XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование элетрохимического покрытия изделий различными металлами
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Издавна люди стали использовать металлы для разнообразных областей жизни, будь то сельское хозяйство или военная деятельность. Считается обычным, когда металлическое изделие со временем портится. Очевидно, что оно неизбежно приходит в негодность не просто так. Из-за экстремальных условий, в которых прибывают изделия, может возникнуть так называемый коррозийный процесс.
Испокон веков проблема коррозии металлов существует и не даёт людям покоя. Для крупных заводов это представляется серьёзными препятствиями. Из-за коррозии металлов люди из раза в раз, вынуждены совершать замену испорченных деталей, что, в свою очередь, побуждает к немалым тратам. Но есть решение! Относительно недавно человечество открыло для себя инновационное гальваническое покрытие, которое легко позволяет эффективно защитить металл от коррозии, посредством покрытия его другим, более стойким металлом.
В настоящее время человечество стало активно применять такую защиту. Активность её применения перемещается вверх по экспоненте. Является актуальным сегодня.
Цель: исследовать электрохимическое покрытие металлов.
Задачи:
Изучить литературу по выбранной теме.
Исследовать возможность электрохимического покрытия изделий цинком, серебром.
Исследовать зависимость покрытия от концентрации электролита.
Исследовать зависимость покрытия от силы тока.
Исследовать зависимость покрытия от количества добавок.
Методы исследования:
Теоретический:
Индуктивно-дедуктивный.
Эмпирический:
Наблюдение
Описание
Эксперимент
Глава I. Теоретическая часть
1.1 Коррозия
Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.
Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:
Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металла.
Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.
С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.
Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.
1.2 Классификация покрытий
Процессы электрохимического нанесения металлических, комбинированных и неметаллических покрытий используются практически во всех отраслях техники - от металлургии и тяжелого машиностроения до микроэлектроники и нанотехнологий. С помощью электрохимических технологий, например, получают высокочистую медь, цинкуют кузова автомобилей, изготовляют печатные платы, аноды электролитических конденсаторов, золотят тончайшие контакты изделий микроэлектроники. Сейчас наиболее интенсивно развивающиеся области применения гальванопокрытий связаны с электроникой, информационными технологиями и приборостроением. При этом номенклатура покрытий с точки зрения применяемых материалов также весьма широка - от железа до родия и от чистых металлов до сложных многокомпонентных слоев. Поэтому классификация процессов может быть лишь очень приблизительной.
Самая простая классификация состоит в разделении всех покрытий на три типа - функциональные, коррозионно-защитные и защитно-декоративные.
Функциональные покрытия включают все многообразие поверхностных слоев, наносимых с целью той или иной модификации поверхности - например, увеличения твердости, поверхностной электропроводности, улучшения электроконтактных свойств, паяемости, изменения коэффициента трения (в любую сторону), увеличения износостойкости, придания электроизоляционных, магнитных или каких-либо специальных свойств.
Коррозионно-защитные покрытия наносятся для защиты поверхности тех или иных изделий от коррозии в процессе их эксплуатации либо просто в помещении, либо под открытым небом, либо в каких-то особых климатических условиях (например, морских), либо в условиях специфической химической среды, например, в щелочных растворах.
Защитно-декоративные покрытия имеют более слабо выраженную функцию защиты от коррозии, так как главной целью их нанесения является придание поверхности внешнего вида, требуемого дизайном изделия. Примером может служить золочение серебряных изделий в ювелирной практике или хромирование некоторых внешних деталей автомобиля.
Разумеется, реальные покрытия часто совмещают несколько функций. Одно и то же покрытие может, например, одновременно и служить для защиты основы от химической коррозии, и повышать износостойкость поверхности. В любом случае, основной целью нанесения традиционных покрытий является изменение каких-либо свойств поверхности, в том числе внешнего вида.
1.3 Выбор материала
1. Обеспечение возможности пайки и сварки: Sn, Sn-Pb, Sn-Bi, Sn-Sb, Sn-Ni, Ni, Си, Аu, Pd.
Для обеспечения паяемости поверхности и одновременной защиты изделий от коррозии применяется олово, главным образом в виде его сплавов с 1-2% висмута, сурьмы и/или свинца или сплавов типа ПОС. Используются также сплавы олово-никель, особенно в покрытиях по меди.
