Гальваническое это общее название для процессов , которые создают металлическое покрытие на твердую подложке путем сокращения из катионов этого металла с помощью постоянного электрического тока . Покрываемая деталь действует как катод (отрицательный электрод ) электролитической ячейки ; электролит представляет собой раствор из соли металла подлежащей покрытию; а анод (положительный электрод) обычно представляет собой блок из этого металла или какого-либо инертного проводящего материала. Ток обеспечивается внешним источником питания..
Гальваника широко используется в промышленности и декоративном искусстве для улучшения свойств поверхности объектов, таких как устойчивость к истиранию и коррозии , смазывающая способность , отражательная способность , электропроводность или внешний вид. Его также можно использовать для наращивания толщины на малоразмерных или изношенных деталях или для изготовления металлических пластин сложной формы. Этот процесс называется гальванопластикой . Он также используется для очистки металлов, таких как медь .
Термин «гальванический» , также может быть использован для процессов от времени , которые используют электрический ток для достижения окисления от анионов на твердую подложку, как и в образовании хлорида серебра на серебряной проволоке , чтобы сделать серебро / серебро-хлорид электроды .
Электрополировку , процесс, при котором для удаления катионов металлов с поверхности металлического объекта используется электрический ток, можно рассматривать как противоположность гальваники. [1]
Процесс
Электролит должен содержать положительные ионы (катионы) осаждаемого металла. Эти катионы восстанавливаются на катоде до металла в состоянии нулевой валентности. Например, электролитом для меднения может быть раствор сульфата меди (II) , который диссоциирует на катионы Cu 2+ и SO2-
4анионы. На катоде Cu 2+ восстанавливается до металлической меди за счет получения двух электронов.
Когда анод изготовлен из металла покрытия, там может происходить обратная реакция, превращающая его в растворенные катионы. Например, медь окисляется на аноде до Cu 2+ , теряя два электрона. В этом случае скорость растворения анода будет равна скорости нанесения покрытия на катод, и, таким образом, ионы в ванне с электролитом постоянно пополняются анодом. Конечный результат - эффективный перенос металла от анодного источника к катоду. [2]
Вместо этого анод может быть изготовлен из материала, устойчивого к электрохимическому окислению, такого как свинец или углерод . Вместо этого на аноде образуются кислород , перекись водорода или некоторые другие побочные продукты. В этом случае ионы металла, подлежащего нанесению, необходимо периодически пополнять в ванне по мере того, как они вытягиваются из раствора. [3]
Покрытие чаще всего представляет собой отдельный металлический элемент , а не сплав . Однако на некоторые сплавы можно наносить электроосаждение, особенно на латунь и припой . Гальванические «сплавы» - это не настоящие сплавы, то есть твердые растворы, а скорее отдельные крошечные кристаллы покрываемых металлов. В случае плакированного припоя иногда считается необходимым иметь «настоящий сплав», и плакированный припой плавится, чтобы позволить олову и свинцу объединиться с образованием настоящего сплава. Настоящий сплав более устойчив к коррозии, чем сплав с покрытием.
Многие ванны для нанесения покрытия содержат цианиды других металлов (например, цианид калия ) в дополнение к цианидам осаждаемого металла. Эти свободные цианиды способствуют коррозии анода, помогают поддерживать постоянный уровень ионов металлов и повышают проводимость. Кроме того, для увеличения проводимости могут быть добавлены неметаллические химические вещества, такие как карбонаты и фосфаты .
Если гальваника на определенных участках субстрата нежелательна, применяются ограничители, чтобы ванна не контактировала с субстратом. Типичные защитные покрытия включают скотч, фольгу, лаки и воски . [4]
Способность покрытия равномерно покрывать называется метательная сила ; чем выше забрасывающая способность, тем равномернее покрытие. [5]
удар
Первоначально можно использовать специальное покрытие, называемое ударом или вспышкой , для формирования очень тонкого (обычно толщиной менее 0,1 мкм) покрытия с высоким качеством и хорошей адгезией к подложке. Это служит основой для последующих процессов нанесения покрытия. Для удара используется высокая плотность тока и ванна с низкой концентрацией ионов. Процесс медленный, поэтому после получения желаемой толщины покрытия используются более эффективные процессы нанесения покрытия.
