Гальваника металла: способы и принципы

О чем речь? Гальваника металла – особый способ его обработки для придания дополнительных качеств. Благодаря этому сфера использования материала становится шире.

Как происходит? Есть несколько методов гальванического покрытия. Их выбор зависит от условий использования и конечного результата. Некоторые из них применяются лишь в промышленности, но часть доступна для самостоятельного употребления. Но в целом принципы каждого способа похожи.

Что такое и для чего нужна гальваника металла

Раздел электрохимии, посвященный изучению процессов осаждения атомов металла на какой-либо поверхности, называется гальваникой. С помощью такого процесса производят покрытие более дешевых, но прочных металлов и сплавов более дорогими (и даже драгоценными):

• золотом;
• серебром;
• родием и др.

Это нужно для:

• достижения декоративного эффекта;
• обеспечения прохождения каких-либо физических процессов;
• придания исходному металлическому изделию коррозионной устойчивости;
• обеспечения долговечности и износостойкости и пр.

Итак, гальваническое покрытие образует прочный слой атомов одного (более ценного) металла на заготовке, выполненной из другого. Получающееся изделие существенно улучшает свои свойства, в результате чего значительно расширяется сфера его потенциального использования. Гальванические процессы начали осваиваться человечеством еще несколько столетий назад. С их помощью удавалось сберечь многие сотни килограммов драгоценных металлов без снижения характеристик получаемых поверхностей.

Название процесса (и науки) гальваники происходит от имени первопроходца в этой сфере – итальянца Луиджи Гальвани, который создал прообраз будущих аккумуляторов. Кроме того, он разработал не только способ, но и полноценную теорию технологии, изучая различные аспекты электрофизических процессов.

Но более активное, широкое применение гальванических процессов связано с именем ученого Бориса Якоби – именно он смог поставить технологию на промышленные рельсы. К концу 40-х годов XIX века гальванические методы обработки стали интенсивно применять при производстве монет, а также некоторых элементов оборудования и произведений искусства.

С помощью гальваники на поверхность металлической заготовки можно электрохимическим способом наносить как слои металла, так и неметалла. В понятие данной технологии входит как сам процесс нанесения покрытия, так и комплекс подготовительных действий – строгий алгоритм, без выполнения которого невозможно получить качественный результат.

Гальванические процессы проходят при пропускании через заготовку электрического тока (в ванне с электролитом). Однако в некоторых случаях нанести тончайший слой драгоценного металла можно и без электромагнитного поля (достаточно вспомнить, как золотились медные листы для покрытия купола Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге – в данном химическом гальваническом процессе использовалась ртутно-золотая амальгама).

В современном мире гальванический метод обработки изделий очень распространен в самых разных отраслях производства (и не только для создания товаров конечного потребления).

Что же такое гальваника металла в производстве? Гальваническую обработку поверхности чаще всего осуществляют для того, чтобы получающаяся в результате деталь обрела свойства того материала, которым осуществляется покрытие заготовки (например, приобрела блеск золота или никеля). Кроме того, использовать гальванику весьма выгодно, так как заготовку достаточно просто покрыть слоем толщиной в несколько сотен молекул драгоценного металла, а не изготавливать деталь из него полностью. Налицо многократная экономия.

К примеру, образование защитного хромового слоя придаст изделию повышенную твердость, а если заготовка сделана из углеродистой стали, то она больше никогда не будет подвержена коррозии. Гальваника металла широко применяется для обработки различных узлов и деталей станков и другого оборудования. Хром придает изделию зеркальный блеск и стойкость при работе на истирание, однако это крайне хрупкий металл, и изготовить из него станочную деталь, которая бы не сломалась в процессе эксплуатации, невозможно. Фактически хромированные детали являются композитными материалами.

Если сравнить данную технологию с другими способами покрытия металлических заготовок, то можно обозначить следующие преимущества гальваники:

1. при использовании пульверизатора или распыляющего краскопульта невозможно добиться столь идеального равномерного слоя покрытия;
2. при применении гальванической технологии получается добиться наиболее качественной адгезии (слой покрытия будет держаться на поверхности заготовки максимально крепко).

Иногда «распылительную» обработку выдают за гальваническую. С помощью краскопульта наносят серебристую краску, а сверху покрывают поверхность колорированным лаком. Распознать подделку можно именно по бросающейся в глаза неоднородности слоя покрытия, который легко оценить по «кривому» отблеску. В отличие от подделки, изделие, прошедшее гальваническую обработку, имеет очень плотный и крайне стойкий (хорошо адгезированный) слой. При этом оно обретает также все свойства металла покрытия.