Наряду с введением легирующих добавок, необходимых как для улучшения паяемости, так и для снижения склонности покрытия к росту на нем нитевидных кристаллов, применяют никелевый подслой, препятствующий диффузии нежелательных компонентов, например, цинка из латунной основы. Иногда покрытия оловом и его сплавами наносят по медному подслою, например, при осаждении на некоторые сорта сталей. Нередко применяется оплавление олова после его осаждения (оплавляют обычно в горячем глицерине). Для пайки как низкотемпературными, так и высокотемпературными припоями можно применять также никелевые покрытия; никель обеспечивает возможность не только пайки, но и сварки, например, аргонодуговой. С этой целью никель (или медь по никелевому подслою) наносят, в частности, на изделия из молибдена и вольфрама.
2. Декоративные свойства: Аu, Ag, Rh, Pt, Ni, Cr, Ni-Sn.
Высокими декоративными качествами обладают, наряду с такими металлами, как золото, платина, серебро, родий и их сплавы, также никель, хром и сплав олово-никель. Последние же используют для частичной замены золота в печатных платах (заменяется нижележащая часть золота) и для этого осаждают сплавы с высоким содержанием никеля. Хром наносят по никелевому подслою, который, в свою очередь, наносят на поверхность осажденной меди. Такое трехслойное покрытие является самым распространенным из защитно-декоративных и наносится обычно на различные сорта сталей, хотя может применяться и в случае цинковых сплавов.
З. Антифрикционные свойства: Sn-Ni, Sn-Pb, Pb, Рb-Си, Pb-Sh, Pb-Cd, Рb-Zn, In, Аu.
Распространенным антифрикционным покрытием является сплав олово-никель. Такие осадки способны удерживать на поверхности смазку. Применяют, кроме того, сплав олово-свинец. Индивидуальные свинцовые покрытия также обладают высокой собственной смазывающей способностью и пригодны для работы в узлах трения. Свинец при этом является коррозионностойким материалом, он может работать в условиях вакуума и некоторых агрессивных средах, хотя нестоек в минеральных маслах и органических кислотах. Легирование свинца оловом, медью или сурьмой (до 2%) увеличивает стойкость в маслах и износостойкость, не ухудшая антифрикционных характеристик. Легирование индием позволяет работать в особо жестких условиях трения (индий и сам по себе пригоден для работы в качестве антифрикционного материала, но довольно дорог). Сплавы свинца с кадмием или цинком наряду с высокими антифрикционными свойствами обладают высокой коррозионной стойкостью в маслах. В качестве смазочных покрытий в вакууме целесообразно использовать золото. Наконец, используются композиционные покрытия, содержащие в качестве смазки неметаллические включения дисульфида молибдена.
4. Защита от коррозии: Zn, Sn, Cd, Ni, Zn-Ni, Pd, Аu.
Важнейшим коррозионно-защитным материалом в гальванотехнике является цинк. В большинстве случаев он является анодом по отношению к материалу основы, т.е. защищает его электрохимически. Вплоть до температуры около 70 °С цинк анодно защищает различные стали, причем образуемый при эксплуатации белый налет из продуктов коррозии тормозит ее дальнейшее развитие. Анодный тип защиты означает, что пока на поверхности имеется даже сильно нарушенный слой покрытия, основа коррозии не подвергается (в отличие от защитных покрытий катодного типа, защищающих только механически). Цинковое покрытие допускает дальнейшее его хроматирование или нанесение лакокрасочных покрытий. В морских условиях, однако, предпочтителен кадмий, хотя последний довольно токсичен и по этой причине применяется значительно реже. Как цинк, так и кадмий не рекомендуют использовать в условиях вакуума, а также для покрытия высокопрочных сталей.
Олово широко используется как стойкое покрытие; оно само по себе является коррозионностойким металлом во многих средах, в том числе в присутствии органических соединений, в частности в пищевых продуктах.
Никель, хотя и не защищает сталь электрохимически, в силу собственной коррозионной стойкости является также хорошим катоднозащищающим металлом. Катодно защищающими материалами являются также серебро, золото, палладий и другие благородные металлы. Их, а также их сплавы (например, серебро-палладий) используют для защиты меди и ее сплавов.
5. Твердость и износостойкость: Ni, О; Ni-W, Ni-B, Ni-P, Rh, сплавы Sn.
Для повышения твердости и износостойкости поверхности применяют никель, хром (обычно по подслою никеля), палладий, родий, сплавы никель-вольфрам, никель-олово, медь-олово, иногда -рений. Используются также электрохимические и химические покрытия никель-фосфор и никель-бор.
