Гальванопластика что это и принципы действия
Гальванопластика в домашних условиях
Красивые вещи своими руками сумеет сделать не каждый. Поэтому гальванопластика в домашних условиях станет излюбленным хобби для любителей мастерить, не боящихся трудностей.
Для данного занятия понадобится специальное оборудование и соблюдение техники безопасности. Но в результате получится эксклюзивное изделие с необычным дизайном.
Особенности процесса
Для получения качественного покрытия нужно правильно подобрать силу тока и напряжение. При слишком слабом токе металл осаждается слишком долго. В случае превышения нормативных параметров по току и напряжению, металл осаждается хлопьями. Еще один момент – приобретение жидкости для электролита. Проще использовать раствор для аккумулятора машины, а специализированные химикаты, например, серную кислоту, сложно приобрести обычному человеку. Чаще всего данный способ обработки предполагает омеднение изделий. Но можно посеребрить или позолотить заготовку при наличии драгметалла.
Золочение с помощью листиков сусального золота выглядит красиво, но его себестоимость гораздо выше, чем у позолоченных изделий в розничной продаже. Чем крупнее деталь, тем большего размера требуется пластина электрода и подаваемый ток. Поэтому в быту крупные вещи не подвергают гальванопластике.
Процесс гальванопластики начинается со сборки аппарата. Плюс от источника тока подается на пластину, а минус – на изделие. Чтобы провода не начали реагировать при гальванизации, место их соединения с пластиной залепляют пластилином. Площадь с положительным зарядом должна быть больше площади заготовки желательно не менее, чем в два раза. Чтобы выставить оптимальный ток на приборе, пользуются простой формулой. Площадь пластины умножают на плотность тока. Обычно берут значение плотности 1-2 А на каждый квадратный дециметр.
После выполнения расчетов приступают к обработке. Обезжиренную заготовку с помощью клея и медной проволоки прикрепляют к минусовому контакту. Если материал не токопроводящий, необходима обработка изделия графитовым спреем. Если будущее украшение имитирует ювелирное, нужно все камушки и стекла заклеить пластилином. Этот материал не позволит измениться цвету камня. Желательно брать для создания украшений стекло или устойчивые к агрессивным средам камни.
Полученный в течение двух часов слой отличается от слоя, выработанного за сутки большей толщины и прочностью. Важно учитывать, что ванна с электролитом и изделиями должна стоять неподвижно на протяжении многих часов для качественного результата. Готовое изделие не кажется железом, оно будет сверкать розоватым медным блеском. Такой результат свидетельствует о том, что процесс прошел успешно.
Материалы и оборудование
Для приготовления раствора для гальванопластики в домашних условиях понадобится следующее:
Классический рецепт предполагает использование серной кислоты, но она продается только для химических лабораторий, и не каждый имеет возможность ее достать. Для приготовления раствора электролита для гальванопластики в домашних условиях потребуется:
Медный купорос разводят в 500 мл воды. Когда компоненты смешаются, серную кислоту медленно наливают в воду. Если сделать наоборот, едкая кислота разбрызгается. После смешивания постепенно доливают воду, чтобы получить нужный объем. В домашних условиях приготовление раствора электролита станет безошибочным после нескольких попыток.
Можно использовать готовый электролит из аккумулятора. В этом случае на такое же количество медного купороса требуется взять 15 мл спирта и 145 мл раствора электролита.
Требования техники безопасности
Если производится гальванопластика у себя дома, необходимо учесть множество факторов. Во время процесса ванна должна находиться в изолированном помещении. В это помещение не должны допускаться дети и животные, способные все опрокинуть. Источник постоянного тока нужно регулярно проверять на соответствие номинальным характеристикам. Работать лучше в перчатках и защитных очках, а также надеть передник или рабочий халат.
Фантазия и сноровка помогут реализовать смелые художественные замыслы. Можно наносить покрытие не только на металлические токопроводящие изделия, но даже на пластиковые, покрытые графитовым спреем. Удовольствие это не из дешевых, но траты окупятся удовольствием от творческого процесса.
Хочу немного рассказать о технологии с помощью которой сделанны практически все наши изделия. Так как она достаточно редкая и малоизвестная то мне кажется эта информация будет не лишней.
Гальванопластика (от гальвано. и греч. plastike — ваяние), получение точных металлических копий методом электролитического осаждения металла на металлическом или неметаллическом оригинале.
Она была известна еще в XIX в., но широко ее использовать в промышленности начали в середине XX в. Сначала ее применяли для изготовления скульптурных портретов и барельефов. Широкое применение гальванопластики в промышленных масштабах началось в середине XX в.: производство грампластинок и волноводов, форм для литья и прессования, сеток и фольги, печатных плат, предметов искусства и сложных конструкций.
