Гальванические ванны — что это такое, принцип действия, конструкция

Гальванические ванны — это химические аппараты, которые служат для нанесения однородного покрытия на различные предметы. Чтобы понять принцип работы этих устройств, важно разобрать сам гальванический процесс.

Содержание

• Что такое гальванизация
• Применение
• Конструкция гальванических ванн
• Материал изготовления
• Принцип работы гальванической ванны

Что такое гальванизация

Гальванизация — процесс, в котором применяют электрический ток, чтобы уменьшить растворенные положительно заряженные ионы (катионы) металла настолько, что они образуют единое покрытие с поверхностью другого материала. Другими словами, это перенос молекул металла раствора на изделие в момент протекания через них электротока. Как правило, гальванику осуществляют между двумя металлами.

Этот термин также используют для обозначения электрических окислений из отрицательно заряженных ионов (анионов) на твердой поверхности. Например, при формировании хлорида серебра на серебряной проволоке.

В результате гальванизации внутренняя структура материала не изменяется. Для более глубокого воздействия применяют другие технологии: например, дробеструйное производство, химические способы.

Противоположность гальванического воздействия — процесс, в котором используют гальваническое травление. С его помощью производят очистку поверхностей, где в дальнейшем будут наносить защитный слой.

Применение

Гальванику в основном используют для изменения свойств поверхности объекта:

• повышения защиты от коррозии, снижения уровня скольжения;
• устранения физических повреждений и увеличения износостойкости;
• улучшения внешнего вида предмета;
• наращивания толщины изделия в местах низкорослости и при формировании плотностей.

В большинстве случаев гальванические процессы не скроют, а могут даже подчеркнуть появившиеся ранее дефекты поверхности: вмятины, царапины и подобные. Поэтому перед нанесением покрытия стоит затереть или обработать физическим способом любую поверхность.

Гальванизацию применяют для обработки металлов в ювелирном деле, медицине и декоративно-металлургической отрасли. Технологию используют для хромирования деталей и инструментов, никелирования, оцинковки и обезжиривания. Самые популярные металлы покрытия: родий, палладий, золото, серебро, латунь, рутений.

Конструкция гальванических ванн

Внешне гальваническая ванна представляет собой пустую емкость прямоугольной формы объемом от 0,1 до 10 м³. Уже в процессе гальванизации устройство наполняют специальным раствором, который обеспечивает прохождение электрического тока, — электролитом.

В независимости от условий эксплуатации ванна должна отвечать нескольким требованиям:

1. Прочность и герметичность. На швы и стенки заполненной емкости оказывается высокое гидростатическое давление. Поэтому гальванические ванны должны выдерживать рассчитанные технологом нагрузки.
2. Возможность поддерживать заданные параметры процесса. Гальванизация может протекать при постоянном помешивании и подогреве. Важно, чтобы к емкости можно было монтировать дополнительное оборудование, подключать ее к уже работающим группам изделий или осуществлять процессы в автономном режиме.
3. Химическая устойчивость. В состав электролитов входят агрессивные химические соединения, некоторые процессы протекают при повышенных температурах. Материал емкостей не должен вступать в химические реакции с электролитами.
4. Удобство использования и универсальность. В зависимости от условий применения и технологической необходимости должна быть возможность быстро менять первоначальное назначение емкости.

Материал изготовления

В зависимости от рабочей температуры гальванические ванны изготавливают из:

• полиэтилена ПНД, рабочая температура от −40 до +60 °С;
• полипропилена ПП-Б, рабочая температура от −20 до +80 °С;
• полипропилена ПП-Г, рабочая температура от 0 до +100 °С;
• поливинилхлорида ПВХ, рабочая температура от 0 до +60 °С;
• поливинилхлорида ХПВХ, рабочая температура от −40 до +95 °С;
• поливинилиденфторида ПВДФ, рабочая температура от −30 до +140 °С;
• перфторалкоксида ПФА, рабочая температура от −190 до +260 °С.

