VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование основных закономерностей гальванопластических технологий
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность темы
Электролитические процессы нанесения металлопокрытий (гальванотехника) применяются для защиты изделии от коррозии, защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу и поверхностной твердости, сообщения антифрикционных свойств отражательной способности и других целей (гальваностегия), а также для изготовления металлических копий (гальванопластика). Наряду с покрытиями, имеющими улучшенные антикоррозионные и механические свойства, требуются покрытия с высокими оптическими (блеск) и особыми магнитными свойствами, сверхпроводимостью, жаростойкостью, способностью сохранять паяемость после длительного хранения на воздухе и др. Необходимы также интенсификация и автоматическое регулирование процесса, автоматизация управления и контроля электролитических процессов и т. д.
Цель: изучние основных закономерностей и процессов гальванопластической технологии
Задачи:
исследование возможности омеднения различных типов поверхностей;
исследование влияния силы тока на конечный результат покрытия;
исследование влияния концентрации электролита на качество покрытия;
проверка законов электролиза Фарадея.
Теоретическая часть
История создания гальванического производства
Согласно статье Будрейко Е. Н. «…Гальванотехника – область электрохимического производства, включающая «гальваностегию – электрохимические процессы нанесения покрытий металлами и сплавами, которые применяют для защиты изделий от коррозии, защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу и поверхностной твердости, сообщения антифрикционных свойств, отражательной способности и других целей; гальванопластику – изготовление металлических копий, а также другие способы завершения отделки изделий».
Уже около 80 лет гальваническая технология широко применяется в различных областях индустрии, как традиционных, так и новейших: машино- и приборостроении, электронике, космической промышленности. Сфера ее использования непрерывно расширялась вплоть до 1970–1980-х гг. В середине 1980-х гг. в связи с кризисным положением, обусловленным, с одной стороны, большими объемами покрытий, с другой – крайней вредностью и неэкономичностью производства, прогнозировалось, что дальнейшее развитие, если не само существование этой отрасли, будет определяться возможностью создания материало- и энергосберегающих технологий нанесения покрытий. Однако на рубеже столетий на основе развития новейших технологий, внедрения в традиционные производства современной техники, компьютеризации удалось найти решение многих проблем, обусловливавших экологическую опасность гальванотехники.
К настоящему времени с развитием новейших областей техники, высоких технологий все большее внимание уделяется обработке поверхности, в значительной степени, обуславливающей качество изделий. В связи с этим получили широкое развитие новые, главным образом физические методы. Тем не менее, до сих пор свыше 80% технологий, позволяющих получать поверхности высокого класса, основаны на «классических» методах – гальванотехнике, термической обработке, окраске, лакировании. Наиболее перспективной среди них остается гальванотехника. Ее преимуществами являются высокое качество покрытий, возможности получения осадков различной структуры и толщины на металлических и неметаллических изделиях, осаждения покрытий с широким диапазоном свойств, получения металлических сплавов различного состава и фазового строения без использования высоких температур, разработки новых видов покрытий и т. д…»
Что такое гальваника? Понятие «гальваническое покрытие». Классификация и назначение гальванических покрытий.
Гальваника- это электрохимический метод нанесения металлических и химических покрытий на электропроводящий и неэлектропроводящий материал для придания ему определенных свойств: защитных антикоррозийных, защитно-декоративных, декоративных, специальных: антифрикционных, для придания твердости, износостойкости и др. Гальваника – это осаждение металлического слоя под воздействием электрического тока из электролита на любую электропроводящую поверхность для придания изделию различных свойств:
- защитных;
- защитно-декоративных;
- декоративных;
- специальных.
Гальваническое покрытие – это металлическая пленка толщиной от долей микрона до десятых долей миллиметра, наносимые на поверхность не металлических и металлических изделий методом гальваники для придания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных, декоративных свойств.
Г альванические покрытия были открыты в 1836 г. русским физиком и изобретателем в области электротехники Б. С. Якоби и основаны на электрокристаллизации – электрохимическом осаждении на катоде (в роли которого выступает основное изделие) положительно заряженных ионов металлов при пропускании через водный раствор их солей постоянного электрического тока. При этом соли металлов, распадаются на ионы под воздействием электрического тока, направляются к разным полюсам: отрицательно заряженные – к аноду, а положительно заряженные ионы металла – к катоду, то есть к изделию, поверхностный слой которого мы хотим изменить нанесением гальванического покрытия.