С помощью гальванопластики можно с большей точностью, чем любым другим способом, воспроизводить предметы до мельчайших подробностей. Появляется возможность изготовлять предметы столь сложных форм, что производство их другими способами либо невозможно, либо слишком дорогостояще.
Используя метод художественной гальванопластики мы так же покрываем металом тонкие или хрупкие вещи. Тем самым придавая им прочность необходимую для того что бы их можно было использовать при создании бижутерных украшений или для украшения интерьера. При этом сама вещь остается внутри а металл полностью повторяет ее форму. Тоесть внутри всех наших изделий будь то листик или перышко находится настоящая созданная природой вещь. Именно благодаря этому они совершенно неповторимы)
Гальваническое осаждение металла на поверхности предмета возможно лишь тогда, когда поверхность эта или весь предмет являются проводниками электрического тока, Поэтому для изготовления моделей или форм желательно использовать металлы. Наиболее подходят для этой цели легкоплавкие металлы: свинец, олово, припои, сплав Вуда.
Однако наибольшие возможности для изготовления моделей все же представляют диэлектрические (не токопроводящие) материалы ( листья, перья, кружево итд). Чтобы металлизировать такие модели, нужно придать их поверхности электропроводность. Успех или неудача в конечном итоге зависят в основном от качества токопроводящего слоя. Слой этот может быть нанесен одним из трех способов. Самый распространенный способ — графитирование, он пригоден для моделей из пластилина и других материалов, допускающих растирание графита по поверхности. Следующий прием — бронзирование, способ хорош для моделей относительно сложной формы, для разных материалов, однако за счет толщины бронзового слоя несколько искажается передача мелких деталей. И, наконец, серебрение, пригодное во всех случаях, но особенно незаменимое для хрупких моделей с очень сложной формой — растений, насекомых и т. п
Медь осаждается не только на противостоящей аноду стороне, но и на обратной, а также на торцах металлизируемого предмета.
Выбор токопроводящего слоя зависит от материала, из которого сделан предмет, его конфигурации, фактуры поверхности и, конечно, от имеющихся в распоряжении веществ.
Изначально неметалические изделия покрываются медью а уже потом мы можем дополнительно покрыть их никелем, серебром или золотом для придания нужных нам свойст и цвета.
Касательно деталей процесса могу рассказать позже, если это будет интересно.
Что такое гальванопластика
Гальванопластика это раздел гальваники, изучающий методы получения копий предметов, выполненных с помощью гальванического осаждения металла на поверхность формы из диэлектрика (гипса, воска, пластмассы) или другого металла. Другими словами, гальванопластика — это метод получения копий предметов в металле.
Существующие способы металлообработки позволяют изготовить из металла деталь требуемой формы и дают точное воспроизведение необходимых параметров в металле, но точная обработка металла требует применения дорогостоящего оборудования и инструмента. Методы литья, ковки и штамповки зачастую не дают необходимой точности при изготовлении деталей сложной конфигурации, а изготовление крупных и рельефных изделий с помощью данных способов невозможно.
Методы гальванопластики позволяют воспроизвести фактически любую форму в металле, с любым рельефом и с высокой точностью. Родоначальником метода гальванопластики стал русский ученый Борис Семенович Якоби. Название способа «гальванопластика» возникло из-за пластически точной формы, полученной при осаждении меди на поверхность формы в процессе электролиза.
Гальванопластика используется не только в промышленности, но и в искусстве для воспроизведения точных копий с художественных изделий. Для воспроизведения копий готовятся специальные слепки (формы) из диэлектриков, на поверхность которых, после их металлизации (покрытия тонким слоем токопроводящего материала), электролитическим методом осаждают слой металла. В качестве материалов для изготовления форм используют гипс, воск, пластмассу. Для формирования токопроводящего слоя используется мелкозернистый графит, или специальные лаки и покрытия.
Теоретические основы гальванопластики
Металлы, которые осаждают на поверхность формы в процессе гальванопластики выделяют из водных растворов их солей – сульфатов. Процессы электролитической диссоциации, в результате которых молекулы солей металла распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, достаточно широко отражены в теоретических материалах по гальванике. По сути процесс гальванопластики является гальваническим процессом – изделие погружают в электролит (водный раствор сульфатов) и подключают к минусу, электроды (пластины из того же металла, что и будущее покрытие) подключают к плюсу источника постоянного тока. По мере прохождения через электролит тока будет происходить электролиз и на поверхность изделия будет осаждаться слой металла.
