4096

окрашивание? О чем это свидетельствует? Объясните, какое из покрытий

является катодным, а какое – анодным.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Приведите примеры газовой или химической коррозии металлов.

2.Какие процессы протекают при коррозии оцинкованного железа в кислой среде на катоде и аноде?

3.Поясните, в чем разница между катодной и протекторной защитой от коррозии?

Лабораторная работа № 5

ПОЛУЧЕНИЕ И РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ

Цель работы:

1.Ознакомиться с методами нанесения и определение толщины гальванических покрытий.

2.Определить толщину гальванического покрытия гравиметрическим методом.

Теоретическая часть

Для защиты металлических изделий от коррозии, а также придания изделиям из металлических и неметаллических материалов защитнодекоративных или специальных (повышение твердости, износостойкости, антифрикционные свойства) свойств используют металлические покрытия.

В зависимости от способа нанесение металлических покрытий проводят различными способами: электроосаждением ионов металла из раствора электролита (гальванические), погружением защищаемого изделия в расплавленный металл (горячие), насыщением поверхностных слоев металла при высоких температурах (термодиффузионные), распылением расплавленного металла (металлизационные) или горячей прокаткой металла и слоя коррозионно-стойкого металла (плакировочные).

Независимо от способа нанесения, все металлические покрытия должны удовлетворять следующим основным требованиям: быть прочносцепленными с основой и не отслаиваться при любых условиях эксплуатации; быть плотными, мелкокристаллическими, обеспечивающими коррозионную стойкость изделия;

иметь минимальную пористость; удовлетворять специальным требованиям к покрытию: твердости, износостойкости, удельному электросопротивлению, оптическим свойствам, антифрикционным свойствам и др.

По механизму защиты металла от коррозии металлические покрытия подразделяются на катодные и анодные. К катодным относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла. Катодными покрытиями по отношению к стали являются медные, никелевые, золотые, серебряные, палладиевые и др. Анодные покрытия имеют потенциал более отрицательный, чем потенциал защищаемого металла (цинковое покрытие для стали).

Катодные покрытия надежно защищают от коррозии только при отсутствии в них пор, трещин и других дефектов, т.е. при условии их сплошности. При повреждении катодного покрытия возникает коррозионный элемент, в котором основной металл служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором идет процесс или восстановления водорода, или ионизации кислорода (рис. 3).

Рис.3. Схема коррозии металла в кислом растворе при нарушении металлических покрытий: а – катодного, б – анодного;

1– раствор, 2 – покрытие, 3 – основной металл, 4 – дефект в покрытии

Анодное покрытие, даже при его повреждении, продолжает защищать металл изделия (рис. 3б).

Гальванические покрытия

Гальванические покрытия – это покрытия изделий из металлических и неметаллических материалов, получаемые в процессе электролитического осаждения металла на их поверхности, т.е. электролиза. Хромирование и никелирование фурнитуры в мебельной промышленности, в лесном и

автомобильном хозяйствах, в лесоинженерном деле проводят с помощью электролиза, получая противокоррозионные гальванические покрытия для защиты оборудования, механизмов и транспорта от коррозионных разрушений.

Электролиз представляет собой процесс раздельного окисления и восстановления на электродах, протекающий под действием постоянного электрического тока. Электролитические процессы осуществляются в электролизерах или электролитических ваннах. Изделие, на которое необходимо нанести слой защитного металлического покрытия подключают к катоду, а анодом является графитовый электрод или электрод из того, металла, который служит покрытием. Катодная и анодная пластины помещаются в соответствующий раствор электролита, содержащий ионы металла, служащего защитным покрытием.

Например, при нанесении цинкового покрытия на изделие из стали, протекают следующие процессы по схеме:

Диссоциации электролита ZnSO4 Zn2+ + SO42– Миграция катионов (Zn2+) к катоду, а анионов (SO42–) к аноду

Законы М. Фарадея, установленные в 1833 г. позволяют рассчитывать массу осаждаемого металла, время электролиза и необходимую силу.

I закон Фарадея

Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна количеству электричества, протекающего через электролизер.

электрохимический эквивалент, равный отношению химического эквивалента к числу Фарадея (F 96500 Кл/моль).

II закон Фарадея

Для выделения на электроде 1 моль любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, равное F=96500 Кл/моль – постоянная Фарадея.

Обобщенный вид первого и второго законов Фарадея выглядит так:

Определение толщины покрытия

Толщина гальванопокрытия во многих случаях является решающим признаком качества покрытия, технические и экономические требования к которому установлены ГОСТ 9.302-88. Следует учитывать, что толщина покрытия на изделиях, особенно профилированных, неодинакова в различных точках поверхности, поэтому необходимо измерение не только средней толщины покрытия, но и минимальной толщины на определенных участках детали.

Методы контроля толщины покрытий по степени воздействия на объект подразделяют на две группы: разрушающие и неразрушающие.

Разрушающие методы контроля толщины покрытий приводят к разрушению целостности не только покрытия, но и самого изделия. Они делятся на химические и физические. К химическим методам относят метод стравливания, методы капли и струи, кулонометрический метод.

