5.4. Отримання порошків цементацією

Сутність методу полягає у витісненні металів з водних розчинів солей. Метали з більш електропозитивним потенціалом можуть витіснятись з розчинів металом з більш електронегативним потенціалом (цементувальний метал). В основі процесу витискання лежить електрохімічна реакція

(5.18)

з перенесенням електронів від одного металу до іншого. Наприклад, реакція витискання міді залізом з водного розчину сірчанокислої міді

CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄.

Виходячи з термодинамічних умов рівноваги, процес цементації буде відбуватись у разі надлишку цементувального металу доти, доки не буде досягнуто рівноваги електрохімічних потенціалів витісненого і цементувального металів із врахуванням співвідношення концентрацій їх іонів у розчині:

Після підстановки значення і отримаємо:

(5.19)

де та – рівноважні активності іонів у розчині.

З наведеної рівності можна вирахувати рівноважне співвідношення активностей (концентрацій) іонів для кожного випадку. Для деяких пар металів ці значення наведено в табл. 5.9. У розглянутих парах металів можна досягти майже повного осадження витіснюваного металу. Однак на практиці рівноважний стан ніколи не досягається через пасивування цементувального металу витісняльним.

Механізм процесу цементації полягає в тому, що з попаданням цементувального металу в розчин починається іонний обмін згідно зі схемою (5.18). У результаті на поверхні цементувального металу осаджується виділений і утворюється гальванічний мікроелемент, у якому ділянки металу, що осаджуються, слугують катодом, а вільні ділянки цементувального методу – анодами.

Таблиця 5.9

Рівноважні значення активностей для різних поєднань осаджуваного та цементувального металів

Осаджу-ваний метал МеІ	Цементу-вальний метал , МеІІ	Стандартний потенціал, В		Рівноважне відношення
		МеІ	МеІІ
Cu Cu Cu Ni	Zn Fe Ni Zr	+0,340 +0,340 +0,340 -0,230	-0,763 -0,440 -0,230 -0,763	1,0  10-38 1,3  10-27 2,0  10-20 5,0  10-19

На анодних ділянках перебігає реакція іонізації атомів цементувального металу з переходом їх у розчин. Надалі метал виділяється переважно на утворених катодних ділянках доти, доки це енергетично вигідно. Якщо катодна ділянка пасивується за рахунок окиснення, осадження домішок та інших процесів, то можливе виділення металу і на інших ділянках цементувального металу, доки вся його поверхня не буде покрита виділеним металом.

У міру зменшення вільної поверхні цементувального металу, а також вмісту іонів металу, витіснених з розчину, швидкість процесу зменшується. Для інтенсифікації процесу можна підвищувати температуру розчину, а також проводити енергетичні перемішування пульпи.

Порошок під час цементації виділяється у вигляді дендритів. Його розмір можна регулювати інтенсивністю перемішування, температурою процесу, концентрацією і кислотністю розчину. Механізм впливу зазначених чинників подібний до механізму отримання порошків електролізом водних розчинів солей.

Порошок, отриманий цементацією, завжди містить до 2…3% цементувального металу, що потребує подальшого його очищення. Одним з варіантів такого очищення може бути використання осаду, наприклад порошку міді цементованого залізом як вихідної сировини для отримання порошків автоклавним методом.

Більш перспективний метод цементації для отримання композиційних плакованих порошків, у яких основа (цементувальний метал) опиняється покритою прошарком металу, що витісняється.