Гальваніка металу: способи та принципи

Про що йдеться? Гальваніка металу - особливий спосіб його обробки для надання додаткових якостей. Завдяки цьому сфера використання матеріалу стає ширшою.

Як відбувається? Є кілька методів гальванічного покриття. Їхній вибір залежить від умов використання та кінцевого результату. Деякі з них застосовуються лише в промисловості, але частина доступна для самостійного вживання. Але загалом принципи кожного способу схожі.

Питання, розглянуті в матеріалі:

1. Що таке і для чого потрібна гальваніка металу
2. Суть процесу гальваніки металу
3. Матеріали та обладнання для гальваніки металу
4. Види гальванічних покриттів металу
5. Переваги та недоліки гальваніки металу
6. Галузі застосування гальваніки металу

Що таке і для чого потрібна гальваніка металу

Розділ електрохімії, присвячений вивченню процесів осадження атомів металу на будь-якій поверхні, називається гальванікою. За допомогою такого процесу виробляють покриття дешевших, але міцніших металів і сплавів дорожчими (і навіть дорогоцінними):

• золотом;
• сріблом;
• родієм тощо.

Це потрібно для:

• досягнення декоративного ефекту;
• забезпечення проходження будь-яких фізичних процесів;
• надання вихідному металевому виробу корозійної стійкості;
• забезпечення довговічності та зносостійкості тощо.

Щоб оцінити переваги гальваніки металу, важливо розуміти особливості технології використання гальванічних ванн і специфіку застосування тих чи інших електролітів для різних поверхонь.

Отже, гальванічне покриття утворює міцний шар атомів одного (ціннішого) металу на заготівлі, виконаній з іншого. Одержуваний виріб істотно покращує свої властивості, внаслідок чого значно розширюється сфера його потенційного використання. Гальванічні процеси почали освоюватися людством ще кілька століть тому. З їхньою допомогою вдавалося зберегти багато сотень кілограмів дорогоцінних металів без зниження характеристик одержуваних поверхонь.

Назва процесу (і науки) гальваніки походить від імені першопрохідця в цій сфері - італійця Луїджі Гальвані, який створив прообраз майбутніх акумуляторів. Крім того, він розробив не тільки спосіб, а й повноцінну теорію технології, вивчаючи різні аспекти електрофізичних процесів.

Але активніше, ширше застосування гальванічних процесів пов'язане з ім'ям ученого Бориса Якобі - саме він зміг поставити технологію на промислові рейки. До кінця 40-х років XIX століття гальванічні методи обробки стали інтенсивно застосовувати під час виробництва монет, а також деяких елементів обладнання та творів мистецтва.

За допомогою гальваніки на поверхню металевої заготовки можна електрохімічним способом наносити як шари металу, так і неметалу. У поняття цієї технології входить як сам процес нанесення покриття, так і комплекс підготовчих дій - суворий алгоритм, без виконання якого неможливо отримати якісний результат.

Гальванічні процеси проходять під час пропускання через заготовку електричного струму (у ванні з електролітом). Однак у деяких випадках нанести найтонший шар дорогоцінного металу можна і без електромагнітного поля (досить згадати, як золотилися мідні листи для покриття купола Ісаакіївського собору в Санкт-Петербурзі - в даному хімічному гальванічному процесі використовувалася ртутно-золота амальгама).

У сучасному світі гальванічний метод обробки виробів дуже поширений у найрізноманітніших галузях виробництва (і не тільки для створення товарів кінцевого споживання).

Що ж таке гальваніка металу у виробництві? Гальванічну обробку поверхні найчастіше здійснюють для того, щоб деталь, яка виходить у результаті, набула властивостей того матеріалу, яким здійснюється покриття заготовки (наприклад, набула блиску золота або нікелю). Крім того, використовувати гальваніку вельми вигідно, оскільки заготовку досить просто покрити шаром завтовшки в кілька сотень молекул дорогоцінного металу, а не виготовляти деталь з нього повністю. У наявності багаторазова економія.

