что такое гальванопластика приведите примеры ее использования
Гальванопластика и гальваностегия — what it is? Часть 1
Возвращаясь к теме профессиональной терминологии в гальванотехнике решил написать пару статей. Прошлая публикация вызвала интерес и вопросы.
Итак. Что называется? Как и почему называется? В чём разница.
Велик и могуч русский язык! Истина известная. Наберите в переводчике термины: гальваника, гальваностегия и гальванопластика, и вы получите на английском языке три слова : electroplating, electroplating, electroplating — для англоязычных все едино.
В чем же заключается разница между гальваностегией и гальванопластикой?
И ггальваностегия, и гальванопластика являются разделами гальванотехники.
«ГАЛЬВАНОТЕХНИКА (от гальвано- и греческого techne — искусство, мастерство), область прикладной электрохимии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий. Основана на кристаллизации металлов из водных растворов их солей при прохождении постоянного электрического тока. Используется для нанесения металлических покрытий на поверхность изделий, получения точных металлических копий (печатных форм, штампов грампластинок и др.).» Современная энциклопедия. 2000.
«Гальванотехника (от гальвано- и техника) — область прикладной электрохимии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Включает гальваностегию и гальванопластику. Разработана Б. С. Якоби (1838)». Большой Энциклопедический словарь. 2000.
«Гальванотехника — область прикладной электрохимии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Г. включает: гальваностегию — получение на поверхности изделий прочно сцепленных с ней тонких металлических покрытий и гальванопластику — получение легко отделяющихся, относительно толстых, точных копий с различных предметов, т. н. матриц. Открытие и техническая разработка Г. принадлежат русскому учёному Б. С. Якоби, о чём он доложил 5 октября 1838 на заседании Петербургской АН.
Гальванотехника основана на явлении электрокристаллизации — осаждении на катоде (покрываемом изделии в гальваностегии или матрице в гальванопластике) положительно заряженных ионов металлов из водных растворов их соединений при пропускании через раствор постоянного электрического тока ». Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969–1978.
«Гальванотехника — раздел прикладной электрохимии, описывающий физические и электрохимические процессы, происходящие при осаждении катионов металла на каком-либо виде катода.
Также под гальванотехникой понимается набор технологических приёмов, режимных параметров и оборудования, применяемого при электрохимическом осаждении каких-либо металлов на заданной подложке.
Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику. Гальванопластика — один из разделов гальванотехники. Применяется для получения металлических копий предметов методами электролиза. Этот термин может использоваться и в качестве названия металлических предметов, полученных методом гальванопластики. Толщина металлических осадков, наносимых при гальванопластике, составляет 0.25-2 мм.
Наибольшее распространение гальванопластика получила при изготовлении точных художественных копий небольших скульптур и ювелирных изделий; в технике — при производстве грампластинок, печатных валов, металлических изделий с микронными параметрами.
Гальваностегия — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета, детали.
В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают покрытия:
Одни и те же покрытия в зависимости от области их применения могут относиться к защитным, защитно-декоративным или специальным.)» Материал из Википедии — свободной энциклопедии.
Таким образом, разница между гальванопластикой и гальваностегией не в физических и химических особенностях процессов, а в материалах предметов, на которые наносится металлический слой.
В процессе, являющимся гальваностегией, слой металла осаждается на поверхность какого-либо металлического предмета, который является электрическим проводником.
Если проводится процесс, который относится к гальванопластике, осаждение металла производится как на металлические, так и на изделия из не проводящих ток материалов: гипс, резина и т. д.
Гальванопластика процесс более сложный и трудоемкий, чем гальваностегия. Сложности при этом двоякие:
Более детально я остановлюсь на особенностях процессов гальваностегии и гальванопластики в последующих публикациях.
Успехов и удачивВсем, кто интерисуется и использует гальванотехнику в своем творчестве.