Для работы в условиях сильного трения (в узлах трения) наилучшим материалом является хром (в том числе - при меньших нагрузках - и так называемый молочный хром), а также сплавы олова. С той же целью используют химически осажденные сплавы никеля с фосфором или бором.
6. Электрические контакты, и электропроводность поверхности: Ag (и сплавы), Аu (и сплавы), Pd, Ni, Sn, Sn-Pb.
В качестве электроконтактных материалов могут применяться серебро и его сплавы, палладий, никель (работает в среде углеводородов), сплав медь-олово (пригоден для серосодержащей среды), золото и его сплавы с никелем и кобальтом (для слаботоковых контактов). Золото чаще всего осаждают на серебряный или никелевый подслой, что позволяет экономить благородный металл. Серебро также осаждают поверх никелевого подслоя. В последнее время чаще применяют не чистое серебро, а его сплав с сурьмой, который более стабилен и износостоек. С этой же целью применяют сплав серебра с палладием или чистый палладий, но в случае любых сплавов переходное сопротивление оказывается значительно более высоким. Неплохие результаты позволяют получить и сравнительно дешевые оловянные покрытия (по никелевому подслою). Применения цинковых покрытий при невысоких требованиях к качеству контактов цинк использовать можно.
Для придания повышенной электрической проводимости поверхности, а также для увеличения стабильности электрических параметров во времени применяют никель, сплав олова со свинцом, золото и его сплавы с 1-1,5% никеля или кобальта, серебро (особенно в случае СВЧ-устройств), палладий, родий. При этом часто используют подслой меди и никеля.
7. Обеспечение специальных свойств.
В качестве барьерных (антидиффузионных) слоев обычно применяют никель (толщиной не менее 6 мкм), реже хром (но на него трудно осаждать другие металлы), сплавы олово-никель, кобальт-фосфор.
Для получения покрытий с различными магнитными характеристиками применяют разнообразные сплавы на основе железа, кобальта и никеля, например, кобальт-фосфор. Нужный состав таких сплавов зависит от поставленных требований (коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, прямоугольность петли гистерезиса). Различают магнитно-мягкие покрытия (обычно на основе сплава никель-железо) и магнитно-твердые (на основе сплавов кобальта).
Для обеспечения свинчиваемости резьбовых деталей (гайки, болты и др.) используют цинковые покрытия. Пригодны также сплавы никель-цинк с невысоким содержанием никеля, а также олово. Такие покрытия одновременно являются и защитными. Реже используются кадмиевые и серебряные покрытия (кадмиевые из-за токсичности соединений Cd, серебряные - из-за высокой стоимости).
В качестве специальных покрытий можно отметить применение меди для защиты стали от науглероживания при цементации, применение олова для защиты медных проводов от химического действия серы (из резиновой изоляции) и для защиты стали от азотирования. Медь иногда осаждают на сталь перед механической вытяжкой (для увеличения пластичности), а также для улучшения притирочных свойств поверхности.
Особыми оптическими свойствами обладают покрытия из серебра, хрома, родия, никеля, получаемые из специально разработанных растворов. Такие покрытия бывают двух типов: отражающие - зеркальные и, наоборот, поглощающие - черные. Самым высоким коэффициентом поглощения света обладают черные хромовые покрытия, самым высоким коэффициентом отражения - серебряные.
Наряду с этим существует и много других специальных типов покрытий; например, некоторые виды покрытий из платины и ее сплавов с палладием обладают особыми каталитическими свойствами.
1.4 Оцинковка
Цинковые покрытия, будучи довольно дешевыми, занимают одно из ведущих мест в практике нанесения гальванопокрытий. Наибольший процент (около 3 /4) из всех цинковых покрытий приходится на стальные листы, полосы, трубы и проволоку и лишь около 1/4 на различные изделия и детали. Цинк является относительно легкоплавким диамагнитным металлом. Из механических свойств можно отметить сравнительно высокую хрупкость цинка технической чистоты и низкую ударную вязкость. Цинк образует практически ценные сплавы с медью, никелем, магнием и алюминием, в то время как сплавы с оловом и свинцом технического значения не имеют. В химическом отношении цинк довольно активен, растворяется в кислотах и щелочах, в соединениях двухвалентен.
