Идея гальваники состоит в том, чтобы использовать электричество для покрытия относительно обычного металла, такого как медь, тонким слоем другого, более драгоценного металла, такого как золото или серебро. Гальваника имеет много других применений, помимо того, что дешевые металлы выглядят дорогими. Мы можем использовать его, чтобы делать вещи устойчивыми к ржавчине, например, для производства различных полезных сплавов, таких как латунь и бронза, и даже для придания пластику вида металла. Как работает этот удивительный процесс? Рассмотрим подробнее!
Что такое гальваника?
Гальваника включает пропускание электрического тока через раствор, называемый электролитом. Это делается путем погружения двух выводов, называемых электродами, в электролит и соединения их в цепь с аккумулятором или другим источником питания. Электроды и электролит сделаны из тщательно подобранных элементов или соединений. Когда электричество протекает через цепь, которую они образуют, электролит распадается, и некоторые из атомов металла, которые он содержит, осаждаются тонким слоем поверх одного из электродов - он покрывается гальваническим покрытием. Таким способом можно покрывать все виды металлов, включая золото, серебро, олово, цинк, медь, кадмий, хром, никель, платину и свинец.
Гальваника очень похожа на электролиз (с использованием электричества для разделения химического раствора), который является обратным процессу, при котором батареи производят электрические токи. Все это примеры электрохимии: химические реакции, вызываемые электричеством или производящие электричество, которые дают полезные в научном или промышленном отношении конечные продукты.
Как работает гальваника?
Во-первых, вы должны выбрать правильные электроды и электролит, выяснив химическую реакцию или реакции, которые должны произойти при включении электрического тока. Атомы металла, покрывающие ваш объект, происходят из электролита, поэтому, если вы хотите что-то покрыть медью, вам понадобится электролит, сделанный из раствора соли меди, а для золотого покрытия вам понадобится электролит на основе золота и т. д.
Затем вы должны убедиться, что электрод, который вы хотите покрыть, полностью чист. В противном случае, когда на него осаждаются атомы металла из электролита, они не образуют хорошей связи и могут просто снова стираться. Как правило, очистка выполняется погружением электрода в раствор сильной кислоты или щелочи или (на короткое время) подключением гальванической цепи в обратном направлении. Если электрод действительно чистый, атомы металлического покрытия эффективно связываются с ним, очень прочно присоединяясь к внешним краям его кристаллической структуры.
Теперь мы готовы к основной части гальваники. Нам нужны два электрода из разных проводящих материалов, электролит и источник электричества. Обычно один из электродов сделан из металла, который мы пытаемся покрыть, а электролит - это раствор соли того же металла. Так, например, если мы покрываем медью латунь, нам понадобится медный электрод, латунный электрод и раствор соединения на основе меди, такого как раствор сульфата меди. Металлы, такие как золото и серебро, растворяются с трудом, поэтому их нужно превращать в растворы с использованием сильных и опасно неприятных химикатов на основе цианидов. Электрод, на который будет наноситься покрытие, обычно изготавливают из более дешевого металла или неметалла, покрытого проводящим материалом, например графитом.
Мы окунаем два электрода в раствор и соединяем их в цепь, так что медь становится положительным электродом (или анодом), а латунь - отрицательным электродом (или катодом). Когда мы включаем питание, раствор сульфата меди расщепляется на ионы (атомы со слишком малым или слишком большим количеством электронов). Ионы меди (которые заряжены положительно) притягиваются к отрицательно заряженному латунному электроду и медленно осаждаются на нем, образуя позже тонкую медную пластину. Тем временем сульфат-ионы (которые заряжены отрицательно) достигают положительно заряженного медного анода, высвобождая электроны, которые движутся через батарею к отрицательному латунному электроду.
Гальваническим атомам требуется время, чтобы накапливаться на поверхности отрицательного электрода. Сколько именно времени зависит от силы используемого электрического тока и концентрации электролита. Увеличение любого из них увеличивает скорость, с которой ионы и электроны движутся по цепи, и скорость процесса нанесения покрытия. Пока ионы и электроны продолжают двигаться, ток продолжает течь, и процесс покрытия продолжается.
Можно ли гальванизировать пластик?
Недорогой, легко поддающийся формованию, легкий и одноразовый, пластик быстро стал самым распространенным и гибким материалом в 20 веке. Но для многих это не только преимущество, но и недостаток: пластик дешевый и именно так он и выглядит. Одно из решений - покрыть дешевый пластик тонким слоем металла, чтобы придать ему все преимущества пластика с привлекательной блестящей поверхностью металла. Таким способом можно покрыть множество различных пластиков, включая АБС-пластик, фенольные пластики, карбамидоформальдегид, нейлон, и поликарбонат. Вы часто найдете детали на автомобилях, сантехнике, бытовом и электрическом оборудовании, которые выглядят металлическими, но на самом деле сделаны из пластика. Они легче, дешевле, устойчивы к ржавчине и не требуют полировки после нанесения покрытия.
