КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Основы электрохимии

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Согласовано	Утверждаю
Руководитель направления ООП261400, декан МФ проф. ______________Е.И. Пряхин «31» марта 2013 г.	Зав. кафедрой МиТХИ, проф. __________ Е.И. Пряхин «31» марта 2013 г.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

(учебное пособие)

« Основы электрохимии»

Направление подготовки: 261400 «Технология художественной обработки материалов»

Профиль: «Технология художественной обработки материалов»

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

 

Составитель:профессор кафедрыМиТХИПирайнен В.Ю.

 

Программа является приложением

к учебному плану в соответствии с ФГОС-2009

Санкт-Петербург

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………….

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

 

Лекция 1. Природа и механизм электрохимических процессов в окружающей

среде и живых организмах …………………………………………….

Вопросы для самоконтроля ……………………………………………

 

ГАЛЬВАНОПЛАСТИКА

 

Лекция 2. История создания и развития гальванопластики . Основные

термины и положения…………………………………………………

Вопросы для самоконтроля …………………………………………..

 

Лекция3. Технология изготовления художественных изделий

средствами гальванопластики ……………………………………….

Вопросы для самоконтроля …………………………………………..

 

Лекция 4. Физико-механические свойства и структура электроосаждённых

металлов и сплавов . Промышленное применение технологии

гальванопластики……………………………………………………..

Вопросы для самоконтроля ………………………………………….

 

ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ

 

Лекция 5. Технологический процессе нанесениягальванических покрытий .

Защитно-декоративные покрытия ……………………………………

Вопросы для самоконтроля …………………………………………..

 

Лекция 6. Защитные покрытия. Покрытия для увеличения износостойкости ..

Вопросы для самоконтроля ………………………………………….

 

ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

 

Лекция 7. Оборудование гальванических цехов ………………………………

Вопросы для самоконтроля …………………………………………

 

Лекция 8. Контроль качества гальванических покрытий. Методы

мониторинга технического состояния исторических

художественных произведений искусства …………………………

Вопросы для самоконтроля ………………………………………..

Заключение ………………………………………………………………………

 

Список литературы :

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Настоящий конспект лекций составляет основу учебной дисциплины «Основы электрохимии» и предназначен для студентов очной формы обучения квалификации бакалавр, обучающихся по направлению 261400 « Технология художественной обработки материалов ».

Целью изучения данной дисциплины является приобретение студентами знаний в области электрохимических технологий применяемых при производстве продукции художественного и декоративно-прикладного искусства.

Задачи изучения дисциплины – освоение студентами физико-химических основ природных электрохимических процессов и основных положений гальванотехники , истории и современного их использования при производстве промышленной продукции и произведений художественного и декоративно-прикладного искусства.

Дисциплина «Основы электрохимии», по инициативе автора, впервые включена в учебный план подготовки студентов по направлению 261400 «Технология художественной обработки материалов» на основании сформировавшегося в настоящее время растущего спроса на гальванотехническую продукцию художественного и декоративно-прикладного искусства, и запроса сегодняшнего производства на специалистов данного профиля.

Большая роль в формировании эстетических характеристик, надёжности и долговечностихудожественных изделий и произведений искусства из металла принадлежит гальваническим покрытиям, которые наряду с приданием декоративных качеств защищают металлы и сплавы от коррозии. Гальванические покрытия – металлическая плёнка ( толщиной от долей микрометра до десятых долей миллиметра), наносимая на поверхность металлических изделий методом электролитического осаждения .

Существует две области гальванотехники . Одна занимается осаждением тонкого слоя металла на другой металл для защиты его от коррозии или декоративной отделки, придающей изделию красивый вид. К таким металлическим покрытиям относятся никелирование, хромирование, золочение, серебрение и многие другие покрытия. Эта область гальванотехники называется гальваностегией .