Также метод чеканки используется в сочетании с нанесением покрытия на разные металлы. Если желательно нанести один тип покрытия на металл для улучшения коррозионной стойкости, но этот металл по своей природе имеет плохую адгезию к подложке, сначала можно нанести удар, совместимый с обоими. Одним из примеров такой ситуации является плохая адгезия электролитического никеля к цинковым сплавам, и в этом случае используется медная пластина, которая хорошо прилегает к обоим сплавам. [3]
Электрохимическое осаждение
Электрохимическое осаждение широко используется с конца 1990-х годов для создания медных проводников в современных полупроводниковых устройствах. Впервые предложенная IBM [6] технология была разработана потому, что предыдущие методы создания алюминиевых проводящих проводов в чипах - путем травления металлических линий и последующего заполнения изолирующей пленки с помощью процессов химического осаждения из паровой фазы и физического осаждения из паровой фазы - не работали с медь, потому что металл слишком трудно травить. Электрохимические процессы https://www.ibm.com/blogs/research/2017/11/20years-cuwires/?mhsrc=ibmsearch_a&mhq=copper%20 микросхемы для всех наиболее важных слоев устройства.
Импульсное гальваническое покрытие
Процесс импульсного гальванического покрытия или импульсного электроосаждения (PED) включает быстрое изменение электрического потенциала или тока между двумя разными значениями, что приводит к серии импульсов одинаковой амплитуды, длительности и полярности, разделенных нулевым током. Изменяя амплитуду и ширину импульса, можно изменять состав и толщину осаждаемой пленки. [7]
Экспериментальные параметры импульсного гальванического покрытия обычно включают пиковый ток / потенциал, рабочий цикл, частоту и эффективный ток / потенциал. Пиковый ток / потенциал - это максимальная настройка тока или потенциала гальваники. Рабочий цикл - это эффективная часть времени в течение определенного периода гальваники с приложенным током или потенциалом. Эффективный ток / потенциал рассчитывается путем умножения рабочего цикла на пиковое значение тока или потенциала. Импульсное гальваническое покрытие может помочь улучшить качество гальванической пленки и снять внутреннее напряжение, возникающее во время быстрого осаждения. Комбинация короткого рабочего цикла и высокой частоты может уменьшить поверхностные трещины. Однако для поддержания постоянного эффективного тока или потенциала может потребоваться высокопроизводительный источник питания, обеспечивающий высокий ток / потенциал и быстрое переключение. Другой распространенной проблемой импульсного гальванического покрытия является то, что анодный материал может покрыться слоем и загрязниться во время обратного гальванического покрытия, особенно для дорогостоящего инертного электрода, такого как платина .
Другие факторы, которые могут повлиять на импульсное гальваническое покрытие, включают температуру, зазор между анодом и катодом и перемешивание. Иногда импульсное гальваническое покрытие может выполняться в нагретой гальванической ванне для увеличения скорости осаждения, поскольку скорость почти всех химических реакций экспоненциально возрастает с температурой в соответствии с законом Аррениуса. Зазор между анодом и катодом связан с распределением тока между анодом и катодом. Небольшое отношение площади зазора к площади образца может вызвать неравномерное распределение тока и повлиять на топологию поверхности образца с покрытием. Перемешивание может увеличить скорость переноса / диффузии ионов металла из объема раствора к поверхности электрода. Параметры перемешивания различаются для разных процессов гальваники металла.
Кисть для гальваники
Близким процессом является нанесение гальванического покрытия щеткой, при котором локальные участки или целые предметы покрываются щеткой, пропитанной раствором для нанесения покрытия. Щетка, как правило, представляет собой корпус из нержавеющей стали, обернутый абсорбирующим тканевым материалом, который удерживает раствор для нанесения покрытия и предотвращает прямой контакт с покрываемым предметом, соединен с анодом источника постоянного тока низкого напряжения , и предметом, подлежащим покрытию. подключен к катоду . Оператор окунает кисть в раствор для нанесения покрытия, затем наносит его на предмет, непрерывно перемещая щетку, чтобы равномерно распределить материал покрытия.