Для получения копий деталей и предметов искусства наиболее распространен метод осаждения меди. Для приготовления медного электролита используют медный купорос – кристаллогидрат сульфата меди и серную кислоту. Медный купорос, при прохождении электрического тока через электролит, выделяет ионы меди (катионы) которые осаждаются на детали, подключенной к катоду. Серная кислота используется для повышения электропроводности раствора.
Формы для гальванопластики
Формы для гальванопластики изготавливают из гипса, воска или парафина, возможно использование других пластичных материалов, главное, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:
Изготовление гипсовых форм
Гипс обладает высокой гигроскопичностью, поэтому формы, изготовленные из этого материала, требуют дополнительной обработке – пропитки воском, парафином, озокеритом. Изготовление гипсовых форм проходит следующим образом:
Изготовление восковых форм
Восковые составы для изготовления форм применяют, для снятия копии с предметов путем непосредственной заливки состава на его поверхность, при изготовлении художественных композиций из растений, изготовлении металлизированных кружевных композиций.
В прошлом подобная технология применялась для изготовления пластинок, при этом использовался состав, который оптимально подходит для копирования изделий с большим числом мелких деталей и тонким рельефом. Такая восковая композиция состоит из 33% стеарата натрия, 15% стеарата свинца, 7% стеариновой кислоты, 4% стеарата алюминия (состав примерный, указаны проценты по массе). Температура плавления такой восковой композиции составляет 80-90 0 С.
Можно изготовить восковую форму, используя и более доступные вещества. Например, 70% канифоля, 20% воска, 10% парафина, или 30% воска и 70% стеарина.
Компоненты, входящие в состав восковой композиции, смешивают, поочередно расплавляя на паровой бане. Начинают с компонентов, имеющих низкую температуру плавления и поочередно вводят более тугоплавкие компоненты. Если состав включает огнеопасные компоненты, например, скипидар, их вводят в последнюю очередь. Графит на восковые формы наносят осторожно, без давления, мягкой кистью. Графит плохо сцепляется с поверхностью восковой композиции, поэтому процесс графитирования может занять длительное время.
Если в процессе электролиза вы заметили на поверхности формы участки, на которых не осаждается металл необходимо провести дополнительное графитирование. Форму достают из электролита, промывают под струей воды, сушат, и наносят мягкой кистью на непокрытые участки графит.
Подключение форм к источнику тока
Подвешивание формы в гальванической емкости и подключение формы к источнику тока ответственный процесс, от которого зависит успешное протекание процесса гальванопластики.
Проводники, с помощью которых форму подключают к источнику тока изготавливают из мягкой медной и латунной проволоки. Перед подключением проволоку обжигают и протравливают для удаления окисных пленок. Площадь сечения проводника зависит от размеров формы – для небольших восковых форм, пропитанных воском кружевных композиций и т. д. используется проволока диаметром менее 0,15 мм. Для крупных гипсовых композиций диаметр проволоки может быть от 0,5 мм и более.
Основная задача, которую нужно решить при подключении, это снижение сопротивления тока в месте подключения. Достигается это либо увеличением диаметра проволоки, либо увеличением площади соприкосновения проволоки с формой.
Отверстия для подвешивания формы в гальванической емкости проделывают заранее, на краях формы (в нерабочих зонах). Гипс просверливают до его пропитки, отверстия на восковые формы проделывают до их полного остывания.
Если плотность материала, из которого изготовлена форма меньше плотности электролита, необходимо предусмотреть дополнительные отверстия для подвешивания грузов.
Установка формы в гальваническую емкость
Плоские формы помещают в электролит под углом относительно поверхности электролита. Делают это для того, чтобы пузырьки воздуха свободно уходили с поверхности формы, не застаивались в углублениях рельефа. Иногда для предотвращения образования пузырьков газа поверхность формы перед погружением в электролит обрабатывают спиртом. Мелкие пузырьки удаляют с формы мягкой кистью.
Для установки крупных форм, имеющих частично закрытые полости, используют следующий прием: форма устанавливается в сухую емкость, затем медленно вливают электролит. Раствор должен вытеснять воздух из полостей формы.
Читайте продолжение описания процесса гальванопластики в статье «Гальванопластика своими руками».
Гальванопластика своими руками
Установку для гальванопластики в домашних условиях собрать несложно, оборудование и материалы для электрохимического осаждения меди находятся в свободном доступе. Исключение составляет серная кислота, приобретение и использование которой возможно только организацией, имеющей специальное разрешение.
В продаже есть готовые наборы для гальваники, но их покупка не всегда будет оправдана – гораздо дешевле собрать установку самостоятельно, используя доступное оборудование.