Другая область гальванотехники – гальванопластика, основанная на электролизе водных растворов солей металлов, которые в результате электролиза выделяют металл, осаждающийся толстым слоем ( в мм и более ) на поверхности детали.

Гальванопластику используют для получения точных металлических копий на металлическом или неметаллическом оригинале, наиболее распространена для гальваностереотипов . Изделия художественной гальванопластики как правило изготавливаются по оригинал-макетам выполненным в мягком материале. В настоящее время технология гальванопластики находит всё большее применение в художественных промыслах, что свидетельствует о возрождении этого вида технического творчества и востребованности его обществом.

 

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

 

Лекция 1

 

Природа и механизм электрохимических процессов

В окружающей среде и живых организмах

Как это не удивительно, но рассмотрение общих вопросов электрохимии мы начнём с вопросов жизни, болезней, старения и смерти живых организмов, т.е. с… В этой части лекции мы будем часто обращаться к материалам А.Н. Стацкевича и… Начнём с широкого понятия «окисление», которым прежде всего называют любой химический процесс, при котором от атома…

Биологический порядок переноса электронов (БППЭ).

Cвободные радикалы с кислородом в качестве центрального атома печально известны своим губительным, разрушительным типом окислительного воздействия,… Перенос электронов, подобный осуществляемому в аккумуляторе или батарейке… Для осуществления переноса электронов Природа использует массу специализированных молекул, которые обладают…

Лекция 2

История создания и развития гальванотехники.

Основные термины и положения

Того самого Б. С. Якоби, который в 1834 году в Кёнигсберге изобрёл первый электродвигатель. 4 октября 1838 года академик Б.С. Якоби направил письмо непременному секретарю… В промышленности широко использовать гальванопластику начали в 40-60 гг. ХХ века. В ХIХ веке её применение…

Лекция 3

Технологияизготовленияхудожественных

Изделийсредствамигальванопластики

При производстве различных изделий средствами гальванотехники сложились некоторые специфические термины. Например, формой (в отличие от литейной… В технологическом процессе гальванопластики важное значение имеет правильный… По теплофизическим свойствам (коэффициент объемного линейного расширения, температура плавления, теплопроводность,…

Катод Анод

 

Основные виды работ в гальванопластике: изготовление форм , нанесение проводящего (или разделительного) слоя, первичное осаждение металла — затяжка, наращивание металла, удаление технологических припусков, отделение формы от изделиями В технологической схеме гальванопластики перед основным электролизом предусматривается электрохимическая операция которая называется затяжкой. Под затяжкой понимают первичное наращивание металла на токопроводящий или разделительный слой до полного его закрытия. Составы электролитов и режим электролиза для процессов затяжки значительно отличаются отосновных электролитов.

На рис. 3.1 представлена технологическая схема процесса гальванопластики.

 

ФОРМЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В

ГАЛЬВАНОПЛАСТИКЕ

Общие сведения о формах

Формой в гальванопластике называют специально изготовленный образец, с которого снимают копии готовых изделий. В отдельных случаях формой может служить готовое изделие.

Выбор материала форм, конструирование и изготовление ихявляются наиболее ответственными стадиями в технологии гальванопластики. Формы могут быть выполнены из самых разных материалов — металлов и сплавов, пластмасс, восковых композиций, гипса, дерева, стекла и т.д.

При конструировании форм необходимо избегать наличия острых углов и глубоких выемок. Это требование обусловлено , тем что при электроосаждении металлов происходит неравномерноераспределение осадка по поверхности катода. Вследствие этого наострых гранях и углах образуются наросты металла в виде дендритов, ав углублениях — наоборот, слой осадка очень тонок . По этой причине при отделении от формы деталь может сломаться .Во избежание этого предусматривают скругление контура. В некоторых случаях в острый угол помещается специальная вставка, которая в дальнейшем сращивается с осажденным слоем металла.