При необходимости конструкция может быть усилена металлокаркасом. Также гальваническая ванна может быть дополнена крышкой, трубой для подачи воды, отводами для стоков, датчиками температуры, фильтрами, нагревательными элементами, шлангодержателями.

Преимущества ванн из полимеров:

• высокая коррозионная стойкость, позволяющая применять емкости для большинства химически агрессивных сред при соблюдении температуры и концентрации рабочей среды;
• низкая теплопроводность, благодаря которой емкость не требует теплоизоляции;
• химическая устойчивость, за счет чего полимер не вступает в реакцию с рабочей средой;
• стойкость к перепадам температуры;
• легкость обслуживания — ванны не требуют регулярного ухода;
• длительный срок эксплуатации;
• широкий диапазон рабочих температур: от −150 до +260 °C в зависимости от типа полимера;
• малый вес, который упрощает перевозку и монтаж изделия.

Принцип работы ванны

Принцип работы гальванической ванны определяется технологическим процессом, зависит от размеров и параметров объекта обработки. Расскажем о стандартных этапах.

Этапы работы

1. Подготовка гальванической ванны

Ванну нагревают до требуемой температуры за несколько часов до применения. Время нагрева зависит от размеров емкости, материалов ее изготовления и мощности нагревательных элементов.

Также перед началом готовят специальный раствор — электролит. Приготовление могут осуществлять в самой ванне или отдельном сосуде. Электролит готовят строго по технологической схеме с соблюдением техники безопасности.

Гальваническая ванна заполняется раствором не полностью, оставляют 10–15 сантиметров до края емкости. Таким образом предотвращают переливание электролита, потому что при погружении объектов объем раствора в ванне увеличивается.

2. Предварительные расчеты

Теоретический этап подготовки ванны к работе — расчет параметров электролита. Нужно рассчитать площадь покрываемой поверхности объекта, длительность процесса при заданной толщине покрытия и токовую нагрузку на ванну.

При автоматизации производства эти параметры рассчитывает программа, что не занимает много времени.

3. Подготовка поверхности к нанесению покрытия

Правильная подготовка поверхности усиливает сцепление покрывающего металла с основой, минимизирует пористость осадков. Благодаря этому увеличивается качество покрытия и износостойкость предметов.

Этапы подготовки:

1. Механическая обработка поверхности. Включает шлифование, кварцевание, полирование, вибрационную обработку, галтовку (обработку сыпучими или жидкими веществами высокой твердости в специальных сосудах с вращением или вибрацией) и другие. Главная задача механической подготовки — снизить шероховатость поверхности до необходимого уровня.
2. Химическая или электрохимическая обработка. Включает обезжиривание, травление, которые служат для окончательного очищения поверхности металла от продуктов механической обработки (масел, оксидных пленок и других).

4. Нанесение гальванического покрытия

Объект или объекты монтируют на подвесное оборудование и опускают в наполненную электролитом ванну. При необходимости раствор перемешивают. Во время гальванизации контролируют технологические показатели: напряжение в ванне, температуру и уровень электролита, его водородный показатель.

После подключения постоянного тока к положительному электроду (аноду) составляющие его атомы металла окисляются и растворяются в электролите. На отрицательном электроде (катоде) происходит обратное: растворенные ионы металла осаждаются, образовывая покрытие.

После окончания гальванизации подвесное оборудование с объектами поступает в ванну промывки, затем — в ванну постобработки для уплотнения, окрашивания, пассивации (создания на поверхности тонких слоев соединений против коррозии). Завершает весь процесс сушка и демонтаж изделий с подвесного приспособления.

Нюансы

Скорость, с которой растворяется анод, зависит от площади поверхности катода, по которой идет ток. Толщина слоя покрытия зависит от времени воздействия — чем дольше объект остается в электрической среде ванны, тем толще будет слой.

Форма и контур объекта могут влиять на толщину покрытия. Металлические предметы с острыми ребрами и углами обычно имеют более тонкое покрытие в углублениях и более толстое — на углах. Для таких предметов (например, перстней, часов с гранеными углами) нужно применять разные углы воздействия и уровни тока.