Достоинства:
1. Стойкость в сухой атмосфере, содержащей СО, СО2, С12 , NH3 , в среде сухого сероводорода и других сернистых соединений (в том числе содержащихся в нефти и жидком топливе), во многих органических жидкостях ( спиртах, эфирах, бензоле, хлорпроизводных и т.д.). В этих условиях на поверхности металла возникают тонкие пленки из оксида, сульфида и других малорастворимых соединений, которые замедляют процесс коррозии. Скорость коррозии цинка при этом составляет всего от 1 (и ниже) до 6 мкм в год, причем основное влияние на эту скорость оказывает влажность атмосферы. Пригодность для работы при температурах до 300 °С.
2. Обеспечение электрохимической защиты стали, так как по отношению к железу и его сплавам в обычных условиях цинковые покрытия являются анодными.
3. Пригодность для осаждения на резьбовые соединения и для развальцовки (благодаря достаточно хорошей пластичности чистого цинка).
4. Высокий выход по току электролитов цинкования (более 95%, за исключением цианидных, которые, однако, имеют наиболее высокую РС).
5. Низкие внутренние напряжения в покрытиях.
6. Невысокая стоимость.
7. Достаточное сцепление с основой из алюминия и его сплавов.
Недостатки:
1. Нестоек при высокой влажности атмосферы (покрывается налетом из смеси оксида, гидроксида и карбоната) и особенно при прямом контакте с водой, причем скорость коррозии резко возрастает при температуре 55-75 °С.
2. Имеет невысокие декоративные свойства.
3. Процессы цинкования требуют специальных добавок.
4. Сталь при ее цинковании подвергается наводороживанию.
5. Требует дополнительной обработки после нанесения покрытия (снятие наводороживания, хроматная обработка и др.).
6. Плохо выдерживает запрессовку.
7. Непригоден для покрытий, контактирующих с пищевыми продуктами.
В связи с указанными достоинствами и недостатками цинк используется главным образом для нанесения коррозионно-защитных покрытий анодного типа, причем в зависимости от условий эксплуатации их толщина составляет от 6-8 мкм (в легких условиях) до 30-40 мкм (в тяжелых). Кроме того, часто производится цинкование резьбовых соединений, так как цинк довольно надежно обеспечивает свинчиваемость. В последнем случае толщина покрытий обычно не превышает 10 мкм (как правило, около 0,01 от шага резьбы).
Некоторые типы электролитов позволяют получать защитно-декоративные покрытия.
Сплавы цинка с никелем или кобальтом обладают значительно более высокой твердостью, антикоррозионными и декоративными качествами. Из других сплавов на основе цинка можно отметить сплавы с индием, которые наряду с коррозионной стойкостью в смазочных маслах имеют хорошие антифрикционные характеристики.
1.4.1 Типы растворов, составы и условия осаждения
В основном пользуются цианидными, сульфатными и цинкатными электролитами (рис. 1). Сульфатные растворы имеют низкую РС, но высокую скорость осаждения и требуют введения добавок коллоидного характера. Цианидные растворы менее производительны, но имеют высокую РС по металлу (более высокую, чем РС по току, так как ВТк сильно уменьшается при повышении плотности тока). Близки к ним по характеристикам и щелочные цинкатные растворы.
Рисунок 1. Классификация растворов
Примечания:
1. Электролит № 2 применяют для покрытия стальной полосы (ленты) и проволоки.
2. В электролиты № 1, 2, 4, 5, 6 вводят различные блескообразователи.
3. В электролит № 5 вводят до 5 г/л глицерина.
1.4.2 Приготовление растворов
Для приготовления кислых растворов (1, 2) следует отдельно друг от друга растворить в теплой воде сульфат цинка (семи водный), сульфат натрия и сульфат алюминия (последний можно заменить алюмокалиевыми квасцами), отфильтровать эти растворы и слить вместе. Декстрин и/или другие добавки сначала размешивают в небольшом объеме воды, подогревают до растворения и после охлаждения добавляют к остальному раствору, после чего объем раствора доводят до необходимой величины. В случае сильнокислых растворов в них после растворения солей осторожно (медленно, при перемешивании) вводят серную кислоту.
Сульфатные растворы не должны содержать более 0,5 г/л железа, поэтому его удаляют добавлением в подогретый до 60 °С электролит 0,5 г/л раствора пероксида водорода, после чего доводят рН до 6 или немного выше добавлением раствора щелочи. Для удаления выпавшего гидроксида железа раствор затем фильтруют.