Для обеспечения легкого съема деталей следует предусматривать уклоны в сторону съема до 0,025 мм. В тех случаях, когда конструкция детали исключает возможность уклона, формы необходимо изготавливать из материала с низким коэффициентом теплового расширения, чтобы путем нагрева обеспечить различное расширение осадка и формы.

Шероховатость поверхности снимаемой копии определяется шероховатостью поверхности формы. Чем меньше шероховатость поверхности формы, тем легче происходят отделение и съем полученной детали.

Большое внимание обращается на механические свойства форм. Материал форм должен обладать достаточной твердостью, пластичностью, вязкостью, износостойкостью. Физико-химические свойства материала формы подбирают так, чтобы он выдерживал агрессивное воздействие растворов, не подвергался коррозионному разрушению и не взаимодействовал с материалом копии. Материал, используемый для изготовления форм, должен обладать способностью образовывать на поверхности пассивные пленки, препятствующие сцеплению основы с осажденным металлом. При выборе материала форм необходимо учитывать его стоимость и дефицитность, так как стоимость изделия, полученного методом гальванопластики, определяется главным образом стоимостью формы. В свою очередь стоимость форм значительно снижается, если их можно изготовить литьем или прессованием, и повышается в случае применения механической обработки.

Постоянные формы

Наиболее широко для изготовления постоянных форм применяют коррозионно-стойкие стали типа Х18Н9Т. Такие формы обладают высокой коррозионной… Вязкость и сравнительно небольшая твердость стали Х18Н9Т затрудняют ее… В тех случаях, когда можно наращивать металлы из щелочных электролитов, целесообразно использовать хромистые…

Разрушаемые формы

Разрушаемые формы можно разделить на четыре группы: вытравляемые, выплавляемые, растворяемые, разрушаемые механическим путем. Для вытравляемых форм наиболее часто используют алюминий и его сплавы, которые… К недостаткам вытравляемых форм из алюминия относятся' длительность их растворения, а также более высокая стоимость по…

Нанесение разделительного слоя

Чтобы снять гальваническую копию формы из непроводника, на него приходится наносить проводящий слой, а чтобы снять копию с проводника, необходимо создать возможность отделения от него отложенного слоя металла.

Если формой служит мягкоплавкий сплав, то отделение его производится выплавлением. Но для нас представляет особый интерес другой случай: снятие копии с рельефа, полученного гальваническим отложением меди.

Если без применения каких-либо специальных приемов наращивать на медную форму слой меди, металл срастается в одно целое и отделить слой совершенно невозможно.

Прием, который позволяет осуществить такое отделение, играет в гальванопластике исключительно важную роль и заключается в нанесении разделительного слоя.

Сущность разделительного слоя состоит в том, что он препятствует сращиванию осаждаемого металла с металлом формы, так как располагается между ними. В то же время этот слой так тонок, что создаваемое им омическое сопротивление не может воспрепятствовать прохождению тока, иначе само наращивание стало бы невозможным.

Подготовка поверхности металлических форм

Перед осаждением

Органические растворители подразделяют на две группы: горючие и негорючие. К первым относятся бензол, этиловый спирт, уайт-спирит; ко вторым —… Обезжиривание в органическом растворителе — предварительная операция, полное… Стальные формы с малой шероховатостью поверхности чаще всего обезжиривают венской известью, смоченной водой, избегая…

Подготовка поверхности форм

Из неметаллических материалов

Выбор растворов для обезжиривания зависит от свойств материала формы. Обезжиривание форм из полимерных материалов осуществляют в органических… Наиболее простой и удобный способ создания токопроводящих слоев на поверхности… Более детальные сведения о процессах нанесения химических покрытий можно найти в выпусках “Библиотечки…

Требования, предъявляемые к электролитам

Известно, что при электроосаждении металла даже сравнительно небольшие изменения в составе электролита и режиме электролиза приводят к изменению… Для интенсификации процесса наращивания толстых слоев металла в… Большое значение в гальванопластике имеют вопросы, связанные со стабильностью состава электролита. Стабильные…

Вопросы для самоконтроля

 

1.Что такое гальванопластика?

