5.2 Отримання чистих металів

Процес, в якому використовується розчинення чорнового аноду з осадженням чистого металу на катоді, називається електролітичним рафінуванням. Електролітичне рафінування використовується при отриманні чистих металів з позитивним нормальним потенціалом, а також металів з невеликим від'ємним нормальним потенціалом при застосуванні спеціальних заходів, які перешкоджають виділенню водню.

Процес отримання чистих металів з водних розчинів та розплавлених з'єднань називається електроекстракцією. Електроекстракцією отримують чисті метали з водних розчинів при від'ємному нормальному потенціалі металу до -1 В, при більш від'ємних потенціалах метали отримують з розплавів.

Для отримання чистої міді як анод використовують зливки чорнової міді масою до 300 кг, як катоду застосовуються пластинки товщиною 0,6-0,7 мм з чистої міді. Електролітом є водний розчин мідного купоросу з концентрацією CuSO₄ – 12-14 %, H₂SO₄ – 13-19 %. Процес відбувається при напрузі 0,3-0,35 В, густині струму 180-270 А/м², температура електроліту – 55-60 °С, тривалість нарощування катоду до 60-100 кг – 10-12 діб, повне розчинення аноду – 25-30 діб, процес супроводжується штучною циркуляцією електроліту у ванні.

Отримання чистого цинку відбувається з водного розчину сірчанокислого цинку ZnSO₄ концентрації – 5-6 %, H₂SO₄ – 10-12 %, як анод використовується свинцева пластинка товщиною 6-8 мм, як катод алюмінієва пластинка товщиною 4-5 мм, на якій осідає цинк. В процесі електролізу в ванну безперервно подається свіжий розчин електроліту, а відпрацьований – відводиться. Процес ведеться при напрузі 3,5-4,5 В, густині струму 400-600 А/м², тривалість циклу електролізу – 40-50 годин.

Отримання чистого алюмінію відбувається електролізом розплавлених солей. Як електроліт використовується розчин оксиду алюмінію Al₂O₃ в розплавленому кріоліті Na₃AlF₆, оксид алюмінію в процесі електролізу розкладається і чистий алюміній осідає на дно ванни, яка є катодом; анодом є масивний вугільний електрод, який занурений в електроліт. Електроліз проходить при напрузі 4,2-4,5 В, густині струму 7000-10000 А/м², температурі розплаву – 950 °С.

Контрольні питання до підрозділу 5.2

1. Що собою являє рафінування ?

2. Що собою являє електроекстракція ?

3. Яким чином отримують чисту мідь електрохімічним шляхом ?

4. Як отримують чистий цинк електрохімічним шляхом ?

5. Як отримують алюміній електрохімічним шляхом ?

5. 3 Гальванотехніка

Гальванотехніка – спосіб осадження металу на поверхні виробів за допомогою електролізу. Гальванотехніка поділяється на гальваностегію та гальванопластику.

Гальваностегія – процес електрохімічного осадження металу на металевих виробах для надання їм підвищеної механічної міцності і корозійної стійкості або для виготовлення декоративних покриттів, які поліпшують зовнішній вигляд виробів.

Для стійкості покриттів необхідне гарне зчеплення металу покриття з виробом. Хром та нікель мають недостатнє зчеплення зі сталлю, тому застосовують проміжне обміднення. У деяких випадках хром не захищає від корозії, тому використовують тришарове покриття – мідь-нікель-хром. Покриття виробів шаром нікелю або хрому захищає їх поверхню від окиснення при нагріванні до 480-500 °С.

Нанесення покриттів на вироби використовується для підвищення їх зносостійкості, так нанесення шару нікелю, хрому або заліза товщиною 30-50 мкм на стереотип (у типографській справі) підвищує термін його служби у десятки разів.

Перед проведенням покриття вироби обробляють для видалення з їхньої поверхні слідів бруду, оксидів, жиру, в деяких випадках шліфують та полірують. Обезжирення виробів відбувається в гарячих розчинах лугів або в органічних розчинниках – керосині, бензині. Видалення окислів та бруду відбувається травленням виробу в сірчаній або соляній кислоті. Для отримання блискучої поверхні виробу після гальванічного покриття (вироби з ванн після покриття мають матову поверхню) вони підлягають шліфуванню та поліруванню.

До гальваностегії відносяться такі види покриттів, як нікелювання, хромування, міднення, кадмування, покриття поверхні цинком, оловом, свинцем, сріблом, золотом.