Суть процесса гальваники металла

Но гальванический метод используется не только для получения исключительно тонких покрытий. С помощью такой методики можно формировать и относительно толстые слои для производства технических деталей. Вообще, разновидности гальваники определяются характеристиками получаемого покрытия: его толщиной, а также особенностями подготовки (необходимостью травления и полировки).

Алгоритм применения гальванической технологии:

1. Для начала заготовку тщательно осматривают на предмет наличия различных дефектов поверхности (трещин, сколов и пр.).
2. Затем проводят процедуру обезжиривания и (при необходимости) травления и активации поверхности.
3. Подбирают состав электролита, который в дальнейшем заливают в ванну.
4. Заготовку, подключенную к катоду, не спеша погружают в ванну.
5. Электроцепь замыкают. Через покрываемое изделие, а также электролит начинает проходить электрический ток.
6. Атомы металла под воздействием электромагнитного поля начинают отрываться от кислотных остатков и буквально «прилипать» к отрицательно заряженным атомам металлической поверхности заготовки. Таким образом, по всей заготовке формируется идеально равномерный тонкий слой металла.
7. После того как сформирован слой достаточной толщины (определяют по нормативу времени подачи тока), цепь размыкают, электролитическая диссоциация останавливается. Готовое изделие медленно извлекают, промывают и высушивают. При необходимости оно проходит дополнительную обработку.

Чаще всего метод гальванического напыления используют для того, чтобы придать механическим узлам, контактным группам, отдельным поверхностям характерные свойства наносимого металла. К примеру, драгметаллы (родий, палладий и золото) наносят на электрические контакты. Применяют эти металлы для придания изделиям химической стойкости, а также для поддержания уровня постоянного сопротивления.

Разумеется, требуется соблюдение зернистости покрытия, однако данная задача становится актуальной при толщине покрывающего слоя свыше 20 микрон. Так называемая толстая гальваника придает изделию высокую износостойкость и свойство беспористости, то есть химические свойства материала заготовки (его реактивность) в расчет не принимаются.

Никелевое покрытие создается для деталей узлов и агрегатов, испытывающих на себе непрерывное механическое воздействие. Никель достаточно твердый и относительно недорогой металл, а потому его также наносят на изделия из углеродистой стали, которым угрожает коррозия (в силу агрессивных условий эксплуатации, к примеру).

Иногда с помощью гальваники наносят слои-смазки. Это такие металлические покрытия, которые позволяют обеспечить, к примеру, плотную притирку движущихся относительно друг друга деталей в условиях, когда по каким-то причинам нельзя использовать смазочные материалы. К числу таких составов относятся оловянные, индиевые или же свинцовые покрытия. Толщина слоя при этом достаточно большая и составляет от 30 до 50 мкм.

И, конечно же, чаще всего гальванику используют для посеребрения или золочения ювелирных изделий, то есть в декоративных целях.

Материалы и оборудование для гальваники металла

Какая бы разновидность покрытия ни требовалась, для осуществления гальванизации нужно типовое оборудование. Различие может заключаться лишь в габаритах обрабатываемых таким способом заготовок – крупногабаритным изделиям требуются масштабные ванны.

Также качественные характеристики покрывающих слоев зависят от состава электролита. Некоторые форматы покрытий и вовсе имеют к гальванике весьма отдаленное отношение. Так, например, так называемое холодное цинкование осуществляется при помощи состава под названием «Гальванолом». Но никакая ванна здесь не нужна – данная жидкая суспензия наносится на металл как крем на кожу (после нанесения растирается). Разумеется, такой состав не будет устойчив ни к растворителям, ни даже к коррозии той же стали.

Гальванические ванны подразделяются на несколько групп:

• Крупногабаритные.
• Средних размеров (это наиболее востребованные ванны в условиях поточных производств).
• Малые. Используются преимущественно для гальванизации мелких деталей. С их помощью проводить гальванику металла можно даже в домашних условиях. Такие ванны выполняют задачу восполнения убывающего металла в процессе гальванического напыления и могут изготавливаться из различных материалов.

Виды гальванических покрытий металла

Обычно гальванический процесс происходит с участием материалов нескольких разновидностей, обладающих нужными свойствами. Использование такого сочетания позволяет получить устойчивый результат – покрытие со специфичными свойствами. Однако каждая задача требует определенного технологического подхода:

Хромирование

Здесь хром не наносится, а буквально внедряется в поверхность заготовки, выделяясь из электролита. В итоге готовое изделие обретает устойчивость к коррозии в агрессивных условиях эксплуатации. Помимо этого, усиливается твердость поверхности изделия, поэтому детали после такой обработки применяют во многих отраслях промышленности в качестве функциональных узлов оборудования.