С помощью гальванической установки, о которой мы расскажем в данной статье, вы сможете получать копии художественных изделий, вне зависимости от материала из которого они изготовлены, а также имея навыки лепки из пластилина или глины, воспроизводить собственные произведения в металле. Кроме этого, с помощью метода гальванопластики можно реализовать множество интересных проектов, например, проводить металлизацию плетеных или вязанных кружев для изготовления ажурных композиций, изготавливать металлические гербарии из цветов и листьев, металлизировать фрукты, производить отделку изделий из стекла или фарфора, наращивая слой меди по ранее заданному рисунку, и многое другое.
Гальванопластика может быть отличным выбором не только в качестве интересного хобби, но и при правильном подходе и упорстве стать фундаментом для будущего бизнеса.
Оборудование для гальванопластики в домашних условиях
Гальваническое осаждение меди в домашних условиях проводят в емкостях любой геометрической формы. Размер гальванической емкости зависит от размера будущих изделий или репродуцируемых композиций. Материал может быть различным, подойдут емкости из стекла, керамики или пластмассы.
Для размещения формы и анодов в гальванической емкости необходимо предусмотреть подвесы. Форма подвешивается на проволоке из меди или латуни и помещается в емкость на расстоянии 15-20 мм от анода. Электроды, соединенные с положительной клеммой источника тока (анодом) подвешиваются также на меди или латуни, при этом проволочные крючки не погружают в электролит, в противном случае возможна деформация подвесов из-за разъедания крючка. Форма подключается к отрицательной клемме источника тока. В качестве анодов используют медные пластины толщиной от 3 мм. достаточных размеров. Площадь поверхности анодов должна превышать площадь поверхности формы.
Для контроля температуры электролита можно использовать обычный ртутный термометр.
Приготовления электролита для гальванопластики
Содержание медного купороса в растворе – 150-180 г/л. Порошок медного купороса растворяют в горячей воде и, после охлаждения и фильтрации, в него осторожно, небольшими порциями вливают серную кислоту из расчета 30-35 г/л. Если содержание медного купороса в растворе превышено, сульфат меди начинает кристаллизоваться на стенках гальванической емкости и на аноде, в этом случае необходимо, провести анализ электролита (см. «Анализ и корректировка электролита меднения») и, по результатам, добавить воды или кислоты.
Избыток серной кислоты в электролите может привести к тому, что осадки меди получатся хрупкие, непрочные. Недостаток кислоты вызывает осаждение рыхлого и пористого слоя.
Для повышения качества получаемых осадков меди, специалисты советуют добавить в электролит спирт в количестве 8-10 г/л. Спирт в небольшом количестве улучшает структуру покрытия, делает медь мелкокристаллической, более твердой и упругой.
На качество электролита и получаемого медного осадка может оказывать негативное влияние возможное наличие в растворе органических примесей. Для их устранения в подогретый раствор добавляют 2-3 г/л перманганата калия или такое-же количество измельченного активированного угля. После охлаждения до 18-20 0 С и фильтрации раствор можно использовать.
В статье Анализ и корректировка электролита меднения рассмотрены метод определения содержания медного купороса и серной кислоты в растворе электролита, а также приведен расчет количества компонентов.
Процесс гальванопластики
Температура электролита в процессе гальванического осаждения меди составляет 18-20 0 С и может повышаться до 28 0 С за счет выделения тепла в процессе электролиза.
Начинают процесс при минимальной плотности тока, которую поддерживают до формирования слоя металла на поверхности. Рабочая плотность тока выставляется, только после того, как слой металла закрыл подключенные проводники. Максимальная плотность тока в процессе зависит от толщины проводников, которая в свою очередь зависит от размера будущей композиции и материала формы. В любом случае, чем выше плотность тока, тем интенсивней процесс металлизации.
Особенности процесса лучше разобрать на конкретных примерах использования метода гальванопластики в домашних условиях.
Копирование барельефов, чеканок, медалей, глиняных и пластилиновых изделий
Для снятия копий с подобных предметов используют гипсовые формы. Изготавливается гипсовая форма просто:
Металлизация кружев
Металлизация кружевных композиций — это интересный прием гальванопластики, при котором слоем металла покрывают плетенные или вязанные кружева, тюлевые кружева и другие композиции, изготовленные из нитей. Такие изделия могут выполнять роль декорирующих элементов различных художественных композиций, или применяться непосредственно для изготовления таких композиций.