 

2.Основные технологические операции гальванопластики.

3.Что такое форма?

4.Виды форм в гальванопластике.

5.Функция разделительного слоя.

6.Какие технологические операции включает

в себя подготовка поверхности формы?

Лекция 4

Физико-механические свойства и структура электроосаждённых металлов и сплавов. Промышленное применение технологии гальванопластики.

Структура и свойства меди

Для осадков меди, полученных без специальных добавок, характерна крупнокристаллическая столбчатая структура. По мере увеличения толщины осадка от 20… При уменьшении в сульфатном электролите концентрации сульфата меди и повышении… Из данных, представленных в табл. 4.1 видно, что с повышением концентрации сульфата меди и с понижением содержания…

Вопросы для самоконтроля

1.Основные характеристики осадков меди, формирующихся в процессе гальванопластики

2.Факторы, определяющие физико-механические свойства меди при различных режимах гальванопластики.

 

Промышленное применениегальванопластики

В значительной степени успешное применение технологии гальванопластики зависит от правильной реализации химических и электрохимических процессов, конструкторских решений, механической обработки материалов и конструирования из них моделей и конструкций, содержащих копии.

Технология наращивания копии

Нанесение первичных слоев металла (затяжка) на неметаллическую модель с электропроводным слоем на поверхности выполняют при плотности тока не более… На электропроводные слои серебра рекомендуется наносить первичные слои из… Из любых электролитов наращивают копии на электропроводные слои, полученные химическим меднением или никелированием. …

Некоторые подходы к систематизации промышленного применения гальванопластики

Систематизация материала по промышленному применению гальванопластики непосредственно связана с совершенствованием ее технологии и перспективами распространения. Все известные попытки систематизации заключаются в рассмотрении гальванопластики по отраслям или по технологии изготовления

 

Классификатор типовых конструкций формообразующих деталей пресс-форм, изготовленных методом гальванопластики

Наименование вставок в пресс-формы

Поверхности вращения с профильными углублениями или выступами

Сложные фасонные поверхности

Модели для изготовления трубчатообразных вставок h/d>3

 

 

Модели для изготовления неразъемных вставок с гладкой разъемной плоскостью

 

 

Модели для изготовления неразъемных вставок с ломаной разъемной плоскостью

 

 

Модели для изготовления неразъемных вставок с фасонной разъемной поверхностью

 

 

Модели для изготовления разъемных вставок с гладкой разъемной плоскостью, одноместные

 

 

 

Наименование вставок в пресс- формы	Поверхности вращения с профильными углублениями или выступами	Сложные фасонные поверхности
Модели для изготовления трубчатообразных вставок h/d>3
Модели для изготовления неразъемных вставок с гладкой разъемной плоско
Модели для изготовления неразъемных вставок с ломаной разъемной плоскостью
Модели для изготовления неразъемных вставок с фасонной разъемной поверхностью
Модели для изготовления разъемных вставок с гладкой разъемной плоскостью, одноместные

 

(например, сеток, фольг, сит, т.е. по группам изделий, объединенных каким-либо технологическим признаком); кроме того, разделяют инструменты, оснастку.

Предложено выделить комбинированную гальванопластику — технологию, связанную с установкой копии в пластмассу или какой-либо другой материал.

Приведем пример “Классификатора типовых конструкций формообразующих деталей пресс-форм, изготовленных методом гальванопластики”, разработанного Центральным проектно-конструкторским бюро механизации и автоматизации (ЦПКБМА). В нем осуществлена связь вида формообразующей поверхности (поверхность вращения, плоскость) с разновидностью одноместных и многоместных пресс-форм, образованных разъемными и неразъемными копиями с гладкой, фасонной или ломаной поверхностью, изготовленными по технологии гальванопластики.

Вопросы для самоконтроля

1. Особенности технологии электрохимического процесса при наращивании копий.

