Гальванотехника– область прикладной э/х, которая изучает процессы электролиза, применяемые при обработке поверхности металлических изделий путем нанесения металлопокрытий, окисных или солевых пленок, электролитического растворения металлов, а также для изготовления новых изделий, копирующих поверхности металлических и неметаллических предметов.

Гальванотехника делится на два основных направления: гальваностегию и гальванопластику. Гальваностегия – это образование на поверхности металлических изделий прочно соединенных с ней пленок (покрытий) электролитически осажденного металла. Она широко применяется в металлообрабатывающей промышленности, Машино– и приборостроении, полиграфии, ювелирном деле, в отраслях борьбы с коррозией металла, а также для упрочнения и декоративной отделки поверхности металлических изделий. В полиграфическом производстве гальваностегия применяется при изготовлении печатных форм. Для увеличения износостойкости стереотипов и клише их покрывают твердыми металлами: никелем, железом или хромом. При незначительной толщине защитных слоев покрытий (около 10–40 мкм) тиражеустойчивость возрастает от 20–40 тыс. отт. до нескольких сотен тысяч отт.

Гальванопластика – образование точных копий поверхностей разнообразных предметов в форме массивных металлических осадков, легко отделяющихся от поверхностей, на которых происходило электроосаждение. Гальванопластика применяется реже, в основном, полиграфии, в производстве скульптурных изделий, радиотехнической промышленности. Для осаждения в гальванопластике используют медь, иногда железо, никель, серебро, золото, платину.

Для того, чтобы гальванопластическим путем воспроизвести поверхность того или иного предмета, с нее сначала снимают матрицу, представляющую собой обратную копию рельефа поверхности, а затем на эту матрицу осаждают металл. Матрицы изготавливают прессованием из пластических материалов – воска, пластмасс, свинца или электролитическим путем из различных металлов. Поверхности металлических предметов или металлических матриц в целях предупреждения прочного срастания с гальванопластическими отложениями подвергают специальной обработке, например, окислителями для образования пассивной пленки. Поверхности матриц, изготовленных из неметаллических материалов – гипса, воска, пластмасс, делают электропроводными. Для этого их натирают графитом или покрывают тонким слоем металла, чаще всего серебра, осаждая его химическим путем или путем распыления в вакууме.

Гальванопластическим способом изготавливают высококачественные и тиражеустойчивые дубликаты печатных форм – гальваностереотипы. Для этого с поверхности оригинальной печатной формы снимают матрицу, после соответствующей подготовки ее поверхности наращивают слой металла – меди, никеля или железа толщиной 0,3–0,5 мм. Полученное металлическое отложение снимают с матрицы. Для придания прочности, необходимой в процессе печатания, отложение заполняют с обратной стороны типографским свинцово-сурьмяно-оловяным сплавом или пластической массой и подвергают механической обработке )строгают или фрезеруют с оборотной стороны для обеспечения требующейся точности).

Гальваностереотипы имеют преимущества перед литыми гартовыми стереотипами в четкости и прочности печатающих элементов. Гальваностереотипы можно изготовить с автотипных клише с растром свыше 80 лин/см, тогда как литые стереотипы изготовляются только с растром 34 лин/см. Тиражеустойчивость медных гальваностереотипов составляет 300 тыс.отт., медных хромированных – до 500–800 тыс.отт., никелевых или железных – до нескольких миллионов отт.

Качество металлических осадков, их кристаллическая структура, механическая прочность, состояние поверхности зависит от химического состава рабочих растворов гальванических ванн, плотности тока, температуры растворов, интенсивности их перемешивания. Изменяя параметры электролитического процесса, можно изменять свойства металлических осаждений в выгодном эксплуатационном направлении.

В гальваностегии и гальванопластике используются катодные процессы, основанные на восстановлении ионов. Вместе с тем в гальванотехнике используют и анодные процессы, основанные на нейтрализации анионов или ионизации металлов. К этим процессам относят:

анодное электролитическое травление – для изготовления клише;

электролитическое полирование, основанное на явлении неравномерного растворения металлов при анодной поляризации;

анодное оксидирование, основанное на явлении образования окисных пленок на поверхности некоторых металлов и их сплавов при анодной поляризации в соответствующих растворах. Пленки имеют электроизоляционные свойства, они могут защищать от коррозии, служить грунтом при покраске металлических изделий.

К анодным процессам относят также электрофоретическое осаждение каучука, применяемое при изготовлении специальных резиновых клише для анилиновой печати.

Подготовка поверхности металлических изделий перед нанесением гальванических покрытий

Способы подготовки поверхности изделий к электролитическому нанесению металлов различны: для гальванического покрытия требуется подготовка поверхности, обеспечивающая прочное прирастание электролитического осадка к покрываемому металлу; для гальванопластики, наоборот, требуется подготовка поверхности, позволяющая легко отделить от нее электролитически осажденный металл.