Медь быстро темнеет на воздухе поэтому, как правило, металлизированные медью кружевные композиции дополнительно покрывают тонким слоем драгоценного металла методом гальваники. Гальваническое серебрение или золочение проводится в обычном режиме.
Изготовление металлической кружевной композиции происходит следующим образом:
Изготовление металлических листьев или гербариев
Металлизация древесных листьев, не отличается от других приемов гальванопластики за исключением способа получения формы. Отпечаток с листа можно получить на восковой композиции.
Нагретый воск заливают в предварительно изготовленную обечайку, с невысокими бортиками и дают ему остыть до момента, когда поверхность восковой композиции затвердеет, но останется эластичной. Лист кладут на поверхность воска и прижимают стеклом. После чего стекло снимают вместе с листом. На поверхности восковой композиции должен остаться четкий отпечаток листа. Подобным образом делают отпечаток обратной стороны листа.
После полного остывания воска, мягкой кистью аккуратно наносят мелкодисперсный графит, подключают медные проводники, устанавливают грузики и помещают форму в гальваническую емкость.
Дальнейшая работа с металлическим отпечатком листа, это творческий процесс. В результате должен получится металлический лист, повторяющий форму образца и в точности копирующий его поверхность.
Покрытие медью изделий из дерева
Небольшие деревянные элементы декора покрывают слоем металла для придания им вида литых изделий.
Перед тем, как нанести слой токопроводящего вещества (графита) деревянные изделия пропитывают (проваривают) в восковой смеси, парафине, церезине или озокерите. В противном случае, из-за своей гигроскопичности дерево будет впитывать электролит. Затем на изделия наносят графит, подсоединяют проводники, грузы и опускают в электролит. Процесс ничем не отличается от металлизации гипсовых композиций.
Металлизация перьев птиц
Перья птиц погружают в расплавленную восковую композицию, парафин, церезин или озокерит, затем графитируют, прикрепляют тонкий медный провод, подвешивают груз и опускают в электролит.
Металлизация фруктов, растений и цветов
Для покрытия металлом растений и фруктов потребуется предварительно покрыть их тонким слоем серебра. Для этого растения сушат, обрабатывают спиртом или раствором хлорида натрия, бария или кальция. Потом готовят растворы:
Затем растворы вливают в емкость и погружают в раствор растение. Поверхность покрывается тонким слоем серебра (химическое серебрение). Затем растение или фрукт подвергают гальваническому меднению.
Технология промышленной гальванопластики
Содержание:
1. Общие сведения о гальванопластике.
В настоящее время в гальванопластике применяют: Cu, Ni, Ni-Co, Ni-Fe, Ni-Si, Ni-W, Fe, Pb, Cr, Au, Ag. Из расплавленных солей создают гальванопластические копии с применением тугоплавких металлов: Re, W, Mo.
Важными аспектами в процессе гальванопластического формирования изделий играет подготовка поверхности используемой формы, создание на ней токопроводящего и/или разделительного слоя.
Увидев такое интересное явление, Якоби сразу же начал поиск его технического применения. 5 декабря 1838г. на заседании Академии наук был прочитан доклад Якоби об изобретении техники гальванопластики и продемонстрированы образцы гальванопластических копий гравированных печатных форм.
Преимущества гальванопластики как метода формования:
Область применения гальванопластики очень обширна: бесшовные трубы, волноводы, сильфоны, гильзы с кумулятивным зарядом, художественные изделия, компоненты для исследований в области термоядерного синтеза и ядерной энергии, датчики шероховатости поверхности, золотые коронки и мосты для стоматологии, калибровочные шкалы для электронной микроскопии, корпуса для слуховых аппаратов, микроустройства для электронного, микромеханического применения и многое другое.
2. Технология гальванопластики.
Процесс изготовления детали методом гальванопластики состоит из нескольких этапов. К ним относятся: изготовление форм (металлические, неметаллические и комбинированные); подготовка и нанесение проводящего слоя на неметаллические формы, в случае металлической формы – нанесение разделительного слоя на неё; электроформование – электроосаждение толстого слоя металла или сплава, отделение готового изделия от формы.
Прежде чем рассмотреть каждый из этих этапов, рассмотрим несколько понятий, используемых в гальванопластике.
Форма – специально созданный, спроектированный и изготовленный образец для снятия с него копии с помощью использования технологии гальванопластики.
Копия – является заготовкой, полученной на стадии электроформования. Копия повторяет поверхность и рельеф формы, отделяется от формы и механически обрабатывается, после чего может использоваться в качестве изделия или составной части изделия.
2.1 Изготовление формы.