Наприклад, утворення захисного хромового шару додасть виробу підвищену твердість, а якщо заготівля зроблена з вуглецевої сталі, то вона більше ніколи не буде схильна до корозії. Гальваніка металу широко застосовується для обробки різних вузлів і деталей верстатів та іншого обладнання. Хром надає виробу дзеркального блиску і стійкості під час роботи на стирання, проте це вкрай крихкий метал, і виготовити з нього верстатну деталь, яка б не зламалася в процесі експлуатації, неможливо. Фактично хромовані деталі є композитними матеріалами.

Сучасні гальванічні процеси проводяться з використанням ванн. У таку ємність заливається електроліт, який являє собою розчин солі того металу, яким ви хочете покрити заготовку. До останньої підключається катод, а анод занурюється в розчин. Після замикання електроланцюга починається процес електролітичної дисоціації, внаслідок якої іони металу в атомах солі відриваються від кислотного залишку і рівномірно осідають на катоді, яким є деталь. Кислотні залишки залишаються в розчині, знижуючи тим самим концентрацію корисної речовини в електроліті.

Якщо порівняти цю технологію з іншими способами покриття металевих заготовок, то можна позначити такі переваги гальваніки:

• при використанні пульверизатора або розпилювального фарбопульта неможливо домогтися настільки ідеального рівномірного шару покриття;
• при застосуванні гальванічної технології вдається домогтися найбільш якісної адгезії (шар покриття триматиметься на поверхні заготовки максимально міцно).

Іноді "розпилювальну" обробку видають за гальванічну. За допомогою фарбопульта наносять сріблясту фарбу, а зверху покривають поверхню колорованим лаком. Розпізнати підробку можна саме за неоднорідністю шару покриття, що впадає в око, який легко оцінити за "кривим" відблиском. На відміну від підробки, виріб, що пройшов гальванічну обробку, має дуже щільний і вкрай стійкий (добре адгезізований) шар. При цьому він набуває також усіх властивостей металу покриття.

Суть процесу гальваніки металу

Але гальванічний метод використовується не тільки для отримання виключно тонких покриттів. За допомогою такої методики можна формувати і відносно товсті шари для виробництва технічних деталей. Взагалі, різновиди гальваніки визначаються характеристиками одержуваного покриття: його товщиною, а також особливостями підготовки (необхідністю травлення і полірування).

Алгоритм застосування гальванічної технології:

1. Для початку заготовку ретельно оглядають на предмет наявності різних дефектів поверхні (тріщин, сколів тощо).
2. Потім проводять процедуру знежирення і (за необхідності) травлення та активації поверхні.
3. Підбирають склад електроліту, який надалі заливають у ванну.
4. Заготовку, підключену до катода, не поспішаючи занурюють у ванну.
5. Електроланцюг замикають. Через виріб, що покривається, а також електроліт починає проходити електричний струм.
6. Атоми металу під впливом електромагнітного поля починають відриватися від кислотних залишків і буквально "прилипати" до негативно заряджених атомів металевої поверхні заготовки. Таким чином, по всій заготовці формується ідеально рівномірний тонкий шар металу.
7. Після того як сформовано шар достатньої товщини (визначають за нормативом часу подачі струму), ланцюг розмикають, електролітична дисоціація зупиняється. Готовий виріб повільно витягують, промивають і висушують. За необхідності він проходить додаткову обробку.

Загалом технологія гальванічного напилення проста, проте в ній присутня маса нюансів, а тому вона вимагає наявності спеціалізованого обладнання, а також певних компетенцій обслуговуючого персоналу.

Найчастіше метод гальванічного напилення використовують для того, щоб надати механічним вузлам, контактним групам, окремим поверхням характерних властивостей металу, що наноситься. Наприклад, дорогоцінні метали (родій, паладій і золото) наносять на електричні контакти. Застосовують ці метали для надання виробам хімічної стійкості, а також для підтримки рівня постійного опору.