Щеточное гальваническое покрытие имеет несколько преимуществ по сравнению с покрытием резервуара, включая портативность, способность наносить покрытие на предметы, которые по какой-то причине не могут быть покрыты резервуаром (одним из приложений было покрытие участков очень больших декоративных опорных колонн при реставрации здания), низкие требования к маскировке или ее отсутствие, и сравнительно низкие требования к объему раствора для нанесения покрытия. Недостатки по сравнению с металлизацией резервуара могут включать большее участие оператора (покрытие резервуара часто может выполняться с минимальным вниманием) и невозможность достичь такой большой толщины листа.
Твердый хром в щеточном гальваническом покрытии
Твердый хром - один из наиболее распространенных материалов покрытия, используемых для твердого покрытия и гальваники, благодаря его прочности, устойчивости и гладкой поверхности. Однако хром в шестивалентном состоянии очень опасен . При вдыхании или употреблении содержащийся в воздухе Cr 6+ [JT2] связан с раком легких и вызывает повреждение горла, рта и носа.
Это связано с тем, что в своем шестивалентном состоянии хром обладает канцерогенными и тератогенными свойствами, что оказывает мутагенное действие на клетки.
Ежегодно 558 000 технических специалистов в США подвергаются воздействию шестивалентного хрома на рабочем месте, при этом те, кто работает в гальванической, сварочной и лакокрасочной промышленности, подвергаются наибольшему риску из-за повышенного воздействия высоких уровней соединений Cr 6+ . [8]
Из-за опасностей, связанных с шестивалентным хромом, поиск более безопасных и экологически чистых альтернатив был основным двигателем исследований щеточного гальванического покрытия в последнее десятилетие. Одна из разработанных альтернатив - композиты с металлической матрицей (MMC). MMC предлагает уникальные превосходные характеристики для металлических покрытий, включая твердость, износостойкость и защиту от окисления при высоких температурах. Этот хром альтернативы ГМК включает в себя карбид хрома кобальта , карбид вольфрама , никеля и карбида хрома , никеля . [9]
Обшивка ствола
Этот метод гальваники является одним из наиболее часто используемых в промышленности для обработки большого количества мелких объектов. Объекты помещаются в бочкообразную непроводящую клетку, а затем погружаются в химическую ванну, содержащую взвешенные атомы металла, который должен быть нанесен на них. Затем ствол вращается, и электрические токи проходят через различные части ствола, замыкая цепи, когда они соприкасаются друг с другом. В результате получается очень однородный и эффективный процесс нанесения покрытия, хотя отделка конечных продуктов, вероятно, будет страдать от истирания во время процесса нанесения покрытия. Он не подходит для очень декоративных или точно спроектированных предметов. [10]
Чистота
Чистота важна для успешного гальванического покрытия , поскольку молекулярные слои масла могут препятствовать прилипанию покрытия. ASTM B322 - это стандартное руководство по очистке металлов перед нанесением гальванических покрытий. Очистка включает очистку растворителем, очистку горячим щелочным моющим средством, электроочистку, кислотную обработку и т. Д. Наиболее распространенным промышленным испытанием на чистоту является испытание на водонепроницаемость, при котором поверхность тщательно ополаскивается и удерживается в вертикальном положении. Гидрофобные загрязнения, такие как масла, заставляют воду рассыпаться и рассыпаться, позволяя воде быстро стекать. Идеально чистые металлические поверхности гидрофильны и будут удерживать непрерывный слой воды, который не скатывается и не стекает. ASTM F22 описывает версию этого теста. Этот тест не обнаруживает гидрофильных загрязнителей, но гальваника может легко их вытеснить, поскольку растворы на водной основе. Поверхностно-активные вещества, такие как мыло, снижают чувствительность теста, и их необходимо тщательно смыть.
