Гальваника металла: от хромирования до золочения

Иногда металл имеет отличные свойства в одном направлении, но оказывается недостаточно хорошим в другом. Что тогда делать? Можно совместить преимущества разных металлов с помощью гальванизации. Например, сталь очень прочная, долговечная и доступная по стоимости. Но она ржавеет со временем. А если провести оцинковку, то есть нанести тонкое цинковое покрытие на поверхность стальной детали, то она приобретет устойчивость к коррозии. Про такие метаморфозы расскажем в статье, они возможны с помощью гальваники металлов. 

Гальваника: от истории к современному применению технологии 

На заре развития естественным наукам приходилось сражаться с алхимией. И как ее победить, если одна из целей алхимии – превращение свинца в золото? Легко, сказали бы вам основатели электрохимии и гальванотехники, ведь любой материал можно покрыть слоем другого металла, в том числе драгоценного. Золочение – та же мечта алхимиков, только воплощенная в реальность. 

Гальваника – это процесс покрытия поверхности одного металла тонкой пленкой из другого металла. Соответственно, заготовка в процессе гальванизации приобретает новые технические характеристики, а также получает уникальный внешний вид. Гальваника доступа за счет процесса электролитической диссоциации. Говоря простым языком, под воздействием тока на заготовку, помещенную в электролитический раствор, будут оседать молекулы другого металла, чаще всего цинка, хрома, меди, никеля. В зависимости от того, какое металлическое покрытие получается на заготовке, гальванизацию называют омеднением, алюминированием, золочением и проч. 

Впервые выдвинул теорию о том, что молекулы одного металла при прохождении через электролит электричества могут оседать на другом, Луиджи Гальвани в 1780-х годах. Его последователи позже подтвердили теоретические расчеты на практике, а весь процесс гальванирования назвали в его честь. 

Электролизом занимался Майкл Фарадей. Его исследования в дальнейшем очень помогли другим ученым на практике воплотить алхимические мечты о золочении. Первый успешный опыт гальванического покрытия, а именно, слоя золота на серебряном изделии, совершил Луиджи Брунателли в 1805 году. Однако опыты, которые принесли первые ощутимые плоды, начались в 1837 году. Российский академик Б.С. Якоби стал основоположником раздела науки – электрохимии. Он параллельно с другим ученым, Николаем Качаловым, пропускал ток через разные растворы солей и кислот и обнаружил, что на поверхности медной пластины образуется налет. 

Именно опыты Якоби привели к практическому применению гальваники: повсеместно специалисты начали делать покрытия на типографских пластинах и мелких элементах часового механизма. В результате таких усовершенствований типографские формы делали до миллиона оттисков вместе тысячи, как раньше. 

С середины XIX века гальваническое покрытие массово стали внедрять в производство. Эрнст Вернер Сименс первым получил патент на золочение. У него очень интересная история открытия гальванического процесса – он начал изучать его, пребывая в тюрьме за участие в дуэли, а закончил уже на свободе. 

В России первый завод, который занимался нанесением гальванического покрытия, был открыт в 1844 году. Однако направлена промышленность была преимущественно не на технологические изделия, а на статуи и барельефы – их золотили или серебрили. И по качеству такое покрытие значительно превышало износостойкость и долговечность сусального золота. 

К 80-м годам XIX века в России появилось несколько заводов, которые проводили никелирование и оцинковку металлических изделий. Сейчас эта технология получила такое распространение, что без нее сложно представить автомобильное производство и такие высокотехнологичные отрасли как машино- и судостроение, авиа космическую сферу. 

В чем суть гальванизации металла

Электрохимия изучает то, как ведут себя металлы при пропускании через них электрического тока. Мы знаем, что все металлы являются проводниками. Они имеют неустойчивые валентные электроны на внешней оболочке атома. Чем легче металл расстается с валентными электронами, тем лучше он вступает во взаимодействие с другими материалами. 

Отдача электронов, то есть окисление, происходит на аноде – отрицательном электроде. А положительным, то есть катодом, выступает металлическая заготовка, которую нужно покрыть слоем металла. На катоде происходит восстановление, то есть приобретение валентных электронов. 

Чтобы осуществить передачу электронов от одного металла к другому, нужна электрическая цепь, постоянный ток и среда, в которой легко проходит окисление и восстановление. 

Электролит, то есть среда, в которой происходит гальванизация, может быть щелочным или кислотным – состав подбирается индивидуально и зависит от двух взаимодействующих материалов. 

В электролит нужно поместить аноды, которые подключаются к положительному контакту. Обрабатываемая деталь при погружении в раствор должна находиться рядом с анодом, однако быть подключена к отрицательному контакту – это катод.  

При замыкании электрической цепи происходит передвижение заряженных частиц в электролите и их оседание на катоде – заготовке. При этом металлическая пленка значительно прочнее, чем лакокрасочное покрытие, потому что сцепление производится на молекулярном уровне. 