Хлораммонийные электролиты (3, 4) готовят следующим образом. Сначала растворяют в 1/3 общего объема раствора хлористый аммоний, затем хлористый цинк. При растворении NH4CI происходит охлаждение, поэтому, возможно, раствор придется подогреть. Отфильтрованный раствор перемещают в рабочую ванну, куда затем вводят блескообразующие добавки (при перемешивании, в соответствии с рекомендациями их изготовителя). Раствор прорабатывают при 1 А/дм2.
Нежелательными примесями в этих растворах являются, наряду с железом и медью, также шестизарядный хром, свинец, никель и кадмий.
Цианидные растворы (5-7) составляют из оксида цинка ZnO, едкого натра NaOH и цианида натрия NaCN (или соответствующих соединений калия). Растворы включают также небольшое количество сульфида натрия. Отношение концентраций NaOH и NaCN к концентрации цинка (в пересчете на металл) в готовом растворе составляет обычно соответственно около 3 и около 2,5.
Для приготовления раствора предварительно растворяют весь цианид и всю шелочь, после чего в этот раствор понемногу вводят оксид цинка, разведенный в небольшом количестве холодной воды в виде густой кашицы. Полученный раствор отстаивают примерно в течение суток, после чего декантируют в рабочую ванну и вводят сульфид натрия (калия) и - в самом конце - метатитанат калия или глицерин.
Цианидные растворы не должны содержать более чем по 5 мг/л меди, олова и мышьяка, поэтому раствор очищают цинковым порошком, вводя его в количестве до 0,5 г/л с последующим перемешиванием и фильтрацией. Наконец, добавляют глицерин. Кроме того, раствор прорабатывают током при 0,1-0,2 А/дм2. В процессе эксплуатации раствора в нем накапливается карбонат, концентрация которого не должна превышать 80 г/л. Избыточный карбонат либо вымораживают, охлаждая раствор до -5 °С, либо осаждают путем добавления оксида бария (или оксида кальция).
В случае присутствия органических примесей раствор приходится обработать активированным углем.
1.4.3 Особенности
Главной особенностью процессов цинкования является связанная с ними проблема наводороживания стальной основы. В основу водород проникает несколькими путями: во-первых, в случае тонких осадков он выделяется непосредственно на стальной основе в порах цинкового покрытия, и часть этого водорода непосредственно внедряется в основу. Во-вторых, выделяющийся на поверхности цинка водород диффундирует через слой цинка и также попадает в сталь. Наконец, в некоторых случаях (особенно это характерно для цианидных электролитов с добавками) начальный тонкий слой покрытия (непосредственно прилегающий к основе) содержит очень много водорода, который постепенно диффузионным путем переходит в основу.
В связи с этим во многих случаях обязательной процедурой является разводороживание, которое производится путем длительного (несколько часов) прогрева изделия с покрытием при температуре 200 °С, причем некоторое время спустя (не менее часа) после окончания процесса осаждения, иначе при прогреве водород может в основном перейти в сталь.
Второй особенностью цинковых покрытий является то, что в большинстве случаев требуется дополнительная обработка их поверхности (обычно хроматирование).
1.4.4 Аноды
Материал анодов - цинк достаточно высокой чистоты. Обычные примеси в цинковых анодах-железо, свинец и кадмий. Желательно, чтобы суммарное содержание этих примесей не превышало 0,5% по массе (лучше 0,1%). Особо чистый цинк, содержащий менее 0,01% указанных примесей, имеет, однако, меньшую скорость растворения (при том же анодном потенциале). Хорошо работают литые аноды, которые, однако, из-за шламообразования лучше держать в чехлах.
При работе в кислых электролитах аноды при перерывах процесса целесообразно извлекать из раствора, так как они в нем растворяются, повышая концентрацию ионов цинка выше допустимой величины.
В случае цианидных растворов анодный выход по току выше катодного, поэтому имеет место постоянное повышение концентрации цинка в растворе. В связи с этим можно рекомендовать часть анодов заменить на нерастворимые (из армко-железа). Черная пленка, образуемая на анодах в цианидных растворах, свидетельствует о снижении концентрации цианида ниже допустимой величины.
1.4.5 Корректирование электролитов
При корректировании цианидных растворов в них следует вводить примерно по 0,2 г/л сульфида натрия для осаждения посторонних металлов. При необходимости повышения концентрации щелочи и цинка следует вводить оксид цинка, если же нужно повысить концентрации цинка и цианида, то можно корректировать состав раствора введением цианистого цинка. Если, напротив, повышено количество цинка, то проще всего разбавить раствор, после чего добавить необходимое количество щелочи и цианистого натрия (калия). Не исключено, что время от времени может оказаться нужной дополнительная проработка (как после приготовления нового раствора).