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 о гальванопластика и гальваностегия
В принципе гальванопластика не отличается от гальваностегии. Однако гальваностегические и гальванопластические процессы имеют свои особенности и отличаются прежде всего методами подготовки поверхности перед осаждением на нее металла.
В гальваностегии поверхность подготавливается так, чтобы покрытие прочно держалось на ней. В гальванопластике, наоборот, покрытие должно легко отделяться. Поэтому в последнем случае уделяется большое внимание нанесению токопроводящих слоев (в случае покрытия непроводников) и разделительных слоев (если копия получается с металла).
Оборудование и самодельные устройства
Оборудование для гальваностегии ничем не отличается от оборудования, применяемого для гальванопластики. В качестве гальванической ванны может быть использована любая стеклянная байка такого размера, чтобы покрываемый металлом предмет свободно в ней размещался и при этом не находился слишком близко от анодных пластин.
Рис. 1. Гальваническая ванна в четырехугольной банке.
Удобнее всего пользоваться четырехугольными стеклянными баньками (рис. 1).
Рис. 2. Гальваническая ванна в круглой банке.
В круглой банке анодную пластину приходится сгибать в виде цилиндра (с) (рис. 2).
Покрываемые предметы подвешивают на медных проволоках. Анодных пластин должно быть две. Важно, чтобы покрываемые предметы были обращены к анодам своими наибольшими площадями и находились с ними примерно в Параллельных плоскостях.
Перекладины, к которым подвешиваются аноды и покрываемые предметы, необходимо снабдить клеммами для удoбcтвa и надежности соединения (см. рис. 3). Проволоки, которыми прикреплен анод к перекладине, должны находиться выше уровня Электролита, особенно если они сделаны из другого металла.
Анодные пластины включаются Между собой параллельно и присоединяются обязательно к клемме «плюс» источника тока аккумулятора или выпрямителя).
Аноды должны быть тщательно очищены от окислов, грязи и обезжирены, так же как и предметы, предназначенные для покрытия металлом.
Важным условием успешного никелирования и меднения является чистота. Если в электролите появилась легкая муть или образовался осадок, электролит необходимо профильтровать.
На рис. 3 показана схема включения гальванической ванны. В качестве источника можно использовать автомобильный аккумулятор или выпрямитель (напряжением 6-12 В), питающийся от сети переменного тока напряжением 127-220 В. К схеме необходимо подключать вольтметр и амперметр. Если поверхность покрываемого предмета менее 2 дм^2, можно использовать миллиамперметр на 500 мА.
Сопротивление реостата должно быть порядка 8-10 Ом, чтобы можно было изменять ток в пределах долей ампера.
Ровное плотное покрытие предмета никелем или медью зависит от величины электрического тока, не превосходящей известного предела и зависящей от площади поверхности предмета.
Например, если норма плотности тока равна 0,5 А на 1 дм^2 и предмет имеет общую поверхность около 0,5 дм^2, то ток не должен превышать 0,5 X 0,5 = 0,25 А. При большем токе никель или медь будут откладываться темным, непрочным, легко отделяющимся слоем. Если предмет имеет заостренные части, плотность тока следует уменьшить в 2-3 раза.
Предметы погружают в ванну под напряжением. Для этого их сначала подвешивают на медных голых проводниках диаметром 0,8-1 мм к перекладине (медная трубка), подключают к источнику электрического тока (при этом реостат включают на полное сопротивление) и опускают в ванну с электролитом. Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы.
Рис. 3. Схема включения гальванической ванны в электрическую цепь.
Во время гальванизации деталь или предмет два-три раза вынимают из ванны на короткое время и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют положение предмета, повернув его к аноду той стороной, на которой слой металла получается тоньше.
Предмет, вынутый из ванны, как бы хорошо он ни был предварительно отполирован, имеет матовую поверхность. Для придания блеска его полируют тончайшим мелом (зубным порошком) при помощи суконки. Можно также полировать крокусом, но очень осторожно, чтобы не повредить слой никеля.