Правильно выполненная форма оказывает огромное влияние на получаемое изделие, так как форма определяет точность, размер, конфигурацию и чистоту поверхности конечного изделия. Материалы, применяемые для изготовления форм могут быть различными: металлы (медь, сталь, алюминий, цирконий, свинец, титан и др.), неметаллы (пластмассы, дерево, гипс, стекло, воск, пенопласт и др.). Формы можно классифицировать по материалу исполнения: металлические, неметаллические, комбинированные. А также по времени использования: многократного использования (неразрушимые) и однократного использования (растворимые, выжигаемые, выплавляемые).
Важное требование, предъявляемое к формам: они не должны разрушаться, терять свой первоначальный вид под действием всех условий процесса электроформования, небольших механических воздействий.
Формы могут быть сплошными (неразборными) или составные (из нескольких частей). Конструкция формы должна обеспечивать легкость отделения копии от формы, без повреждения копии.
2.2 Создание токопроводящего слоя на неметаллические формы.
Перед нанесением проводящего слоя необходимо провести подготовку поверхности (механическая обработка, травление, обезжиривание). Выбор того или иного метода подготовки поверхности зависит от природы, используемого материала формы и от типа загрязнения.
После этапов подготовки поверхности необходимо нанести проводящий слой (для материалов, не проводящих электрический ток). То есть важным условием является электропроводящая поверхность материала.
Для нанесения проводящего слоя имеется несколько способов:
2.3 Нанесение разделительного слоя на металлическую часть формы.
Разделительный слой наносится на металлическую форму. Основная особенность гальванопластики заключается именно в отделении копии от формы по разделительному слою. Поэтому данная операция является очень важной, ибо при нарушении разделительного слоя, плохом его качестве будет невозможно произвести точное копирование и соответственно может произойти повреждение оригинала.
Выбор разделительных слоев основывается на том, чтобы при наращивании копия не смогла самопроизвольно отделиться от формы и также не должны требоваться большие усилия для разделения копии и формы.
Разделительные слои могут быть неорганические (окислы, соли), а также органические (пленки, золи). Возможен процесс самопроизвольного образования оксидных разделительных слоев. Такое явление происходит на формах из титана, рения, никеля, нержавеющей стали, сплавов алюминия.
2.4 Затяжка и гальваническое наращивание.
Выбор материала для изготовления копий опирается на несколько условий: требования, предъявляемые к механическим, физическим и химическим свойствам материала, а также с учетом экономической и технической целесообразности. В процессе электроосаждения толстых слоев, выбранные материалы должны сохранять электропроводимость, легко отделяться от формы, не искажать её, оставаться устойчивым в агрессивных средах, допускать механическую обработку.
Материалы из которых изготавливаются копии: медь; никель; сплавы Ni-Co; Ni-Fe; Ni-Mn; композиционных покрытий на основе никеля, наполненных порошком вольфрама.
В гальванопластике важно учитывать несколько факторов при выборе электролита и режима электролиза. К этим факторам относятся: скорость процесса, возможность получения мелкозернистого осадка с малыми внутренними напряжениями, распределение осадка должно быть равномерным по толщине.
Чаще всего в промышленной гальванопластике применяются следующие электролиты: сульфатный электролит меднения, сульфаминовый или сульфатно-хлоридный электролит никелирования. Сульфаминовый электролит никелирования характеризуется высокой рассеивающей способностью, получением осадков с минимальными внутренними напряжениями и работой при высоких плотностях тока.
2.5 Отделение готового изделия от формы и финишные операции.
В случае электроформинга отделения копии от формы не происходит и процесс на этом, в целом, заканчивается.
По завершению процесса электроформирования и перед отделением формы необходимой операцией является промывка формы. После чего при помощи механических усилий, гидравлического давления, путем нагрева нагревания, охлаждения, вакуумирования или подачи сжатого воздуха совершается отделение копии от формы. Так например легкоплавкие металлы выплавляют в горячем песке, а алюминиевые формы растворяют в щелочках или кислотах.
К финишным операциям относятся полирование, функциональные покрытия, художественная обработка.
3. Применение гальванопластики в промышленности.
Классификация применения гальванопластики в промышленности в основном сводится к рассмотрению гальванопластики по отраслям или по технологии изготовления, также отдельно выделяют инструменты, оснастку. Далее мной будут представлены примеры применения процесса гальванопластики в производстве конкретных деталей и изделий, наиболее интересных по моему мнению.
3.1 Изготовление бесшовных труб разного профиля и сложности.