Кислые электролиты требуют корректирования рН (серной кислотой или содой). Величину рН хлораммонийных растворов корректируют растворами аммиака (для повышения рН) или соляной кислоты (для понижения рН).
1.5 Серебрение
Серебро используется и как функциональное покрытие, и как ювелирное. Оно обладает красивым белым цветом, имеет самый высокий коэффициент отражения света и самую высокую электропроводность, работает в качестве контакта в условиях трения при давлении на контакт 0,25-2,5 Н и токах до 20 А. Будучи значительно дороже меди, в ряде случаев может быть ею заменено.
Достоинства:
1. Самая высокая электропроводность и теплопроводность, самое низкое переходное сопротивление.
2. Пригодно для изготовления волноводов, печатных плат, электрических приборов в технике как слабых, так и сильных токов, паяется.
3. Химически стойко в средах, не содержащих серы и некоторых органических соединений, в том числе в органических кислотах, разбавленных неорганических кислотах, щелочных растворах, пероксидных расплавах.
4. Имеет самую высокую отражательную способность в области видимого света, пригодно для зеркал и отражателей.
5. Имеет низкие внутренние напряжения, допускает получение толстых слоев, в том числе для гальванопластики.
6. Пластично, выдерживает механическую обработку.
7. Пригодно в качестве антифрикционного материала для условий вакуума.
Недостатки:
1. Нестойко и образует на поверхности темные пленки в атмосфере сероводорода и его производных, особенно в присутствии влаги. Тускнеет в атмосфере озона, нестойко в атмосфере аммиака и концентрированных кислот.
2. Имеет невысокую износостойкость (повышается у сплавов с никелем, кобальтом, сурьмой), недостаточно хорошо работает в условиях трения, склонно к эрозии.
3. Имеет очень высокую диффузионную подвижность, склонно к «переползанию» по поверхности.
4. В контактах чистое серебро имеет склонность к залипанию и свариванию, особенно при повышенных токах и повышенных механических контактных нагрузках.
1.5.1 Составы растворов и условия осаждения
Наиболее употребительные составы растворов (в г/л) для серебрения приведены на рис. 2.
Рисунок 2. Классификация растворов
Для дальнейших экспериментов использовался раствор №3, но убрал из рецепта дицианоаргентат калия из-за его химических свойств.
1.5.2 Особенности
Для предварительного серебрения (толщиной менее 1 мкм), которое необходимо для обеспечения высокой адгезии последующего толстого слоя (во избежание выделения контактного серебра), применяют цианидный раствор, содержащий не более 1,5 г/л серебра (по металлу), около 6 г/л меди (по металлу) и 50 г/л KCN. Этот раствор работает при комнатной температуре, осаждение ведется около 3 минут при плотности тока до 0,2 А/дм2 (детали загружают под током). Для этой цели пригоден и роданидный раствор с таким же содержанием серебра. Амальгамирование поверхности, которое до сих пор иногда производят вместо предварительного серебрения, применять не следует. Серебряные покрытия обладают интересным свойством очень интенсивной поверхностной диффузии уже при комнатной температуре. Серебро как бы переползает по поверхности, заращивая небольшие дефекты.
1.6 Удаление некачественных покрытий
Покрытия можно растворить в разбавленной соляной кислоте, однако при этом выделяется водород, что может привести к наводороживанию основы. Поэтому лучше снимать покрытия в 10%-м растворе нитрата алюминия или в нагретом до 60-70 °С 25%-м растворе щелочи.
1.7 Добавки для электролитов
Введение органических добавок приводит к получению более гладких, а нередко и блестящих покрытий с повышенной твердостью и внутренними напряжениями сжатия.
Для слабокислых электролитов, наряду с традиционными декстрином и натриевой солью нафталиндисульфокислоты, рекомендованы добавки, содержащие смеси ароматических и гетероциклических альдегидов, фурфурол, этаноламин, унитиол, тиомочевину, конденсаты на основе окиси этилена и нонилфенола, пиридиновые соединения (например, пиридинхлорид), производные имидазола. Эффективной комбинацией блескообразователей являются акриламид (около l г/л) и акрилонитрил (0,3 г/л).
В растворы вводят поливиниловый спирт, желатин, производные хинона, ароматические альдегиды и амиды. Блескообразующим действием в таких растворах обладает также 2-хлормасляная кислота.
