённым способом металлизации железа для защиты его от атмосферной коррозии (рис. 4.7.). Защитные свойства покрытия сохраняются даже при малой толщине слоя, а также при наличии на поверхности заготовки пор. Слой цинка со временем заметно темнеет. Этим объясняется невозможность использования цинка как декоративного покрытия. Для защиты цинкового покрытия от коррозии его покрывают оксидной плёнкой или хроматируют, то есть создают тонкую пленку из хроматных солей.

Рис. 4.7. Изделия с цинковым покрытиемихроматированием

Кадмирование— покрытие кадмием. Кадмиевое покрытие, также как и цинковое, применяют для защиты чёрных металлов от коррозии. Кадмий более устойчив к коррозии, чем цинк. Поэтому его применяют для защиты изделий, работающих в агрессивных средах, таких как морская вода. Высокая пластичность кадмиевого покрытия используется при кадмиевом покрытии резьбовых поверхностей деталей с целью обеспечения герметичности и антикоррозионной стойкости резьбовых соединений.

Оловянирование (лужение) — покрытие поверхности изделий оловом. Главные преимущества такого покрытия состоят в безвредности олова для человеческого организма и легкости пайки изделий с применением олова в качестве припоя. Покрытие оловом имеет плотную структуру и хорошо защищает металл механически. Используют это покрытие в пищевой и радиотехнической промышленности. В электрохимических технологиях нанесения покрытий олово применяют довольно редко, что объясняется его дефицитностью и высокой стоимостью.

Меднение— покрытие медью. Медные покрытия, как правило, не применяют в качестве самостоятельного гальванического покрытия ни для декоративных целей, ни для защиты стальных изделий от коррозии. Медь довольно быстро окисляется в атмосферных условиях, покрываясь карбонатами и гидрокарбонатами. К тому же повреждение покрытия приводит к интенсивной коррозии основного металла. Медные покрытия используют в качестве подслоя при никелировании, хромировании и при некоторых других процессах. Так, при цементации стальной заготовки те её части, которые не должны насыщаться углеродом, покрывают медью.

Никелирование широко применяют при защитно-декоративной отделке изделий. Это покрытие хорошо полируется, его поверхность может быть доведена до зеркального блеска, который в атмосферных условиях сохраняется длительное время. Электролитический никель в два — три раза твёрже железа, а потому никелированные изделия хорошо противостоят истиранию. Никель используют также в качестве подслоя при хромировании. При осаждении никелевых покрытий в большей мере, чем при осаждении других покрытий, требуются тщательность проведения подготовительных операций и, прежде всего, обезжиривания.

Хромирование — покрытие хромом. Хромовое покрытие характеризуется высокой химической стойкостью, твёрдостью и износостойкостью. На хром не действуют органические кислоты, сера, сероводород, растворы щелочей. Хром стоек к действию влажной атмосферы и длительное время сохраняет свой блеск. Высокая твёрдость, низкий коэффициент трения, жаростойкость и высокая коррозионная устойчивость покрытия хромом обеспечивают деталям высокую износоустойчивость. При хромировании заготовок из стали на покрываемой поверхности перед этим создают подслой меди или никеля.

Широкое распространение покрытий деталей хромом сдерживает ряд особенностей процесса хромирования, связанных с низким выходом по току, необходимостью использования очень высоких значений плотности тока при электролизе, отрицательной микрорассеивающей способностью электролитов, приводящей к значительному росту слоя покрытия на микровыступах поверхности. Эти специфические для процесса хромирования особенности приводят к высоким энергетическим затратам на проведение процесса, повышению стоимости изделий с покрытием хромом и необходимости дополнительной обработки поверхности заготовки после нанесения покрытия.

Свинцевание —покрытие поверхности свинцом. Это покрытие наносят на изделия из чёрных и цветных металлов в целях защиты их от воздействия некоторых агрессивных газов и растворов, в частности серной и сернистой кислот и их соединений. Свинцовистое покрытие характеризуется низкими твёрдостью и прочностью. Для защиты изделия от коррозии требуется большая толщина свинцовистого слоя, находящаяся в пределах от 20 до 1000 мкм.

Серебрение как процесс получения покрытия из серебрашироко применяют в гальванической практике для защитно-декоративных целей (ювелирные изделия, музыкальные инструменты и пр.), а также для повышения электропроводности деталей радио– и электроаппаратуры. Серебро обладает высоким коэффициентом отражения света (до 95 %). Поэтому серебрению подвергают фары, рефлекторы, металлические зеркала. Со временем серебряные покрытия тускнеют, а само покрытие характеризуется малой механической прочностью.

Золочение— покрытие золотом. Золотопо своим декоративным свойствам превосходит все прочие металлы. Оно характеризуется высокой химической стойкостью, но со временем тускнеет. Кроме ювелирного дела и часового производства золотые покрытия применяют и для защиты от коррозии точных приборов или отдельных их деталей. Недостатками золотых покрытий являются их малые твёрдость и износостойкость.

Таблица 4.4

Сравнительные характеристики некоторых видов покрытий

Вид покрытия	Назначение
	Защита от		Снижение трения	Адгези-онный слой	Восстановление размера	Прочие
	коррозии	износа
Al	+						450
Cr	+	+			+		450
Co	+				+		500
Ni	+				+	подслой для пайки	500
Cu	+	+			+	защита при местной т/о	1000
Латуни	+		+	+			200
Бронза	+		+				200
Zn	+						250
Au		+					850
Cd		+			Морские и тропические условия		220
Sn	+				Подслой для меди Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 425; Мы поможем в написании вашей работы! Поделиться с друзьями: 12Следующая ⇒ Мы поможем в написании ваших работ! . . © 2014-2024 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.048)