Примечание. В любительских конструкциях широко применяется алюминий. Анодирование можно выполнять переменным током 12- 24 В. Деталь (лист) полируют до зеркального блеска, протирают ацетоном и химически обезжиривают в растворе едкого натра 50 г/л. Время обезжиривания 3-5 мин, температура раствора 50° С.
Анодирование переменным током заключается в следующем. Если анодируется деталь (лист), то она является первым электродом, а вторым может быть обработанная алюминиевая болванка или лист.
Контакты токоподводов обязательно должны быть алюминиевые. Электролитом служит 20-процентный раствор серной кислоты.
Условия анодирования следующие.
Электролитическая гальванопластика
С копируемого предмета или изделия прежде всего снимают отпечаток, т. е. делают форму из легкоплавного металла, воска, пластилина или гипса. Копируемый предмет, натертый мылом, кладут в картонную коробку и заливают легкоплавким сплавом Вуда или другими легкоплавкими сплавами.
После отливки предмет вынимают и полученную форму обезжиривают и подвергают меднению в электролитической ванне. Для того что-
бы металл не откладывался на тех сторонах формы, где нет оттиска, их покрывают при помощи кисточки расплавленным воском или парафином. После меднения легкоплавкий металл расплавляют в кипящей воде и получают матрицу. Матрицу заливают гипсом или свинцом, и копия готова.
Для изготовления форм применяют следующую восковую композицию:
Графит тщательно растирают в фарфоровой ступке, просеивают через сито или марлю и наносят на поверхность изделия мягкой кистью или ватным тампоном. Графит лучше прилипает к пластилину. Формы из гипса, дерева, стекла, пластмассы и папье-маше покрывают раствором воска в бензине.
На поверхность, не успевшую высохнуть, наносят графитную пудру, а лишний, неприлипший графит сдувают.
Медные, серебряные и свинцовые поверхности обрабатывают 1%-ным раствором сульфида натрия, в результате чего на них образуются нерастворимые сульфиды.
Осаждение металла на поверхности формы. Подготовленную форму погружают в ванну, схема которой находится под током, чтобы не растворилась разделяющая пленка. Сначала проводят «затяжку» (покрытие) проводящего слоя меди при малой плотности тока в растворе такого состава:
Рабочая температура электролита 18-25° С, плотность тока 1-2 А/дм^2. Спирт необходим для повышения смачиваемости поверхности. После того как вся поверхность «затянется» слоем меди, форму переносят в электролит, предназначенный для гальванопластики.
Для гальванопластических работ (меднение) рекомендуется следующий состав:
Температура электролита 25-28° С. Плотность тока 5-8 А/дм2.
Металлизация неметаллических предметов, способы и советы
Чтобы изготовить металлические листья растений, со свежих листьев снимают отпечатки на восковой композиции следующим образом. В формочку из плотной бумаги заливают восковую композицию, дают ей остыть почти до полного отвердения, но с таким расчетом, чтобы поверхность ее была эластичной. Затем на поверхность воска накладывают листья и прижимают их стеклом.
Когда стекло н листья снимают, на восковой композиции остается четкий отпечаток листьев.
После полного затвердения воска форму с отпечатком осторожно графитируют мягкой кистью. Установив проводники на форме, подвешивают груз и опускают ее в гальваническую ванну.
Для покрытия металлом насекомых (бабочек, жуков и т. п.) нх соответствующим способом подготавливают: насекомых выдерживают в 1,5%-ном растворе сулемы, высушивают, покрывают лаком или тонким слоем воска. Затем поверхность нужно сделать токопроводящей, для этого ее при помощи кисточки смазывают жидкой кашицей из графита, разведенного на спирте или водке. После высыхания излишки графита удаляют.
После этого предмет подвешивают на нескольких тонких медных проволочках диаметром 0,1-0,2 мм, перекручивая или перевязывая их неоднократно крест-накрест (рис. 1), и помещают в гальвано-пластическую ванну. Для устранения плавучести в электролите бабоч
ку, жучка и т. п. прикрепляют парафином к стеклу или кусочку пластмассы. Металл начинает откладываться прежде всего около медных проволочек, распространяясь очень медленно на всю остальную поверхность.