Цинкование

На поверхность заготовки наносится слой цинка. Этот металл не поддается коррозионному воздействию, поэтому данная обработка способна многократно продлить эксплуатационный ресурс детали, выполненной из обычных углеродистых сортов стали.

Травление

Под травлением понимается снятие с заготовки поверхностного слоя посредством пропускания через электролит электрического тока. Да, гальваника – это не только нанесение покрытия. С ее помощью можно аккуратно и равномерно снять верхний слой с металлического изделия.

Обычно это нужно для вскрытия различных дефектов заготовки (трещин, а также повреждений, нанесенных коррозией). Иногда после снятия подобной «стружки» остается только нанести финишное покрытие, например, с помощью краскопульта.

Золочение и серебрение

Эти процедуры применяются в ювелирном деле. Заготовка опускается в гальваническую ванну с электролитом, в котором растворены ионы золота или серебра. В итоге под действием электрического тока на поверхности образуется тончайший золотой налет. При этом ни у кого не будет ни единого сомнения (или доказательства), что данное изделие выполнено не из золота целиком.

Меднение

Это, как правило, промежуточная операция, так как омедненная поверхность плохо противостоит коррозионному воздействию. Медь имеет свойство окисляться на воздухе. Поэтому после данной процедуры обычно наносят как минимум еще один слой покрытия. Для этого используют кислотные или щелочные электролитные составы.

Латунирование

Для гальванизации в данном случае применяются цианистые электролиты меди, цинка, натрия или калия. Латунь – отличный проводник, но обычно гальванизация этим металлом осуществляется для того, чтобы придать изделию улучшенные декоративные качества (особенно это относится к белому латунированию). Но также данная процедура осуществляется и для обработки промышленных деталей: к примеру, обычно латунируют стальные заготовки, которые в дальнейшем предполагается обклеивать резиной.

Гальваника алюминия

К гальваническим покрытиям алюминия можно отнести сочетания:

• медь – никель – хром;
• никель – хром;
• свинец – олово;
• медь – олово;
• латунирование;
• цинкование.

Преимущества и недостатки гальваники металла

Гальваника отличается следующими преимущественными особенностями:

1. Покрываться могут абсолютно любые металлические заготовки вне зависимости от их форм и размеров.
2. Слой покрытия равномерен по толщине и имеет высокую плотность.
3. Поверхностный слой отличается качественной адгезией с заготовкой.
4. И декоративные, и антикоррозионные характеристики готового изделия имеют высокий уровень качества и стойкости.
5. Толщину образуемого слоя можно регулировать.
6. Технология гальванического напыления относительно проста и отработана.
7. Это самый дешевый способ придания дорогостоящего вида (и качественных свойств) заготовке.

Недостатки гальваники:

1. Весьма низкая производительность оборудования. Горячим методом можно обрабатывать изделия, совокупным весом в сотни тонн. Гальваника же нуждается в тонкой настройке. Как следствие, гальваника всегда будет дороже горячего метода напыления.
2. Для получения требуемого качества обработки нужно максимально точно настроить оборудование.
3. Для очень крупных изделий гальваника, как правило, не подходит вовсе. Кроме того, чем крупнее заготовка, тем больше электроэнергии потребуется затратить.

Области применения гальваники металла

Для чего же нужна гальваника металла? Если коротко, то для:

Образования защитного слоя

К примеру, оцинкованная углеродистая сталь служит в 20–25 раз дольше своего необработанного аналога.

Улучшения внешних свойств

Гальванизация позволяет восстановить блеск ваших старых, красивых, дорогих (в том числе сердцу) ювелирных предметов.

Всевозможных специальных требований

С помощью гальваники можно улучшить свойства материала (металла) заготовки. К примеру, таким способом ликвидируют микротрещины.

Использование гальванизации широко распространено:

1. в автомобилестроении;
2. при производстве ювелирных украшений;
3. при обработке различных металлоконструкций;
4. для придания особых свойств строительным материалам;
5. при производстве посуды;
6. в процессе изготовления крепежных деталей;
7. для обработки элементов промышленного оборудования;
8. при создании компакт-дисков.

При этом и функциональные, и эстетические качества сформированных покрытий находятся на высоком качественном уровне. Именно поэтому гальваническая технология задействуется и в приборостроении, и при изготовлении инструментов, и в ювелирной отрасли, и даже в косметологии!