Для нанесения покрытий допускаются детали, на поверхности которых нет окалины, ржавчины, раковин, царапин, заусенцев и др. Шероховатость покрываемой поверхности детали должна быть не ниже 4 класса точности. Затем проводят подготовительные операции, от тщательности выполнения которых зависит качество покрытия и эксплуатационные свойства изделий. Порядок проведения подготовительных операций зависит от природы основного материала, способа изготовления детали (штамповка, резание, литье и т.д.), срока межоперационного хранения и характера загрязнений.

Для подготовки поверхности к покрытию применяют механические, химические и электрохимические способы.

К механической обработкеотносятся шлифование, полирование, крацевание, пескоструйная, гидроабразивная, вибрационная обработки деталей и др.

Шлифованиезаключается в механическом снятии зернами абразива тонкого слоя металла для устранения царапин, забоин, рисок и других дефектов поверхности. Осуществляется с помощью твердых или эластичных кругов, а также абразивных лент на одно- или двухшпинельных станках или шлифовально-полировочных ленточных станках.

Полирование – процесс окончательной отделки деталей с целью получения зеркально-блестящей сглаженной поверхности. Полированию подвергаются покрытия медью, никелем, хромом. С помощью полирования шероховатость поверхности может быть повышена от 7-9 до 10-13 класса. Его проводят как до нанесения покрытия, так и после этого с помощью эластичных мягких кругов и полировочных паст на том же оборудовании, что и шлифование.

Пескоструйная очистка– это обработка деталей сильной струей кварцевого или металлического песка или стальной дроби с целью удаления толстого слоя окалины, ржавчины, небольших рисок и раковин. После обработки поверхность становится равномерно матовой и чистой.

Более эффективна гидроабразивная очистка. Проводят ее струей воды с абразивом, подаваемой в специальную камеру. Зернистость абразива выбирают в соответствии с назначением данной операции. Для замедления коррозии в воду добавляют ингибиторы, например, нитрит натрия, карбонат кальция, триэтаноламин и др.

Химическая и электрохимическая подготовка поверхности включает химические и электрохимические процессы обезжиривания, травления, активации и полирования.

Обезжириваниеосуществляют предпочтительно в негорючих органических растворителях (тетрахлорэтилене или трихлорэтилене) путем погружения детали в жидкость, струйным способом или обработкой в паровой фазе. Эти процессы проводят в специальном герметизированном оборудовании, так как при высокой температуре хлорированные углеводороды разлагаются с выделением токсичных соединений. Применение бензина и уайт-спирита, керосина и других легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) крайне нежелательно вследствие их большой пожароопасности. К обезжириванию в органических растворителях прибегают при наличии на поверхности печатной формы плотного слоя краски, в особенности засохшей. После обезжиривания в органических растворителях на поверхности обычно остается жировая или масляная пленка, удаляемая путем химического или э/х обезжиривания.

Для обезжиривания поверхностей, загрязненных жирами растительного и животного происхождения, можно применять растворы щелочей. Такие жиры представляют собой глицериновые эфиры жирных кислот – пальмитиновой, стеариновой, олеиновой; при взаимодействии со щелочами они омыляются:

Алюминий, цинк и их сплавы легко растворяются в растворах щелочей. Поэтому для обезжиривания этих металлов применяют менее концентрированные щелочные растворы, содержащие жидкое стекло, в присутствии которого на металле образуется пленка, предохраняющая поверхность от разрушения.

Электрохимическое обезжиривание– способ обезжиривания металлов на катоде или на аноде в щелочном растворе под действием электрического тока. В зависимости от того, каким электродом (катодом или анодом) является изделие, обезжиривание называют катодным или анодным. Состав раствора, применяемого для электрохимического обезжиривания, приблизительно такой же, как и для химического обезжиривания. Процесс ведут при температуре раствора 60-80° С и плотности тока 0,2–1 кА/м². Электрохимическое обезжиривание более эффективно, чем химическое, благодаря тому, что газы (водород и кислород), выделяющиеся на электродах, выполняют роль эмульгаторов, ослабляют связь жировых капель с поверхностью металла и тем самым ускоряют их удаление.

При обезжиривании на катоде возможно его наводораживание, металл становится хрупким, поэтому практикуют комбинированное обезжиривание: катодное в течение 3–10 мин и анодное в течение 1–3 мин.

Присутствие эмульгатора содействует образованию стойкой эмульсии, предотвращающей её расслаивание или коагуляцию.

Травление– процесс удаления продуктов коррозии и оксидных соединений с поверхности металла путем растворения их в кислотах или растворах щелочей. Пленка оксидных соединений или других продуктов коррозии образуется также на поверхности металла под действием окружающей среды.

Обычно под термином травление понимают удаление плотных, толстых пленок окислов – окалин, образующихся на поверхности металлов при литье или термической обработке. Так как после травления требуется тщательная промывка, во время которой на протравленной поверхности образуется вновь тонкая пленка окисная окислов или основных солей, то непосредственно перед постановкой в гальваническую ванну ее удаляют непродолжительным протравливаниием в слабом растворе кислоты. Эту операцию называют декапированием. Окисленность поверхности печатных форм обычно не столь значительна, что эти обе операции объединяют в одну.