Электролиты лучше работают в присутствии таких добавок как полиэтиленгликоль, ароматические альдегиды, желатин, эпихлоргидрин, 1,4-фенилдиамин.
Глава II. Экпериментальная часть
2.1. Материалы и методика
Место проведения экспериментов: Лаборатория кафедры аналитической химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Реагенты: ZnSO4 7H2O, K2SO4, H2SO4, KSCN, K2CO3, унитиол, тиомочевина, цинк, сталь, медь, серебро, графит.
Оборудование.
При проведении опытов было использовано следующее оборудование:
Нагревательная плита
Штатив муфтой и лапками
Колбы
Весы
Термостат
Вытяжка
Фотоаппарат
Блок питания
Микроскоп
Ход работы первого эксперимента.
Раствор 1. В колбу насыпаю ZnSO4 7H2O массой 35 грамм и K2SO4 массой 10 грамм, после чего заливаю дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. В другой сосуд наливаю дистиллированную воду и добавляю каплю унитиола и щепотку тиомочевины, подогреваю и размешиваю до полного растворения. Полученные растворы смешиваю в одной колбе и подогреваю до 70 градусов. Добавляю в неё 1,5 миллилитра H2SO4 и погружаю в ванну с термостатом, который постепенно нагревает воду и колбу в ней с 20 до 70 градусов. Погружаю анод – стальной гвоздь и катод – цинк в электролит и включаю блок питания с силой тока равной 2 А. Через некоторые промежутки времени измеряю слой наросшего металла.
Ход работы второго эксперимента.
Раствор 2. В колбу насыпаю ZnSO4 7H2O массой 70 грамм и K2SO4 массой 20 грамм, после чего заливаю дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. В другой сосуд наливаю дистиллированную воду и добавляю каплю унитиола и щепотку тиомочевины, подогреваю и размешиваю до полного растворения. Полученные растворы смешиваю в одной колбе и подогреваю до 70 градусов. Добавляю в неё 3 миллилитра H2SO4 и погружаю в ванну с термостатом, который постепенно нагревает воду и колбу в ней с 20 до 70 градусов. Погружаю анод – стальной гвоздь и катод – цинк в электролит и включаю блок питания с силой тока равной 2 А. Через некоторые промежутки времени измеряю слой наросшего металла.
Ход работы третьего эксперимента.
Раствор 1. В колбу насыпаю ZnSO4 7H2O массой 35 грамм и K2SO4 массой 10 грамм, после чего заливаю дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. В другой сосуд наливаю дистиллированную воду и добавляю каплю унитиола и щепотку тиомочевины, подогреваю и размешиваю до полного растворения. Полученные растворы смешиваю в одной колбе и подогреваю до 70 градусов. Добавляю в неё 1,5 миллилитра H2SO4 и погружаю в ванну с термостатом, который постепенно нагревает воду и колбу в ней с 20 до 70 градусов. Погружаю анод – стальной гвоздь и катод – цинк в электролит и включаю блок питания с силой тока равной 0,12 А, затем с силой тока равной 0,44. Через некоторые промежутки времени измеряю слой наросшего металла.
Ход работы четвёртого эксперимента.
Раствор 3. В колбу насыпаю ZnSO4 7H2O массой 35 грамм и K2SO4 массой 10 грамм, после чего заливаю дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. В другой сосуд наливаю дистиллированную воду и добавляю 5 капель унитиола и 2 грамма тиомочевины, подогреваю и размешиваю до полного растворения. Полученные растворы смешиваю в одной колбе и подогреваю до 70 градусов. Добавляю в неё 1,5 миллилитра H2SO4 и погружаю в ванну с термостатом, который постепенно нагревает воду и колбу в ней с 20 до 70 градусов. Погружаю анод – стальной гвоздь и катод – цинк в электролит и включаю блок питания с силой тока равной 0,12 А. Через некоторые промежутки времени измеряю слой наросшего металла.
Ход работы пятого эксперимента.
Раствор 4. В колбу насыпаю KSCN массой 23 грамма и K2CO3 массой 3 грамма, после чего заливаю 100 мл дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. После добавляю 2 капли унитиола. В колбу с раствором погружаю серебро на дно, опускаю анод – медь и катод – графит в электролит и включаю блок питания с силой тока 0,12 на 1 час.
Ход работы шестого эксперимента.