Метод стравливания является наиболее простым и удобным, и позволяет определять среднюю толщину нанесенного покрытия по изменению массы при растворении покрытия в травильном электролите, который не действует на металл основы.

В методе капли травильный раствор (HCl, H2SO4) наносят по каплям на поверхность покрытия из капельницы с внутренним диаметром капилляра 1,5- 2,0 мм и выдерживают в течение определенных промежутков времени до полного растворения покрытия. Метод капли позволяет определять локальную толщину покрытия на любом участке поверхности изделия, однако имеет высокую относительную погрешность до 30 %.

Методы струи определяют толщину однослойных и многослойных покрытий на поверхности, площадью не менее 0,3 мкм. Методы основаны на

растворении покрытия под действие струи электролита, вытекающей с определенной скоростью.

Металлографический метод основан на измерении толщины однослойных и многослойных покрытий на поперечном шлифе с помощью металлографического микроскопа при увеличениях до 1000 раз для покрытий толщиной менее 20 мкм и до 200 раз для покрытий толщиной более 20 мкм. Разновидностью металлографического метода является оптический, основанный на измерении при помощи металлографического микроскопа длины уступа, образованного краем покрытия с основным металлом. Метод применим для измерения покрытий толщиной 1-40 мкм с коэффициентом отражения не менее 0,3. Погрешность метода 10 %.

Из неразрушающих методов контроля наибольшее распространение получили электромагнитные методы, метод измерения масс, метод прямого измерения.

Электромагнитные методы основаны на изменении силы отрыва постоянного магнита от контролируемой поверхности в зависимости от толщины покрытия (магнитоотрывной); регистрации изменений напряжѐнности магнитного поля в цепи электромагнита постоянного тока в зависимости от толщины покрытия (магнитостатический); определении магнитного сопротивления участка цепи соответствующего изменению толщины покрытия (магнитоиндукционный).

Метод прямого измерения заключается в измерении размеров детали до и после нанесения покрытия с помощью микрометра или оптиметра.

Гравиметрический метод предусматривает непосредственное взвешивание и измерение покрываемой поверхности образца или изделия до и после электроосаждения. Средняя толщина покрытия представляет собой отношение объема нанесенного покрытия к площади поверхности покрытого изделия. Изза трудностей измерения площади поверхности покрываемых изделий гравиметрический метод применяют для определения средней толщины гальванопокрытия на небольших деталях простого профиля.

Реактивы и оборудование

1.Электролизер.

2.Металлические электроды (медные, цинковые пластины).

3.Внешний источник тока.

4.Потенциометр или амперметр.

5.Соединительные проводники.

6.Набор растворов электролитов.

7.Аналитические весы.

Экспериментальная часть

В данной работе для получения медного гальванического покрытия используется установка, представленная на рис. 4. Перед сбором установки необходимо определить массу катодной пластины, m1, и ее площадь, S, записать в таблицу 12. Для этого, катодную пластину отсоединяют и взвешивают на аналитических весах. Площадь катодной пластины определяют геометрически. Затем собирают установку для чего в электролизер наливают раствор соли меди (CuSO4) с концентрацией 0,1 моль/л объемом 300-400 мл. В раствор помещают исследуемые металлические пластины, таким образом, чтобы они были максимально покрыты раствором электролита. Одна из пластин служит катодом (К) и будет покрыта металлом, ионы которого присутствуют в растворе, а также тем металлом, из которого сделана анодная пластина (А). Электроды необходимо соединить проводниками с источником постоянного тока, последовательно соединив с амперметром. Составленную схему установки необходимо показать преподавателю или лаборанту.

Рис. 4. Схема установки для электролитического нанесения покрытий:

1 - электролизер;

2 - электроды (металлические пластины);

3 - штатив;

4 - раствор электролита;

5 - амперметр;

6 - внешний источник тока

Силу тока и время проведения электролиза определяет преподаватель, так чтобы время электролиза составило не менее 30 мин. После этого, включают источника тока и засекают время электролиза. В течение времени осуществления электролиза студенты наблюдают за явлениями, происходящими на электродах, и записывают уравнения электрохимических

процессов на электродах. После этого, проводят расчет теоретических значений массы, m3, и толщины покрытия, пользуясь законом Фарадея и уравнением 12. Результаты расчетов записывают в таблицу 12.

Таблица 12 Результаты определения толщины гальванического покрытия

гравиметрическим методом

По истечении времени электролиза источник тока отключают, катодную пластину извлекают, промывают дистиллированной водой, аккуратно высушивают фильтровальной бумагой и оставляют на 5 мин. до полного высыхания. Определяют массу катодной пластины с нанесенным на нее покрытием, m2, и рассчитывают экспериментальное значение толщины hэксп

.гальванического покрытия по уравнению:

где m1 и m2 – масса катода до и после нанесения покрытия соответственно, г; S – площадь поверхности катода, см2; ρ – плотность материала покрытия, г/см3 (плотность меди ρ(Cu)=8,930 г/см3). Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу 12.