Для химического травления стереотипов пользуются раствором состава:

Азотная кислота 100 г

Вода 1000 г

Температура комнатная

Время травления 2 – 3 мин.

Стереотип, обезжиренный и еще влажный после промывки, погружается на 2–3 мин в этот раствор. Затем его тщательно промывают с помощью щетки. Это необходимо для нейтрализации поверхности после травления и смывания с нее шлама, который выпадает в виде тонкодисперсного, малозаметного темного порошка.

Для э/х травления применяется раствор состава:

Азотная кислота 50 г

Хлористый натрий 10 г

Вода 1000 г

Температура 16–18^оС

Время травления 2 мин

Плотность тока 3 А/дм²

Расстояние между электродами 10–12 см

В зависимости от природы металла это могут быть соединения железа, меди, цинка, алюминия и др. Оксидная пленка может появляться также в результате предварительной обработки металла, например, поверхность стали после термической обработки покрывается толстым слоем окалины, которая состоит из смеси оксидов: FеО, Fе₂О₃, Fе₃О₄. Такая пленка на поверхности деталей препятствует нанесению гальванического покрытия. Химическое травление проводят после обезжиривания деталей путем погружения их в травильный раствор. Для травления углеродистых, низко- и среднелегированных сталей и чугунов применяют растворы серной, соляной кислот или их смеси. На практике чаще всего для травления черных металлов применяют смесь серной (175-200 г/л) и соляной кислот (80-100 г/л).

Растворение железа в кислотах вызывает перетравливание и наводораживание деталей. Водород, выделяющийся при травлении черных металлов в кислотах, может проникать в металл, накапливаться, вызывая внутренние напряжения; металл становится хрупким и прочность его резко снижается. Адсорбированный водород можно частично удалить путем нагревания деталей в течение 2–3 ч при температуре 180–250° С. Для снижения количества выделяемого водорода в ванны травления добавляют специальные замедлители (ингибиторы) травления. Обычно это поверхностно-активные вещества, которые, адсорбируясь на отдельных участках поверхности, замедляют процесс травления металла.

Цинковые клишетравят (декапируют) в растворе серной кислоты 50 г/л в течение 3–5 сек, после чего промывают холодной водой и завешивают в гальванованну под током.

Травление меди и ее сплавовобычно проводят в смеси серной, азотной и соляной кислот (5 %) в два приема: предварительное травление – для удаления оксидов и глянцевое – для отделки поверхности до блеска. Состав травильных растворов зависит от состава сплавов меди.

Для травления алюминия и его сплавовприменяют 10–15%-ные растворы щелочи, содержащие 20–25%NаСl. Для последующего осветления поверхности алюминия изделие выдерживают в концентрированной азотной кислоте в течение нескольких секунд.

Травление поверхностей металлов может осуществляться электрохимическим способом на катоде или на аноде. При электрохимическом травлении деталей, имеющих окалину, сокращается продолжительность травления и расход кислоты по сравнению с химическим травлением.

Катодное травлениеосновано на электрохимическом восстановлении оксидов железа и отделении их от основы выделяющимся в большом количестве водородом. Следует учитывать возможность наводораживания изделий, поэтому для коррозионностойких сталей этот способ неприменим.

Анодное травлениезаключается в электрохимическом растворении металла и механическом отрыве оксидов железа пузырьками кислорода. В этом случае может происходить сильное перетравление поверхности и образование язв, шероховатости, а также уменьшение размеров детали. Однако, чем выше плотность тока, тем меньше проявляются эти дефекты. Таким образом, катодное травление целесообразно применять в тех случаях, когда требуется сохранить точные размеры деталей или когда после термообработки остается толстый слой окалины, а другие методы обработки (химическое травление, дробеструйная обработка) неэффективны.

Анодное травление наиболее распространено при очистке деталей перед покрытием другими металлами, так как обеспечивает более прочное сцепление с основой за счет возникающей шероховатости поверхности во время травления на аноде.

Активация– химическая операция, проводимая непосредственно перед нанесением металлических покрытий для удаления тонких пассивирующих пленок, появляющихся в процессе предварительной подготовки изделий. При химической активации изделия выдерживают в разбавленных растворах серной и соляной кислот (50–100 г/л) или их смеси при температуре 15–30° С в течение 5–60 с.

Промывка. После каждой подготовительной операции детали тщательно промывают водопроводной (питьевой) водой, чтобы освободить их поверхность от остатков загрязнений и химических реагентов. Для промывки применяют теплую воду (40–50°С) – после операций обезжиривания, хромирования; горячую воду (70–90°С) – перед сушкой деталей (кроме хроматированных цинковых и кадмиевых покрытий); и воду комнатной температуры – во всех остальных случаях. Промывку проводят одноступенчатым или двухступенчатым противоточным и трехступенчатым противоточным (каскадным) способами. Применение противоточной промывки уменьшает расход воды в 5–6 раз по сравнению с одноступенчатой промывкой.