Эффекты
Гальваника изменяет химические, физические и механические свойства детали. Пример химических изменений, когда никель обшивка улучшает коррозионную стойкость. Примером физического изменения является изменение внешнего вида. Примером механического изменения является изменение прочности на разрыв или твердости поверхности, что является обязательным атрибутом в инструментальной промышленности. [11] Гальваническое покрытие кислотным золотом нижележащих медных или никелированных цепей снижает контактное сопротивление, а также твердость поверхности. Покрытые медью участки мягкой стали действуют как маска, если упрочнение таких участков нежелательно. Луженая сталь хромируется, чтобы предотвратить потускнение поверхности из-за окисления олова.
Гальваническое или химическое нанесение покрытия может использоваться как способ сделать металлическую деталь радиоактивной с использованием водного раствора, приготовленного из никель- фосфорных концентратов, которые содержат радиоактивные ионы гипофосфита 32 P. [12]
Альтернативы гальванике
Существует ряд альтернативных способов получения металлических покрытий на твердых подложках, которые не включают электролитическое восстановление:
- Для нанесения покрытия методом химического восстановления используется ванна, содержащая ионы металлов и химические вещества, которые восстанавливают их до металла за счет окислительно-восстановительных реакций . Реакция должна быть автокаталитической , чтобы новый металл осаждался поверх растущего покрытия, а не осаждался в виде порошка через всю ванну сразу. Химические процессы широко используются для осаждения никель-фосфорных или никель-борных сплавов для обеспечения устойчивости к износу и коррозии, серебра для изготовления зеркал , меди для печатных плат и многого другого. Основное преимущество этих процессов перед гальваникой состоит в том, что они могут создавать покрытия одинаковой толщины на поверхностях произвольной формы, даже внутри отверстий, и подложка не обязательно должна быть электрически проводящей. Еще одним важным преимуществом является то, что им не нужны источники питания или аноды особой формы. К недостаткам можно отнести более низкую скорость осаждения, потребление относительно дорогих химикатов и ограниченный выбор металлов для покрытия.
- Процессы иммерсионного покрытия используют реакции замещения, в которых субстратный металл окисляется до растворимых ионов, в то время как ионы металла покрытия восстанавливаются и осаждаются на его месте. Этот процесс ограничивается очень тонкими покрытиями, поскольку реакция прекращается после того, как субтрат полностью покрыт. Тем не менее, он имеет несколько важных применений, таких как процесс химического никелирования иммерсионного золота (ENIG), используемый для получения позолоченных электрических контактов на печатных платах.
- При распылении используется мощный электронный луч для выброса микроскопических частиц металла на подложку в вакууме.
- При физическом осаждении из паровой фазы металл переносится на субстрат путем его испарения.
- В химическом осаждении из паровой фазы используется газ, содержащий летучие соединения металла, которые осаждаются на подложке в результате химической реакции.
- Золочение - это традиционный способ нанесения золотого слоя на металлы путем нанесения очень тонкого листа золота, удерживаемого клеем.
История
Современная электрохимия была изобретена итальянским химиком Луиджи Валентино Бругнателли в 1805 году. Бругнателли использовал изобретение своего коллеги Алессандро Вольта пятью годами ранее, гальваническую батарею , для облегчения первого электроосаждения. Изобретения Бругнателли были запрещены Французской академией наук и не стали использоваться в общей промышленности в течение следующих тридцати лет. К 1839 году ученые в Великобритании и России независимо друг от друга разработали процессы осаждения металла, аналогичные методам Бругнателли, для гальваники медных пластин печатного станка .