Рис. 1. Подвешивание жука для омеднения (а). Вид жука, покрытого металлом (б).
Используя метод гальванопластики, можно металлизировать кружева для декоративно-художественного украшения различных предметов.
Кружева растягивают на рамке и пропитывают парафином. Затем их проглаживают утюгом между листами бумаги для удаления излишков парафина. Далее наносят электропроводящий слой мелкого графита, избыток его тщательно сдувают с кружев.
Проложив проводники по краю кружева, их крепят на пластмассовой рамке или рамке из толстого провода с хлорвиниловой изоляцией, вместе с которой кружева погружают в электролит.
Кружева, покрытые медью, обрабатывают латунной щеткой. Паяют их оловянно-свинцовым припоем. Гальваностегическая отделка металлизированных кружев заключается в нанесении декоративного слоя серебра или золота или в оксидировании.
Копируем старинную монету при помощи гальванопластики
Любители-коллекционеры, увлекающиеся сбором старинных монет, могут использовать простой способ снятия копий со старинных монет.
Каждую сторону монеты аккуратно оттискивают на пластилине. Чтобы монета не прилипла к пластилину, ее смачивают мыльным раствором. Кромки оттисков подравнивают так, чтобы углубление в пластилине было равно половине высоты монеты. Затем холодной водой смывают мыло, подсушивают пластилин, пока его температура не достигнет комнатной- 18-20° С.
Затем на поверхность оттиска мягкой кисточкой намыливают порошок бронзы (в хозяйственных магазинах он продается под названием «Краска под золото»). На блестящую бронзовую пленку надо гальваническим способом осадить слой меди. Напыленная бронза не проводит электрического тока, и медь на нее не может осесть.
Чтобы такую поверхность сделать токопроводящей, ее обрабатывают концентрированным раствором двухлористого олова. Поверхность из золотисто-желтой превратится в оловянно-желтую и станет электропроводящей.
Для осаждения на этой поверхности слоя меди надо иметь гальваническую ванну с раствором медного электролита. Для электролита на 1 л дистиллированной или кипяченой воды берут 220-250 г медного купороса, 15-18 г серной кислоты и 35-40 г этилового спирта. Спирт можно заменить двойным количеством водки или 2-3 г фенола (карболовая кислота).
Затем в нескольких местах токопроводящей поверхности оттиска втыкают тоненькие жилки от многожильного провода и соединяют их с общим проводом. Оттиснутая форма будет в ванне минусом (катод). С положительным полюсом соединяют кусочек меди, равный по площади монете или чуть больше нее. Все это опускают в раствор электролита.
Расстояние между электродами 8-10 см.
В качестве источника тока используется выпрямитель либо четыре-пять элементов «373» «Сатурн», соединенных последовательно и включенных в соответствующей полярности. Через 1-2 мин осматривают оттиск. Если осаждающийся на нем слой меди имеет красноватый цвет, как бы поджаренный, значит, ток велик и надо отсоединить одни элемент или уменьшить напряжение на выходе выпрямителя.
Опытным путем добиваются, чтобы слой меди приобрел телеснокрасноватый оттенок с мелкими поблескивающими кристаллами. В этом случае медь будет пластичной.
Осаждать ее нужно в течение 5-6 ч. Потом модель вынимают из пластилина, промывают теплой водой и ножницами выравнивают края. Внутреннюю часть модели покрывают флюсом (канифоль, растворенная в спирте или бензине), заливают до краев оловом или припоем ПОС-60. После заливки обе половины монеты подравнивают и, наконец, спаивают между собой.
Шов зачищают, монету промывают и опускают ее на несколько минут в раствор электролита (без подключения электрического тока). Оловянный шов покроется тонким слоем меди.
Литература: В. Г. Бастанов. 300 практических советов, 1986г.
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.