Причины гальванизации 

Цели нанесения гальванического покрытия: 

• Защита от ржавчины. Это одна из основных задач хромирования и цинкования. Очень часто в покрытие нуждаются черные металлы. Железо имеет прекрасные технологические качества, но отсутствие устойчивости к коррозии значительно сокращает срок эксплуатации изделий из него. Цинкование в разы улучшает коррозионную стойкость. Цинковый слой противостоит влаге, щелочам, температурным перепадам и другим условиям, которые ускоряют ржавление металлов. 
• Придание декоративных свойств. Самый распространенный пример такого использования гальваники – хромирование автомобильных деталей. Однако можно вспомнить и другой, например, золочение. Это способ визуально создать более дорогое и качественное изделие, несмотря на то, что его основа изготовлена из дешевого материала. 
• Обеспечение долговечности, износостойкости. Некоторые металлы не имеют высокой стойкости к истиранию. При регулярном использовании они теряют свои первоначальные размеры и внешний вид. Мы приводили в пример типографские шрифты. Также можно вспомнить, что монеты покрываются дополнительным слоем защитного металла, так как они в обиходе постоянно находятся в руках, испытывают трение, а также воздействие влаги, щелочей, механических нагрузок. Покрытие защищает от истирания, увеличивает срок эксплуатации. 
• Устранение дефектов. Если в процессе эксплуатации на изделии появились царапины или потертости, а также сколы и другие дефекты, которые портят геометрию и внешний вид и угрожают целостности детали, можно покрыть ее слоем другого металла. Это обновит изделие и вернет его начальные характеристики. 

Кроме того, процесс может помочь избежать гальванической коррозии. Когда два металла находятся в непосредственном контакте и имеют разную электрохимическую активность, они могут начать окисляться. Например, контактная коррозия может возникнуть, если алюминиевые листы закреплены медными заклепками. Потому что алюминий имеет высокий восстановительный потенциал (анод), а медь – окислительную способность (катод). А вот цинк и алюминий имеют похожие потенциалы. Поэтому оцинковка меди помогает «примирить» ее с алюминием и предотвратить контактную коррозию.

Преимущества гальванического покрытия 

Почему гальванизация предпочтительнее других методов нанесения покрытия на поверхности металлов: 

• Возможность быстро покрыть металлические заготовки любых размеров.
• Высокая адгезия. То есть покрытие надежно сцепляется с основанием. Но этот параметр зависит от совместимости материалов – поговорим о ней далее. 
• Равномерное покрытие. Слой металла будет на всех участках заготовки одинаковым, ровным. Будут хорошо «прокрашенные» швы, мелкие элементы. 
• Высокая экономия, денежная выгода. Процесс гальванизации не требует больших вложений. При этом стоимость изделий с покрытием значительно возрастает по сравнению с заготовкой. 

Виды гальванических покрытий и совместимость металлов

Назовем самые распространенные покрытия: 

• Цинковое. Оцинковка, или цинкование производится при участии цинковых анодов. Основная задача процедуры – это защита основного материала заготовки от разрушающих воздействий окружающей среды. Для цинкования подходит алюминий, медь, сталь и железо. 
• Медное. Меднение происходит с помощью медных анодов. Медь достаточно пластичная, поэтому покрытие из нее можно наносить на поверхность деталей, которые подвергаются в ходе эксплуатации сжатию и растяжению. Кроме того, медь хорошо проводит электричество. Поэтому меднение применяют при изготовлении контактов, проводников, антенн и прочих радиотехнических деталей. Еще одно преимущество – привлекательный медный цвет. Процедуре можно подвергать изделия из стали, алюминия, цинка. Важный момент: меднение также применяют как промежуточный этап перед никелированием и хромированием. 
• Хромовое. Хромированные детали имеют привлекательный внешний вид, хорошую защиту от коррозии и повышенную износостойкость. Хромировать можно сталь, алюминий, медь, латунь и даже уже оцинкованные стальные изделия. 
• Железное. Процедура называется железнение, и она нужна для увеличения поверхностной прочности, твердости более мягкого материала, например, медного изделия. 
• Никелевое. Процесс никелирования проводится с помощью анодов никеля. Основная задача процедуры – надежная защита от коррозии, а также повышение стойкости к истиранию и прочим механическим воздействиям. Кроме стали, никелированию можно подвергнуть медный, цинковый, алюминиевый, молибденовый прокат, марганцевые заготовки, вольфрам и титан.
• Латунное. У покрытия две задачи – декоративный эффект состаривания и обеспечение дополнительной адгезии с резиной. Покрыть можно практически любой материал. 
• Серебряное и золотое. Серебрение и, соответственно, золочение – это метод покрытия дорогостоящими металлами. Но не всегда это нужно в целях декоративного творчества. Например, серебро имеет отличную электропроводность. Поэтому часто встречается серебрение контактов и других элементов электротехники. 
• Свинцовое. При свинцевании применяют аноды из свинца. В результате получается кислотостойкая поверхность. Она отлично защищает от коррозии, бензина, маслосодержащих продуктов, рентгеновских лучей. 

Мы представили самые распространенные типы гальванических покрытий, рассказали о совместимости металлов и задачах, которые решает процесс. Он используется как при производстве металлических изделий, так и в домашних условиях. Однако если вы хотите провести гальванирование самостоятельно, позаботьтесь о мерах безопасности. Ведь в процессе применяются кислотные растворы и электрический ток – два не самых безопасных метода воздействия на металл.