Зрозуміло, потрібне дотримання зернистості покриття, однак це завдання стає актуальним за товщини шару покриття понад 20 мікрон. Так звана товста гальваніка надає виробу високу зносостійкість і властивість безпористості, тобто хімічні властивості матеріалу заготовки (його реактивність) у розрахунок не беруться.

Нікелеве покриття створюється для деталей вузлів і агрегатів, що зазнають на собі безперервного механічного впливу. Нікель досить твердий і відносно недорогий метал, а тому його також наносять на вироби з вуглецевої сталі, яким загрожує корозія (через агресивні умови експлуатації, наприклад).

Іноді за допомогою гальваніки наносять шари-змазки. Це такі металеві покриття, які дають змогу забезпечити, наприклад, щільне притирання деталей, що рухаються відносно одна одної, в умовах, коли з якихось причин не можна використовувати мастильні матеріали. До числа таких складів належать олов'яні, індієві або ж свинцеві покриття. Товщина шару при цьому досить велика і становить від 30 до 50 мкм.

І, звісно ж, найчастіше гальваніку використовують для посріблення або позолоти ювелірних виробів, тобто в декоративних цілях.

Матеріали та обладнання для гальваніки металу

Який би різновид покриття не був потрібен, для здійснення гальванізації потрібне типове обладнання. Різниця може полягати лише в габаритах оброблюваних таким способом заготовок - великогабаритним виробам потрібні масштабні ванни.

Також якісні характеристики покривних шарів залежать від складу електроліту. Деякі формати покриттів і зовсім мають до гальваніки вельми віддалений стосунок. Так, наприклад, так зване холодне цинкування здійснюється за допомогою складу під назвою "Гальванолом". Але ніяка ванна тут не потрібна - ця рідка суспензія наноситься на метал як крем на шкіру (після нанесення розтирається). Зрозуміло, такий склад не буде стійким ні до розчинників, ні навіть до корозії тієї ж сталі.

Гальванічні ванни поділяються на кілька груп:

• Великогабаритні.
• Середніх розмірів (це найбільш затребувані ванни в умовах потокових виробництв).
• Малі. Використовуються переважно для гальванізації дрібних деталей. З їхньою допомогою проводити гальваніку металу можна навіть у домашніх умовах. Такі ванни виконують завдання поповнення убуваючого металу в процесі гальванічного напилення і можуть виготовлятися з різних матеріалів.

До обраного типу електроліту дуже важливо підібрати відповідну щільність струму. Залежно від різновиду виконуваної операції ці параметри можуть змінюватися.

Види гальванічних покриттів металу

Зазвичай гальванічний процес відбувається за участю матеріалів декількох різновидів, що володіють потрібними властивостями. Використання такого поєднання дає змогу отримати стійкий результат - покриття зі специфічними властивостями. Однак кожне завдання вимагає певного технологічного підходу:

Хромування

Тут хром не наноситься, а буквально впроваджується в поверхню заготовки, виділяючись з електроліту. У підсумку готовий виріб набуває стійкості до корозії в агресивних умовах експлуатації. Крім цього, посилюється твердість поверхні виробу, тому деталі після такої обробки застосовують у багатьох галузях промисловості як функціональні вузли обладнання.

Цинкування

На поверхню заготовки наноситься шар цинку. Цей метал не піддається корозійному впливу, тому дана обробка здатна багаторазово продовжити експлуатаційний ресурс деталі, виконаної зі звичайних вуглецевих сортів сталі.

Травлення

Під травленням розуміється зняття із заготовки поверхневого шару за допомогою пропускання через електроліт електричного струму. Так, гальваніка - це не тільки нанесення покриття. З її допомогою можна акуратно і рівномірно зняти верхній шар з металевого виробу.

Зазвичай це потрібно для розкриття різних дефектів заготовки (тріщин, а також ушкоджень, завданих корозією). Іноді після зняття подібної "стружки" залишається тільки нанести фінішне покриття, наприклад, за допомогою фарбопульта.