Процесс изготовления тонкостенных труб без шва методом гальванопластики был впервые реализован в России. И.М. Федоровский изготовил прямые, сложные гнутые трубы с отростками разного диаметра и разной толщины стенок гальванопластическим способом. Его способ заключался в следующем: трубы изготавливались осаждением меди на катод, которым был вращающийся медный или железный стержень; плотность тока в процессе составляла от 2 до 6 А/дм 2 ; вдоль стержня двигался агатовый камень, разглаживающий и уплотняющий осадок (процесс снятия трубы с формы не приводился).
Рисунок 1 – Пример трубы сложного профиля, изготовленной методом гальванопластики.
Трубы Вентури для измерения расхода жидкости готовят следующим образом.
Рисунок 2 – Трубы Вентури. Вверху – формы, внизу – наращенная труба с припаянными фланцами и отводами
Первым шагом является изготовление формы из алюминиевого сплава. Их готовят механическим способом или литьем под давлением. Формы тщательно шлифуют, полируют, глянцуют, после чего её обезжиривают в органическом растворителе, затем в щелочном растворе, после чего промывают. Прежде чем завесить формы в ванну их необходимо декапировать в смеси азотной и плавиковой кислот. Данный шаг необходим для снятия окисного слоя с поверхности алюминия, а это в свою очередь способствует улучшению сцепления и повышает скорость затяжки.
Затяжку алюминиевой формы необходимо проводить в ванне с небольшой концентрацией кислоты и высокой плотности тока. Когда формы полностью затянется, её переносят в ванну для наращивания. По окончанию наращивания форму растворяют в концентрированном едком натре или соляной кислоте. Внутреннюю поверхность трубки покрывают тонким слоем серебра.
3.2 Производство волноводов.
Технологический процесс изготовления волноводных элементов состоит из следующих основных операций: подготовка поверхности формы (обезжиривание, нанесение разделительного или «защитного» слоя), электроосаждение тонкого слоя золота или серебра, осаждение основного слоя меди (или никеля) толщиной 1,5-2,0 мм, извлечение формы из полученной копии.
Если необходимо получить прочную, но облегченную конструкцию, тогда используется процесс обволакивания электроосажденных металлических слоев пластмассой.
В производстве волноводов используются как постоянные формы так и составные. Материалы форм выбираются в зависимости от ситуации. Так если конфигурация волноводного узла не позволяет извлечь форму без её разрушения, то форму изготавливают из алюминия и его сплавов, а иногда и из цинковых сплавов. Формы из этих материалов удаляются путем растворения. Для изготовления постоянных форм широко используется коррозионно-стойкая сталь, которая позволяет без специальной подготовки легко отделить слой металла. Но она не всегда пригодна для изготовления форм, особенно малого сечения, в силу своей относительной мягкости, а также эта сталь уступает по механической прочности хромистым и инструментальным сталям. В производстве волноводных узлов чаще используются стали марок 40Х13, 30Х13, 20Х13.
Для наращивания основных металлических слоев в волноводной технике чаще всего используются пирофосфатные и сульфаматные электролиты меднения, а также сульфатные и сульфаматные электролиты никелирования. В случае изготовления каналов сложной конструкции рекомендуется осаждения никеля из цитратного электролита. Данный электролит обладает лучшей рассеивающей способностью, но он менее стабилен в работе по сравнению с сульфатным и сульфаматным, осаждение никеля в нем происходит с малой скоростью. При использовании форм из конструкционных сталей цитратный электролит не вызывает коррозии (pH= 7-8).
3.3 Получение сильфонов.
Сильфоны представляют собой тонкостенные гофрированные трубки различного диаметра.
Для изготовления форм используют алюминиевые сплавы, так как конструкция сильфона не позволяет использовать постоянные формы. Готовая форма из алюминиевой трубы показана на рисунке 4.
Рисунок 4 – Форма из алюминиевой трубы для электролитического формования сильфонов
Форму очищают от загрязнений и с помощью специального контактного устройства после цинкатной обработки промывки завешивают в гальваническую ванну. После осаждения металла форму вытравливают в растворе соляной кислоты и деталь получена.
Чаще всего осаждение производят из никелевого сульфаматного электролита. При осаждении на форму, показанную на рисунке 5, наблюдается значительный перепад толщины осадка на впадинах и на выступах. По этой причине процесс лучше всего проводить при низких плотностях тока (iк=1,0-1,5 А/дм 2 ). За счёт этого достигается более равномерное распределение осадка никеля по форме.
Рисунок 5 – Контактное приспособление для электролитического формования сильфонов.
3.4 Гильзы с кумулятивным зарядом.
Рисунок 6 – Форма и готовые гильзы.