Запишите уравнения катодного и анодного процессов при электролизе. Используя законы Фарадея, рассчитайте массу металла, выделившегося на

где m3 – масса образовавшегося на электроде вещества, г; э - химический эквивалент вещества, г/моль; F - число Фарадея (96500 Кл/моль); I - сила тока в цепи, А; t - время прохождения тока, с.

После этого, рассчитайте теоретическое значение толщины гальванического покрытия по уравнению (12) и определите погрешность измерения по выражению

Сделайте выводы о типе и толщине гальванического покрытия, указав величину погрешности определения. К какому типу относится данный вид контроля толщины покрытия: разрушающий или неразрушающий?

Вопросы для самоконтроля

1.Какие существуют виды металлических покрытий?

2.Что такое электролиз и где он применяется?

3.Как определить толщину покрытий с помощью разрушающих и неразрушающих методов?

4.Чем отличаются катодные и анодные металлические покрытия?

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ СМАЧИВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Цель работы:

1.Знакомство с теорией поверхностных явлений;

2.Экспериментальное определение и расчет краевого угла смачивания различных адгезивов на поверхности подложек.

Теоретическая часть

Процессы нанесения и формирования лакокрасочных и неорганических покрытий, склеивания материалов, получение материалов на основе связующих и наполнителей (бетон, резина, стеклопластики и др.), сварка и паяние металлов, печатание, крашение сопровождаются рядом поверхностных явлений.

Поверхностные явления - совокупность явлений, протекающих в поверхностных слоях на границе раздела контактирующих фаз: твердое тело-

жидкость (Т-Ж), твердое тело-газ (Т-Г), жидкость-газ (Ж-Г), твердое тело- жидкость-газ (Т-Ж-Г).

К ним относятся адсорбция, адгезия, смачивание, растекание и др. Межмолекулярное взаимодействие внутри одной фазы (например,

жидкости) обусловлено силами когезии (взаимного притяжения, сцепления), т.е. химическими связями между атомами вещества и межмолекулярным взаимодействием. Когезия характеризуется величиной работы когезии, т.е. свободной энергией разделения тела на части и удаления их на такое расстояние, когда нарушается целостность тела. Работу когезии, Wk, определяют как работу обратимого изотермического разрушения тела: Wk=2σ, где σ - удельная поверхностная энергия (для твердых тел) или поверхностное натяжение (для жидкостей).

Вповерхностном слое жидкой или твердой фазы молекулы вещества обладают избытком энергии Гиббса (свободной поверхностной энергии Gs) изза нескомпенсированного поля межмолекулярных сил на границе жидкость-газ или твердое тело-газ.

Врезультате этого на поверхности любой жидкости существует огромное давление или поверхностное натяжение, которое стремится вернуть все молекулы с поверхности внутрь жидкости и сократить поверхность.

Свободная поверхностная энергия определяется уравнением

где ζ - поверхностное натяжение; s - общая площадь поверхности раздела фаз. Поверхностное натяжение равно работе, затраченной на образование

единицы площади поверхности жидкости при постоянной температуре. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

При контакте двух разнородных фаз возникает адгезия (от латинского adhaesio - прилипание) - явление притяжения (сцепления, слипания) приведенных в контакт разнородных твердых или жидких тел, например, материала лакокрасочного или клеевого покрытия и подложки. Это

самопроизвольный процесс. Причиной адгезионного взаимодействия является адсорбция молекул жидкой фазы на поверхности твердого вещества за счет сил межмолекулярного (водородная связь, силы Ван-дер-Ваальса) или химического взаимодействия (ионные, ковалентные, металлические связи).

Адсорбция (от латинского sorbeo – поглощаю, ad – на) – поглощение молекул газообразного или жидкого вещества на поверхности твердого или жидкого вещества (адсорбента).

Рассмотрим контакт между 3 фазами: 0 - газ, 1 -жидкость, 2 - твердое тело, например, в случае нанесения жидкого ЛКМ на твердую поверхность подложки в воздушной среде (рис.5).

2,3

2

Рис.5. Межфазное натяжение в системах газ (0) – жидкость (1) – твердое тело (2)

Тогда на границах раздела каждой из фаз возникнет соответствующее поверхностное натяжение: 1,2 - на границе раздела жидкость-твердое вещество; 1,0 - на границе раздела жидкость-воздушная фаза и 2,0 - поверхностное натяжение на границе с твердое вещество-воздушная фаза. С учетом этих обозначений, работа адгезии, характеризующая взаимодействие ЛКМ с подложкой, рассчитывается по уравнению Дюпре:

Wa = 1,0 + 2,0 - 1,2 (16)

Уравнение отражает закон сохранения энергии при адгезии, согласно которому работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

При нанесении лакокрасочного или клеевого материала (жидкая фаза) на поверхность подложки (твердая фаза) в воздушной среде растекание капли происходит, если с поверхности вытесняются адсорбированные молекулы газов и воды, т.е. явление смачивания.

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела (Рис.6).