Как гальванизируют пластмассы?
Если вы что-нибудь знаете о пластике, вы сразу заметите очевидную проблему: пластик обычно не проводит электричество. Теоретически это должно полностью исключить гальваническое покрытие. На практике это просто означает, что мы должны дополнительно обработать наш пластик, чтобы он стал электропроводящим, прежде чем мы начнем. Есть несколько этапов. Во-первых, пластик необходимо тщательно очистить, чтобы удалить пыль, грязь, жир и следы с поверхности. Затем его протравливают кислотой и обрабатывают катализатором (ускорителем химической реакции), чтобы обеспечить прилипание покрытия к его поверхности. Затем его окунают в ванну с медью или никелем (медь более распространена), чтобы получить очень тонкое покрытие из электропроводящего металла (толщиной менее микрона, 1 мкм или одной тысячной миллиметра). Как только это будет сделано, его можно гальванизировать, как на металл. В зависимости от того, сколько износа должна выдержать металлическая деталь, толщина покрытия может быть от 10 до 30 микрон.
Гальванические ванны
Гальванические ванны представляют собой большие емкости прямоугольной формы из стойких к коррозии материалов, в которые помещается раствор для гальваники. Иногда раствор бывает необходимо нагреть до высоких температур. Для нагрева раствора до необходимой в технологическом процессе температуры могут быть использованы различные типы нагревательных элементов, наиболее популярными из которых являются электронагреватели.
Нагреватели могут как помещаться непосредственно в емкость с жидкостью – электрические металлические ТЭНы, так и оставаться снаружи ванны, передавая тепло через специальную защитную колбу (или стакан), которая уже контактирует с жидкостью. Во втором способе используются керамические сухие ТЭНы, которые оказываются более эффективными благодаря более длительному сроку службы и возможности замены нагревательного элемента без слива жидкости.
Зачем нужна гальваника?
Гальваника обычно выполняется по двум совершенно разным причинам: украшение и защита. Металлы, такие как золото и серебро, покрывают для украшения: дешевле иметь позолоченные или посеребренные украшения, чем цельные изделия из этих тяжелых, дорогих и драгоценных материалов. Поскольку разные металлы имеют разные цвета, гальваника может использоваться для придания таким вещам, как кольца, цепочки, значки, медали и тому подобные предметы, широкого спектра привлекательных декоративных покрытий, включая блестящие, матовые и старинные вариации золота, серебра, меди. Металлы, такие как олово и цинк (которые не особенно привлекательны на вид), покрываются гальваническим покрытием, чтобы впоследствии обеспечить им защитный внешний вид. Например, пищевые контейнеры часто покрывают оловом, чтобы сделать их устойчивыми к коррозии по той же причине.
Некоторые формы гальваники являются одновременно защитными и декоративными. Крылья и «отделка» автомобилей, например, когда-то широко изготавливались из прочной стали, покрытой хромом, чтобы сделать их привлекательно блестящими и устойчивыми к ржавчине (вместо этого на автомобилях с большей вероятностью будут использоваться недорогие и естественно устойчивые к коррозии пластмассы). На сплавы, такие как латунь и бронза, также можно наносить гальваническое покрытие, если электролит будет содержать соли всех металлов, которые должны присутствовать в сплаве. Гальваника также используется для изготовления дубликатов печатных форм в процессе, называемом электротипированием, и для гальванопластики.
Насколько толсто гальваническое покрытие?
Независимо от того, покрываются ли предметы для украшения или защиты, еще одним важным фактором является толщина слоя покрытия. Очевидно, что чем толще покрытие, тем дольше оно прослужит и тем больше будет защиты, но даже самое толстое покрытие намного тоньше, чем можно было ожидать. Типичная толщина металлического покрытия варьируется от примерно 0,5 микрон (0,5 миллионных долей метра или 0,0005 миллиметра) до примерно 20 микрон (20 миллионных долей метра или 0,02 миллиметра) - это очень тонкий. (Чтобы дать вам некоторое представление, алюминиевая кухонная фольга находится примерно в середине этого диапазона, а самая толстая и самая прочная фольга составляет около 10–20 микрон.) Что-то вроде позолоченного корпуса часов будет иметь покрытие 20 микрон, которое может легко продержаться в повседневной суете несколько десятилетий.