Гальванотехнічні покриття можуть забезпечувати підвищену корозійну стійкість (цинкуванням, кадруванням, луженням, свинцюванням), зносостійкість поверхонь, що труться, (хромуванням, залізненням), захисно-декоративну функцію оздоблення поверхні (мідненням, нікелюванням, хромуванням, покриття сріблом і золотом). Гальванічні покриття виробів з гіпсу, оргскла, пластику або композиту використовуються для надання естетичного виду, збільшення міцності поверхонь виробів, наданню деталям струмопровідних властивостей.

Хромування збільшує твердість металевих виробів, опір механічному зношуванню і високим температурам, придає декоративний вигляд і світловідбиваючі властивості. Самі по собі хромові гальванічні покриття достатньо пористі, тому частіше для попередження корозії на виріб наносять декілька шарів, наприклад, мідь-нікель-хром або нікель-мідь-нікель-хром.

Цинкування – цинк добре зчіплюється з поверхнею інших металів, а з часом на цинковому покритті утворюється тонка плівка окислів, яка має добрі захисні властивості. Нанесення цинкового гальванічного покриття з використанням безколірного або радужного хромування забезпечує виробам чудовий вид і захист від різних видів корозії і механічної дії.

Кадмування використовується для захисту поверхонь металів, як і цинкування, останнє більш дешеве і доступніше.

Міднення металевих виробів проводять в декоративно-захисних цілях, для покращення приробки деталей, що труться, для ущільнення зазорів, поновлення зношених поверхонь і захисту інструменту від іскроутворення, а також для створення на поверхні металу струмопровідного шару з малим опором.

Нікелювання використовується для захисту від корозії, підвищення зносостійкості деталей, в захисно-декоративних цілях, а також для формування проміжного шару при багатошарових покриттях.

Залізнення використовується основним чином для покриття матриць в поліграфії, а також при кінцевій обробці деталей машин або при ремонті зношених інструментів.

Латунювання – це нанесення на поверхню металевих виробів (здебільшого сталевих) шару латуні в декілька мікрон для захисту виробів від корозії, для забезпечення міцного зчеплення сталевих і алюмінієвих виробів з резиною при гарячому пресуванні, для створення проміжного шару при нікелюванні або луженні сталевих деталей. Латунювання – один із способів підвищення антифрикційних властивостей титану і його сплавів.

Луження використовується частіше всього для залізних і сталевих деталей завдяки стійкості олова до корозії.

Гальванічні покриття з дорогоцінних металів і їх сплавів широко використовуються при заключній обробці ювелірних виробів для надання їм визначеного кольору, тону і блиску, створення кольорової гармонії при виготовленні виробів з дорогоцінним камінням, корозійного захисту, підвищення міцності і твердості.

Технологія покриття виробів різними металами передбачає додавання в електроліт кислот або лугів для збільшення його провідності або відповідних добавок для покращення зчеплення металу із виробом (наприклад, ціаністі з'єднання при позолоченні, посрібленні).

В більшості випадків при гальваностегії використовуються розчинні аноди у вигляді штаб або стержнів з металів, які осідають на виробі (катоді). У деяких випадках, наприклад, для хромування, використовуються нерозчинні аноди із свинцю або його сплавів, у цьому випадку в проточному електроліті повинні міститися солі металу, що осаджується.

Напруга постійного струму для живлення ванн гальваностегії складає 6-24 В, вихід за струмом для позолочення – 60-70 %, для хромування – 12 %.

Перспективне використання у гальванічних процесах – накладання змінного струму на постійний, що дозволяє підвищити якість покриттів.

Гальванопластика – це процес отримання копій з рельєфних зображень виробу електрохімічним шляхом. Для отримання копії необхідно отримати її зворотне зображення, яке називається матрицею. Матрицю можна отримати гальванічним шляхом, шляхом пресування поверхні виробу свинцем, шляхом оплавлення з легкоплавкого сплаву. Матриця, яка отримана гальванічним шляхом, звичайно виготовляється з міді з використанням електроліту з мідного купоросу, в деяких випадках застосовуються воскові матриці, для надання поверхні електропровідності яких використовується металевий порошок. Пустотіла копія утворюється у гальванічній ванні, де у якості катоду міститься матриця.

У типографії з кліше (набору), яке змочене керосином, роблять свинцеве пресування під тиском 50-100 МПа, матриця відділяється від кліше і в гальванічній ванні робиться копія з міді, яка в подальшому покривається тонким шаром заліза, нікелю або хрому для підвищення зносостійкості (мідні копії витримують до 200 - 250 тис. відтисків, покриті залізом або нікелем – до мільйону, хромовані – до півтора мільйона).

Контрольні питання до підрозділу 5.3

1. Як розуміється поняття гальванотехніка ?

2. Що собою являє процес гальваностегії ?

3. Особливості проведення процесу гальваностегії ?

4. Що собою являє процес гальванопластики ?