Раствор 4. В колбу насыпаю KSCN массой 23 грамма и K2CO3 массой 3 грамма, после чего заливаю 100 мл дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. После добавляю 2 капли унитиола. В колбу с раствором погружаю серебро на дно, опускаю анод – графит и катод – графит в электролит и включаю блок питания с силой тока 0,12 на 1 час.
Ход работы седьмого эксперимента.
Раствор 4. В колбу насыпаю KSCN массой 23 грамма и K2CO3 массой 3 грамма, после чего заливаю 100 мл дистиллированной водой и перемешиваю до полного растворения. После добавляю 2 капли унитиола. В колбу с раствором погружаю серебро на дно, опускаю анод – оцинкованный гвоздик из третьего эксперимента и катод – графит в электролит и включаю блок питания с силой тока 0,12 на 1 час.
2.2. Результаты и их обсуждения
Выполняя 1 и 2 эксперименты, я измерял слой металла, который образовался на поверхности стальных гвоздей за определённые промежутки времени. Получившиеся результаты представлены на диаграмме 1. Также разницу между наросшими металлами можно увидеть на рисунках 3, 4. Концентрация электролита значительно влияет на скорость осаждения.
Диаграмма 1. Зависимость слоя наросшего металла от времени процесса при разной концентрации электролита
Рисунки 3 и 4. Результаты первого и второго эксперимента
Выполняя 3 эксперимент, я измерял слой металла, который образовался на поверхности стальных гвоздей за определённые промежутки времени. Получившиеся результаты представлены на диаграмме 2. Также можно увидеть отличие между получившимися слоями на рисунках 5, 6. Сила тока влияет на скорость осаждения и на шероховатость слоя металла.
Диаграмма 2. Зависимость слоя наросшего металла от времени процесса при разной силе тока
Рисунки 5 и 6. Результаты третьего эксперимента
Выполняя 4 эксперимент, я измерял слой металла, который образовался на поверхности стальных гвоздей за определённые промежутки времени. Получившиеся результаты представлены на диаграмме 3. Также можно увидеть отличие между слоями на рисунках 7, 5 (I = 0,12). Количество добавок влияет на скорость осаждения и на качество получаемого слоя.
Диаграмма 3. Зависимость слоя наросшего металла от времени процесса при разном количестве добавок
Рисунок 7. Результат 4 эксперимента
Выполняя эксперименты 5, 6 и 7, я зафиксировал полученные результаты на рисунках 8, 9 и 10 соответственно. Медь и сталь покрывались равномерно слоем серебра и проблем с ними не возникало, однако при осаждении серебра на графит – возникли. Образовавшийся слой мягок по своей структуре и легко смывается водой. Всё из-за кристаллической решётки графита. В отличие с кристаллическими решётками металлов, она представляет собой слоистую структуру.
Рисунок 8. Результат 5 эксперимента
Рисунок 9. Результат 6 эксперимента
Рисунок 10. Результат 7 эксперимента
Выводы
Изучив литературу по выбранной теме, я провёл ряд экспериментов и сделал выводы, представленные ниже.
При повышении концентрации возрастает величина наросшего слоя, но качество страдает.
Повышение силы тока влияет на быстроту осаждения и качество нароста. Также на детали остаются заметные пятна от пузырьков водорода, что не очень хорошо.
Увеличение количества добавок влияет на скорость покрытия, но качество при этом становиться заметно хуже. Излишнее количество добавок использовать не стоит.
Покрыть оцинкованный гвоздик и медную трубку удалось, покрытие отличное. А вот в эксперименте с графитом, налипшее серебро не стало долго держаться.
Список литературы
https://studfile.net/preview/5300942/
https://zen.yandex.ru/media/id/5ca2313678122b00b4aa489e/vidy-pokrytiia-metallicheskih-izdelii-5da95cff1ee34fc086c48ad4
https://pkraska.ru/stati/article_post/aktualnost-i-ekonomicheskiye-aspekty-problemy-korrozii-i-zashchity-metallicheskikh-sooruzheniy
https://www.bestreferat.ru/referat-145930.html
http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/korroziya-metallov.html
https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/klassy-neorganicheskikh-veshchestv-14371/metally-15154/re-3801c99f-317b-4cc9-a916-0bb75ff5906a
https://foxford.ru/wiki/himiya/elektroliz-rastvorov-i-rasplavov
https://studarium.ru/article/157
https://vseprokamni.ru/svoistva/kristallicheskaja-reshetka-grafita.html
Гамбург Д. Ю. Гальванические покрытия. Справочник по применению - Техносфера, 2006