2.Способы регулирования распределения металла по поверхности копии.

 

Лекция 5

Технологический процесс нанесения гальванических покрытий.

Защитно-декоративные покрытия.

В зависимости от назначения и требований гальванические покрытия делят на три типа: защитные применяемые для защиты от коррозии изделий в различных… В качестве з а щ и т н ы х п о к р ы т и й спользуют цинковые, кадмиевые,… При выборе вида защитного покрытия следует учитывать поведение цинковых и кадмиевых покрытий в различных агрессивных…

Технологический процесс нанесения гальванических покрытий

Любой гальванический процесс представляет собой целый комплекс операций. Основные операции технологического цикла: подготовка поверхности основного… Подготовка поверхности основного металла к покрытию является наиболее… В зависимости от назначения покрытий подготовку поверхности основного металла проводят по-разному. Например, перед…

Назначение и область применения никелевых покрытий.

Катодный и анодный процессы при никелировании.

Никелирование применяется в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Никелем покрывают детали из стали и цветных металлов… При электрохимическом осаждении никеля на катоде протекают два основных… В результате разряда ионов водорода концентрация их в прикатодном слое снижается, т. е. электролит защелачивается. При…

Область применения железных покрытий.

Состав ванн и режим работы

В промышленности железнение применяется для восстановления размеров изношенных стальных деталей. Скорость наращивания железа высока и достигает 0,5… Достоинством железнения является малая стоимость реактивов, а также… Хлористые электролиты железнения с использованием скорости наращивания широко применяют для восстановления деталей,…

Лекция 6

Защитные покрытия. Покрытия для увеличения износостойкости.

Свойства и область применения цинковых покрытий

Практическое применение находят следующие способы нанесения цинкового покрытия: погружение деталей в расплавленный цинк (горячий способ); цементация… При горячем способе покрываемые детали погружают в ванну с расплавленным… Способ диффузионного покрытия обладает заметной пористостью и неравномерностью по толщине. Сущность его заключается в…

Свойства и область применения кадмиевых покрытий.

Состав ванн и режим работы.

Кадмирование в отличие от цинкования нельзя осуществлять методом погружения в расплавленный металл из-за выделения вредных паров кадмия. Несмотря на… Электролитическое кадмирование осуществляется из борфтористоводородных и… Борфтористоводородные электролиты кадмирования обеспечивают высокую интенсивность процесса при малом наводороживании…

Назначение и область применения оловянных покрытий.

Сравнительная характеристика электролитов

Высокая устойчивость, а также безвредность оловянных соединений обусловили его широкое применение в пищевой промышленности, особенно при… Олово может осаждаться как из кислых, так и из щелочных электролитов. Характер… Кислые электролиты имеют выход по току, близкий к 100 %, и позволяют применять высокие плотности тока. В кислых…

Назначение и область применения свинцовых покрытий.

Состав ванн и режим работы

Покрытия свинцом имеют органиченное применение в промышленности, поскольку защищают железо от коррозии только механически и, кроме того, соединения… Электролитическое свинцевание производят как в кислых, так и в щелочных…  

Назначение и область применения пористого хромирования

Для увеличения прочности и износостойкости деталей используют гальванические покрытия: никелирование, железнение, хромирование. Несмотря на наличие пор и трещин, имеющихся в блестящем хромовом покрытии, оно… Пористое хромовое покрытие обладает большей пластичностью, чем блестящее, легче прирабатывается и легче воспринимает…

Состав ванн и режим работы для пористого хромирования

Частота сетки трещин, количество площадок хрома в 1 мм2, ширина и глубина каналов пористого хромового покрытия зависят от условий хромирования, а…   Рис. 6.2. Влияние температуры хромирования на структуру пористого хрома

Лекция 7

Оборудование гальванических цехов

Ванны для нанесения гальванических покрытий, их устройство и характеристики

Для подготовки поверхности деталей и для нанесения покрытий в гальванических цехах применяют станционарные ванны, представляющие собой прямоугольные…   Рис. 7.1. Ванна для химического обезжиривания

Оборудование для покрытия деталей

Покрытие мелких деталей в стационарных ваннах связано с большими трудностями вследствие значительных трудовых затрат при монтаже деталей на… Колокольные ванны (рис. 7.5.) изготовляют из стали, футерованний внутри…  

Полуавтоматические и автоматические установки

Для нанесения гальванических покрытий.