Борис Якоби в России не только заново открыл гальванопластику, но и разработал гальванопластику и гальванопластику . Гальванопластика быстро вошла в моду в России, и такие люди, как изобретатель Петр Багратион , ученый Генрих Ленц и писатель-фантаст Владимир Одоевский, внесли свой вклад в дальнейшее развитие технологии. Среди наиболее одиозных случаев гальваническое использования в середине 19-го века в России были гигантские гальванопластические скульптуры Исаакиевского собора в Санкт - Петербурге и золотом гальваническим купол в Храме Христа Спасителя в Москве , самый высокий православный храм в мире . [13]
Вскоре после этого Джон Райт из Бирмингема , Англия, обнаружил, что цианид калия является подходящим электролитом для гальваники золота и серебра. Сподвижники Райта, Джордж Элкингтон и Генри Элкингтон, получили первые патенты на гальванику в 1840 году. Затем эти двое основали гальваническую промышленность в Бирмингеме, откуда она распространилась по всему миру. Вулрич Электрический генератор 1844, в настоящее время в Thinktank, Бирмингем Музей науки , является самым ранним электрический генератор используется в промышленности. [14] Он использовался Элкингтоном . [15] [16] [17]
Norddeutsche Affinerie в Гамбурге был первым современным гальванического завода , начиная свое производство в 1876. [18]
По мере роста науки об электрохимии , ее отношение к гальванике стало понятным, и были разработаны другие виды недекоративного гальванического покрытия металлов. Промышленное гальваническое покрытие никеля , латуни , олова и цинка было развито к 1850-м годам. Гальванические ванны и оборудование, основанные на патентах Elkingtons, были увеличены для размещения покрытий на многочисленных крупномасштабных объектах и для конкретных производственных и инженерных приложений.
Гальваническая промышленность получила большой импульс с появлением в конце 19 века электрических генераторов . При наличии более высоких токов металлические компоненты машин, аппаратные средства и автомобильные детали, требующие защиты от коррозии и улучшенных свойств износа, а также лучшего внешнего вида, могут перерабатываться в больших объемах.
Две мировых войны и растущая авиационная промышленность дали толчок к дальнейшим разработкам и усовершенствованиям , включая такие процессы , как жесткое хромирование , бронзы обшивку сплава, сульфаматное никелирование, наряду с многочисленными другими процессами металлизации. Гальваническое оборудование превратилось из деревянных резервуаров, покрытых гудроном вручную, до автоматизированного оборудования, способного обрабатывать тысячи килограммов в час деталей.
Одним из первых проектов американского физика Ричарда Фейнмана была разработка технологии гальванического нанесения металла на пластик . Фейнман превратил оригинальную идею своего друга в успешное изобретение, позволив своему работодателю (и другу) сдержать коммерческие обещания, которые он дал, но не смог бы выполнить иначе. [19]
Корпусная ячейка
Клетка корпуса представляет собой тип испытательной камеры используется для полуколичественно проверить состояние гальванической ванны. Он измеряет полезный диапазон плотности тока, оптимизирует концентрацию добавок, распознает эффекты примесей и показывает способность к выбросу макроэлементов. [20] Ячейка Халла воспроизводит гальваническую ванну в лабораторных масштабах. Он заполнен образцом гальванического раствора, соответствующий анод соединен с выпрямителем . «Работу» заменяют испытательной панелью с ячейками корпуса, на которую будет нанесено покрытие, чтобы показать «здоровье» ванны.
Ячейка Халла представляет собой контейнер трапециевидной формы, вмещающий 267 миллилитров раствора для гальванической ванны. Такая форма позволяет размещать испытательную панель под углом к аноду. В результате осаждение наносится при различных плотностях тока по длине, которые можно измерить с помощью линейки ячеек корпуса. Объем раствора позволяет проводить полуколичественное измерение концентрации добавки: добавление 1 грамма к 267 мл эквивалентно 0,5 унции / галлон в гальваническом резервуаре. [21]
Ячейка Харинга – Блюма
Ячейка Харинга-Блюма используется для определения макро-метательной способности гальванической ванны. Ячейка состоит из двух параллельных катодов с неподвижным анодом посередине. Катоды находятся на расстоянии от анода в соотношении 1: 5. Макро-метательная мощность рассчитывается по толщине покрытия на двух катодах, когда постоянный ток пропускается в течение определенного периода времени. Ячейка изготовлена из плексигласа или стекла. [22] [23]
Смотрите также
- Электрохимическая инженерия
- Электрополировка
- Наноламинирование
Рекомендации
- ^ "Архивная копия" . Архивировано 28 ноября 2020 года . Проверено 1 мая 2019 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- Перейти ↑ Dufour 2006 , p. IX-1.