Их обычно изготавливаются несколькими способами. Например, прессование металла является наиболее экономически эффективным. Однако для определенных специальных применений требуется не только очень высокая степень точности (особенно концентричности), но и химические свойства. Также важно качество поверхности как внутри, так и снаружи. В процессе гальванопластики можно добиться всех этих параметров. Так формы изготавливаются из алюминия. Проходят стандартные стадии подготовки. Чаще всего используются кислые медные электролиты. Удаление формы возможно механически и с помощью обработки в соляной кислоте.
3.5 Пресс-формы и штампы.
Гальванопластика используется как метод изготовления формообразующих деталей (вставок) пресс-форм и штампов. Процесс изготовления вставок во многом определяется материалом формы. При использовании металлической формы технологическая схема проще, но за счёт большого объема механической обработки и доводки формы стоимость получаемых изделий значительно повышается. Процесс изготовления вставок для данного случае включает в себя следующие основные стадии: подготовка поверхности формы, получение рабочего слоя (осаждения никеля и сплава никель-кобальт), создание конструкционного слоя и крепление вставок в матрице. При использовании неметаллических материалов необходима металлизация поверхности формы. В этом случае при массовом производстве целесообразно изначально изготовить промежуточную мастер-пресс-форму, в которой моет быть отлито нужное количество форм, необходимых для последующего использования при изготовлении пресс-форм. Мастер-пресс-форму получают с помощью гальванопластики.
Ниже приведены всевозможные области применения и примеры использования гальванопластики.
3.6 Художественная гальванопластика.
В данном случае рассматривается технология изготовления скульптур из составных копий, т.е. детали-копии для скульптур получают на отдельных формах – фрагментах скульптур.
Коротко описать технологию с применением гипсовых форм можно следующим образом. Первоначально изготавливают скульптуры (первичная форма) из какого-либо материала (обычно глина). После чего скульптура разделяется на отдельные элементы, и намечают границы между ними, что определяет качество скульптуры. С первичной формы снимаются гипсовые копии (вторичная форма) отдельных элементов, с которых уже электрохимическим способом изготавливают металлические копии.
Приготовленные гипсовые формы тщательно высушивают и пропитывают. Пропиткой может служить восковая композиция. После пропитки форму просушивают и наносят на неё электропроводный графитовый слой.
Полученные отдельно копии монтируют одну с другой, таким образом, завершается процесс создания гальванопластической скульптуры. К монтажным работам относится: изготовление каркасов для объемных скульптур, пайка отдельных копий между собой, зачистка швов после соединения деталей и т.п.
Примеры статуй, созданных методом гальванопластики приведены на рисунке 7.
3.7 Другие области применения гальванопластики.
3.7.1 Тонкослойные изделия.
Никелевая фольга: огнестойкие одеяла, бесшовные ленты, высокотемпературные прокладки (с графитом), подложка для фотоэлектрических элементов, солнечные поглотители.
Никелевая сетка: решетки электронного микроскопа, сита для сахарной центрифуги, электробритва, экраны для батарей, трафаретная печать, платиновые сита для топливных элементов, маски для аэрозольной краски.
Медная фольга: печатные платы.
Железная фольга: упаковка.
3.7.2 Трубчатые изделия.
Никель: узорчатые текстильные печатные цилиндры, капиллярные колонки для газовой/жидкостной хроматографии, никелированные сверла с алмазным напылением, сверхточные компоненты для рентгеновских телескопов, сопла для струйных принтеров и обогащения урана, сильфоны, волноводы, трубки Вентури.
Золото: трубки для ювелирных изделий.
3.7.3 Дублирующие пластины.
Аналоговые и цифровые аудиовизуальные записи, линзы Френеля, голограммы, пластины для печати и тиснения.
3.7.4 Формы и оснастка.
Никель: пресс-формы низкого давления/низкой температуры для прессования, литья под давлением из пластмассы, резины, стекла, цинка. Электроформованные инструменты, в том числе пресс-инструменты, литейные формы, алмазные режущие ленты, абразивные листы и медные инструменты для искровой эрозии.
Никель/кобальт, никель/марганец или никель-фосфор/карбид кремния: более твердые формы с более высокой температурной стойкостью.
Медь: формы, требующие хорошей теплопроводности.
3.7.5 Оптика.
Видеодиски и голографические штампы; рентгеновские телескопы; ассортимент металлической оптики, включая сложные асферические отражатели.
3.7.6 Авиационно-космическое применение.
Радиаторы для ракетных конусов, эрозионные щиты для лопастей вертолетов, носовые конусы, воздухозаборники, инструменты для секций самолетов, прожекторы, рекуперативно охлаждаемые упорные камеры для ракетных двигателей, рупоры антенн.