Полуавтоматические линии состоят из ванн для подготовительных операций, ванн промывок и гальванических ванн, расположенных в соответствии с… Перемещение подвесок с деталями или барабанов от места загрузки до места… Прямолинейный полуавтомат обслуживается с двух сторон: с одной стороны производится загрузка деталей, с другой – их…

Вспомогательное оборудование

К вспомогательному оборудованию гальванических цехов относится оборудование для подогрева, фильтрации, перемешивания электролитов, сушки деталей,… Оборудование для подогрева электролитов. Ванны в гальванических цехах… Электрический нагрев электролитов в ваннах применяют в тех случаях, когда цех металлопокрытий не располагает…

Электрическое оборудование гальванических цехов

Для большинства гальванических процессов в качестве источника постоянного тока для питания гальванических ванн применяют выпрямители переменного… Наибольшее распространение в цехах электрохимических покрытий получили… Питание агрегатов осуществляется от сети трехфазного тока с напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Лекция 8

Контроль качества гальванических покрытий. Методы мониторинга

Технического состояния исторических произведений искусства.

Государственная система стандартизации и ее основные задачи

Под стандартизации понимают процесс установления и применения правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при… Основными задачами стандартизации являются ускорение научно-технического… Результатом конкретной работы по стандартизации является стандарт. Стандарт – нормативно-технический документ,…

Контроль качества продукции

Контроль качества продукции на предприятии играет первостепенную роль и от его совершенства, технической оснащенности и исполнения в значительной… Основным объектами технического контроля на производстве являются сырье и… Контроль может иметь неодинаковые формы и решать различные задачи в звеньях системы управления качеством продукции. …

Метрологическая служба

Задачей метрологии является поддержание единства измерений в стране. Эта задача осуществляется созданием эталоном и образцовых измерительных средств… Эталон воспроизводится с наивысшей точностью, достижимой при данном состоянии… В СССР единство измерения и правильность всех измерительных средств, применяемых в народном хозяйстве, обеспечивается…

Виды дефектов и брака металлопокрытий

Дефектными считаются детали, требующие снятия недоброкачественного покрытия и нанесения нового, а также доработки без снятия покрытия, например… Дефекты гальванических покрытий возникают по следующим причинам: плохая… Наиболее распространенные дефекты гальванических покрытий и способы их устранения приведены в табл. 8.1.

Способы определения толщины покрытия

Так как толщина слоя покрываемого металла неодинакова в различных точках, то требуется определение не только средней толщины покрытия, но и… Методы контроля толщины покрытия детали на разрушающие и неразрушающие. Разрушающие методы. Капельный метод основан на растворении покрытия каплями раствора, наносимыми на поверхность детали…

Методы определения прочности сцепления и пористости гальванических покрытий

Метод контроля выбирают в зависимости от металла покрытия, вида и назначения детали. Метод нанесения сетки царапин. На поверхность контролируемого покрытия… Метод нагрева. По этому методу детали с покрытием нагревают в течение 30-60 мин и охлаждают на воздухе. Ниже приведены…

Коррозионная устойчивость гальванических покрытий

Все гальванические покрытия для выяснения их коррозионной устойчивости должны быть подвергнуты коррозионным испытаниям. Эти испытания заключаются в… При естественном испытании образцы с нанесенными на них гальваническими… При исследовании в естественных условиях коррозионной стойкости образцы подвергаются воздействию атмосферных факторов…