- ^ a b Dufour 2006 , стр. IX-2
- Перейти ↑ Dufour 2006 , p. IX-3
- ^ "Профиль технологии предотвращения загрязнения Замены трехвалентного хрома для покрытия шестивалентным хромом" (PDF) . Северо-восточная ассоциация должностных лиц по обращению с отходами. 2003-10-18. Архивировано из оригинального (PDF) 20 июля 2011 года. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ «Одна большая перемена проволоки в '97 еще помогает чипсов достичь крошечные масштаба» . Блог исследований IBM . 2017-11-15 . Проверено 20 апреля 2021 .
- ^ кунджи дурай, MS; чаала, Мэти (2008). «Импульсное и обратное гальваническое покрытие - концепция, преимущества и применение». Electrochimica Acta . 53 (8): 3313–3322. DOI : 10.1016 / j.electacta.2007.11.054 .
- ^ Проктор, Дебора М (2016). «Оценка риска ингаляционного рака шестивалентного хрома на основе обновленных данных о смертности рабочих, производящих хромат в Пейнсвилле» . Журнал экспозиционной науки и экологической эпидемиологии . 26 (2): 224–31. DOI : 10.1038 / jes.2015.77 . PMC 4756268 . PMID 26669850 .
- ^ Милошевич-Попович, Даниела (2018). "Достижения в композитах с металлической матрицей, покрытых щеткой" . SIFCO ASC . Архивировано 23 июля 2020 года . Проверено 23 июля 2020 .
- ^ AC Tan (30 ноября 1992 г.). Олово и припой в полупроводниковой промышленности . Springer Science & Business Media. п. 122. ISBN 978-0-412-48240-3. Архивировано 1 августа 2020 года . Дата обращения 16 мая 2019 .
- ^ Тодд, Роберт Х .; Аллен, Делл К .; Альтинг, Лео (1994). "Покрытие поверхности". Справочное руководство по производственным процессам . Промышленная пресса. С. 454–458. ISBN 0-8311-3049-0. Архивировано 9 октября 2013 года.
- ^ США 6475644 , Hampikian, Janet & Нил Скотт, «Радиоактивные растворы для покрытий методы и субстраты»
- ^ «История гальванотехнологии в России» . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 года.
- ^ Бирмингем Музеи трест каталог, инвентарный номер: 1889S00044
- ^ Томас, Джон Мейриг (1991). Майкл Фарадей и Королевский институт: гений человека и места . Бристоль: Хильгер. п. 51. ISBN 0750301457.
- ^ Beauchamp, KG (1997). Выставка электроэнергии . ИЭПП. п. 90. ISBN 9780852968956.
- ^ Хант, LB (март 1973). «Ранняя история позолоты» . Золотой бюллетень . 6 (1): 16–27. DOI : 10.1007 / BF03215178 .
- ^ Стелтер, М .; Бомбах, Х. (2004). «Оптимизация процесса электрорафинирования меди». Современные инженерные материалы . 6 (7): 558. DOI : 10.1002 / adem.200400403 .
- ^ Фейнман, Ричард (1985). «Глава 6: Главный химик-исследователь корпорации Metaplast». Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! .
- ^ Обработка металлов: Путеводитель и справочник. Выпуск 98 . 95 . 1998. с. 588.
- ^ Кушнер, Артур С. (1 декабря 2006 г.). «Корпусная ячейка 101» . Отделка продукции . Архивировано из оригинального 13 марта 2010 года.
- ^ Бард, Аллан; Инзельт, Дьёрдь; Шольц, Фриц (2012). «Ячейка Харинга – Блюма». Электрохимический словарь . Springer. п. 444. DOI : 10.1007 / 978-3-642-29551-5_8 . ISBN 978-3-642-29551-5.
- ^ Вендт, Хартмут; Герхард, Крейсе (1999). Электрохимическая инженерия: наука и технологии в химической и других отраслях промышленности . Springer. п. 122. ISBN 3540643869.
Библиография
- Дюфур, Джим (2006). Введение в металлургию (5-е изд.). Кэмерон.[ ISBN отсутствует ]
Внешние ссылки
- Настоящее гальваническое покрытие на химическом меднении, обработанном ПТГ, на YouTube