Золочення і сріблення

Ці процедури застосовуються в ювелірній справі. Заготівлю опускають у гальванічну ванну з електролітом, у якому розчинені іони золота або срібла. У підсумку під дією електричного струму на поверхні утворюється найтонший золотий наліт. При цьому ні в кого не буде жодного сумніву (або доказу), що цей виріб виконаний не із золота цілком.

Міднення

Це, як правило, проміжна операція, оскільки обміднена поверхня погано протистоїть корозійному впливу. Мідь має властивість окислюватися на повітрі. Тому після цієї процедури зазвичай наносять як мінімум ще один шар покриття. Для цього використовують кислотні або лужні електролітні склади.

Латунування

Для гальванізації в цьому разі застосовуються ціанисті електроліти міді, цинку, натрію або калію. Латунь - чудовий провідник, але зазвичай гальванізація цим металом здійснюється для того, щоб надати виробу поліпшених декоративних якостей (особливо це стосується білого латунування). Але також ця процедура здійснюється і для обробки промислових деталей: наприклад, зазвичай латунують сталеві заготовки, які надалі передбачається обклеювати гумою.

Гальваніка алюмінію

До гальванічних покриттів алюмінію можна віднести поєднання:

• мідь - нікель - хром;
• нікель - хром;
• свинець - олово;
• мідь - олово;
• латунування;
• цинкування.

З алюмінієм у цьому випадку працювати важко, оскільки на поверхні цього металу присутня оксидна плівка, що ускладнює процес гальванізації.

Переваги та недоліки гальваніки металу

Гальваніка вирізняється такими переважними особливостями:

• Покриватися можуть абсолютно будь-які металеві заготовки незалежно від їхніх форм і розмірів.
• Шар покриття рівномірний за товщиною і має високу щільність.
• Поверхневий шар вирізняється якісною адгезією із заготівлею.
• І декоративні, і антикорозійні характеристики готового виробу мають високий рівень якості та стійкості.
• Товщину утвореного шару можна регулювати.
• Технологія гальванічного напилення відносно проста і відпрацьована.
• Це найдешевший спосіб надання дорогого вигляду (і якісних властивостей) заготовці.

Недоліки гальваніки:

• Досить низька продуктивність обладнання. Гарячим методом можна обробляти вироби, сукупною вагою в сотні тонн. Гальваніка ж потребує тонкого налаштування. Як наслідок, гальваніка завжди буде дорожчою за гарячий метод напилення.
• Для отримання необхідної якості обробки потрібно максимально точно налаштувати обладнання.
• Для дуже великих виробів гальваніка, як правило, не підходить зовсім. Крім того, що більша заготівля, то більше електроенергії потрібно витратити.

Області застосування гальваніки металу

Для чого ж потрібна гальваніка металу? Якщо коротко, то для:

Утворення захисного шару
Наприклад, оцинкована вуглецева сталь служить у 20-25 разів довше за свій необроблений аналог.

Поліпшення зовнішніх властивостей
Гальванізація дає змогу відновити блиск ваших старих, красивих, дорогих (зокрема серцю) ювелірних предметів.

Всіляких спеціальних вимог
За допомогою гальваніки можна поліпшити властивості матеріалу (металу) заготовки. Наприклад, таким способом ліквідують мікротріщини.

Використання гальванізації широко поширене:

• в автомобілебудуванні;
• при виробництві ювелірних прикрас;
• при обробці різних металоконструкцій;
• для надання особливих властивостей будівельним матеріалам;
• при виробництві посуду;
• у процесі виготовлення кріпильних деталей;
• для обробки елементів промислового обладнання;
• при створенні компакт-дисків.

При цьому і функціональні, і естетичні якості сформованих покриттів перебувають на високому якісному рівні. Саме тому гальванічна технологія задіюється і в приладобудуванні, і при виготовленні інструментів, і в ювелірній галузі, і навіть у косметології!