Еще в 1836 г., будучи профессором гражданской архитектуры Дерптского университета, Якоби Б.С. разработал оригинальную конструкцию медно-цинкового гальванического элемента. Элемент включал медный цилиндр (катод) с раствором медного купороса и цинк (анод), опущенный в раствор хлористого натрия или аммония, причем растворы были разделены полупроницаемой перегородкой в виде бычьего пузыря. При действии такого элемента цинк переходил в раствор, образуя соответствующие соли, а медь выделялась в металлическом состоянии (восстанавливалась на катоде) в виде плотных листов медного осадка, которые легко отделялись от цилиндра (катода). Первоначально он подумал, «что это происходит потому, что медь, из которой был сделан цилиндр, была, быть может, плохо сплющена, или, что служитель, не имея достаточно толстых листов меди, сдвоил их». «Движимый первым побуждением, - пишет Б.С.Якоби, - я призвал служителя и велел ему сказать мне правду, упрекая в том, что он мне плохо служит. Его горячий протест навел меня на мысль – решить вопрос о происхождении этих кусочков, сравнивая их внутреннюю поверхность с внешней поверхностью цилиндра. Начав это исследование, я тотчас же увидел несколько почти микроскопических царапин напильника на обеих поверхностях, точно соответствующих друг другу: вогнутые на поверхности цилиндра и рельефные на поверхности отдельного листка. Гальванопластика, - заключает Якоби, - явилась следствием этого тщательного исследования». 3 февраля 1837 года Якоби написал известному физику академику Э.Ленцу, что им замечено отложение меди при пропускании электрического тока.
В соответствии с их назначением гальванические покрытия можно разделить на следующие основные группы:
1) коррозиеустойчивые, или защитные;
2) защитно-декоративные;
3) износостойкие;
4) специальные.
Нас заинтересовала данная тема, и мы решили более глубоко изучить основные закономерности гальванопластической технологии.
Практическая часть
Оборудование и конструкция
В нашем распоряжении были: мультиметр, источник питания, электролит ( на основе медного купороса), медная пластина, стальная пластина (проводник), прибор для измерения толщины, непроводящая полимерная пленка (поливинилхлорид), графитовый лак , весы, емкость для работы и хранения материала, резисторы.
Рис 1 Оборудование
Рис 2 Кристаллогидрат медного купороса и серная кислота
Рис 3 Схема гальванической установки
Мы включили в цепь источник питания, подсоединили зажимы, которыми впоследствии мы будем удерживать медную пластину и проводники в растворе, тем самым замыкая цепь.
Исследование возможности на покрытия (проводящие и непроводящие)
Мы проверили возможность омеднения различных типов подложек. В качестве проводящей подложки была выбрана стальная пластина, а в качестве непроводящей полимерная пленка с маленькой значением электропроницаемости, которую мы модифицировали с помощью графитового лака.
Рис 4 Стальные пластины и синяя пленка(непроводник)
Рис 5 Плёнка покрытая графитовым лаком (проводник) и
синяя пленка(непроводник)
Приготовление раствора электролита
Для приготовления электролита мы в 400 граммах воды растворили 80 г медного купороса, добавили 10г спирта и еще 0,5г.тиомочевины . Далее нагрели раствор и постепенно добавляли 64 г серной кислоты. На выходе получили электролит.
Рис 6 Приготовление медного купороса(электролита)
Исследование влияния силы тока на конечный результат покрытия
Д ля данного исследования мы использовали закон электролиза Фарадея:
Где m- масса осажденного на электроде вещества, F – постоянная Фарадея, M- молярная масса вещества, n – выделенное кол-во вещества, I- сила тока, t-время осаждение вещества.
Мы опустили конструкцию в электролит на 20 минут под напряжением в 15 вольт и силой тока 0,4 ампер.
После этого мы уменьшили силу тока до 0,2 ампер, при помощи включении в цепь 2 катушек индуктивности.
Расчеты:
Эксперимент1:
Идеальная m= (0,4*1200) /96,485* 64/2=159,1957 мг
Эксперимент 2:
Идеальная m= (0,2*1200) /96,485* 64/2=79,5978 мг
Эксперимент 3:
Идеальная m= (0,4*1200) /96,485* 64/2=159,1957 мг
Рис 7 Медная пластина
Рис 8 Три вида стальных пластин
Исследование влияния концентрации медного купороса
Для данного исследования, мы уменьшили концентрацию электролита, добавив 50 г воды в раствор. Мы опустили конструкцию в электролит на 20 минут под напряжением в 15 вольт и силой тока 0,4 ампер. В конце мы получили более качественное покрытие.
Рис 9 Две пластины
Выводы:
Нельзя покрыть непроводящие поверхности, но если покрыть их проводником, то можно
При повышении силы тока ухудшается качество покрытия
При уменьшении концентрации раствора электролита, сохраняя исходную силу тока, качество покрытия улучшается
Получили меньшую массу, чем расчетная, по причине сопротивления и потери энергии. По формуле масса указана при идеальных условиях (без сопротивления, потери энергии и других внешних факторов).
Заключение
Применение металлических (гальванических) покрытий является одним из наиболее распространенных методов защиты изделий от коррозии в машиностроении и приборостроении. Качество металлических покрытий во многом определяет качество изделий, их долговечность, работоспособность и надежность в эксплуатации. Гальванические покрытия служат не только средством защиты от коррозии, но также и способом повышения износостойкости деталей, электропроводности и других важных свойств поверхности.
Список литературы:
https://www.wikipedia.org
http://lit.na5bal.ru/himiya/3509/index.html
Гальванические покрытия в машиностроении, под ред. М.А. Шлугера, т. 1, М., 1985. P.M. Вишолшрскис.;
Лайнер В.И. Современная гальванотехника. М.: «Металлургия», 1967;
Одноралов Н. В. Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся. — 3-е изд. — М.: Просвещение, 1979. — 106 с, ил.;
http://www.galvanicrus.ru/founders/yakobi.php