Гальванопластика в домашних условиях

Введение

Гальванопластика - интересная тема, в которой мне захотелось разобраться. Гальванопластика – способ изготовления изделий, в процессе которого выделяющийся при электролизе металл пластически воспроизводит форму поверхности, на которой осаждается. Покрытие может осуществляться не только медью, так же можно использовать никель, серебро, золото, олово, железо, хром, родий и некоторые другие металлы. Моя работа нацелена на покрытие предмета медью или никелем при помощи метода гальванопластики. Выбор металлов обусловлен тем, что их использование для покрытия предметов наиболее доступно: нужные ингредиенты найти не составит труда.

Методом гальванопластики выполняют множество работ, например, превращают обычные кружева в металлические, изготавливают различные украшения: броши, серьги, браслеты. При помощи гальванопластики укрепляют детали, наносят защитно-декоративные слои, восстанавливают детали с небольшим износом.

Гипотеза: Использование технологии осаждения металла на не проводящие ток поверхности (гальванопластики меди) возможно в домашних условиях.

Проблема: Разрозненная информация с различных ресурсов и отсутствие опыта не позволяет сразу приступить к гальванопластике.

Актуальность: С помощью гальванопластики можно создавать украшения, укреплять детали. В наши дни множество металлических предметов покрывают никелем или хромом для защиты от коррозии. Родирование используется для защиты ювелирных украшений.

Цель: Полноценно освоить технологию гальванопластики дома.

Задачи:

• Изучить принцип гальванопластики
• Сделать гальванопластическую установку
• Изготовить электролиты для осаждения меди и никеля
• Покрыть предмет медью, никелем
• Использовать электрохимическую полировку для придания блеска

.

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие гальванопластики

Гальванопластика – способ изготовления разнообразных изделий, в процессе которого выделяющийся при электролизе металл пластически воспроизводит форму поверхности, на которой осаждается. Сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий в водный раствор электролита, главным компонентом которого являются сернокислые соли или другие растворимые соединения металлопокрытия.

Покрываемые изделия контактируют с отрицательным полюсом источника постоянного тока, то есть являются катодами. Анодами обычно служат пластины или прутки из того металла, которыми покрывают изделия. Они контактируют с положительным полюсом источника постоянного тока и при прохождении электрического тока растворяются, компенсируя убыль ионов, разряжающихся на покрываемых изделиях. Происходящие процессы схематично изображены на рисунке 1.

Рис.1 Схематическое изображение процессов в электролите

1.2.  Устройство гальванопластической установки

Гальванопластические работы проводят в сосудах-ваннах (ванночках), имеющих обычно прямоугольную форму, но это не обязательно. Емкость сосудов-ванн определяется объемом тех предметов, которые покрывают металлом. Большой предмет – большая ванночка.

В качестве ванн можно использовать стеклянные, керамические, пластмассовые сосуды, а также деревянные ящики, покрытые битумом.

Для осуществления электролиза понадобится источник постоянного тока низкого напряжения. Наиболее доступны домашнему обывателю выпрямители для зарядки автомобильных аккумуляторов. Сначала я использовал самодельный источник питания, собранный из купленных в интернет-магазине компонентов. Через некоторое время я приобрёл лабораторный блок питания.

Регулирование силы тока, плотность которого при работе обычно составляет примерно 1А на 1 дм2 (для гальванопластики меди), производится с помощью потенциометров или реостатов. Однако, чем меньше сила тока – тем качественнее будет покрытие, но медленнее будет процесс. Если ток слишком мал, процесс может не происходить.

Для измерения силы тока устанавливают амперметр постоянного тока, а для наблюдения за напряжением – вольтметр. В лабораторных боках питания есть и то, и другое.

Заготовку (катод) и электрод (анод) укрепляют в ванночке на подвесках, металлический электрод - на проводе так, чтобы место соприкосновения провода и электрода не касалось электролита. Заготовка подвешивается на проволоке или проводе, которые могут касаться электролита. Из-за этого провод или проволока должны быть медными или из того же металла, что и анод. Например, если крепление заготовки будет из железной проволоки, то при осаждении никеля она испортит электролит.

Анодом для гальванопластической ванны служит металлическая пластина, тип металла которой, зачатую зависит от электролита (для осаждения меди – медь, для осаждения никеля – никель). Анод подключается к положительному полюсу источника тока.

Покрываемое изделие предварительно делают электропроводным, покрывая слоем материала, проводящего электрический ток. Этот слой и присоединяют к отрицательному полюсу источника тока.  Схема гальванопластической установки представлена на рисунке 2.

Рис.2 Схема гальванопластической установки

1 — ванночка (с электролитом для используемого металла); 2 — аноды (источники металла); 3 — катод (покрываемое металлом тело); 4 — источник постоянного тока; 5 — вольтметр; 6 — амперметр; 7 — реостат

2. Практическая часть

2.1.  Правила техники безопасности и советы

• Токсичность большинства реагентов для человека относительно невысока, но всё же при работе с купоросами, серной кислотой и прочими веществами стоит одеть резиновые перчатки, очки и фартук.
• При осаждении металла может выделяется немного газообразного водорода, который взрывоопасен в больших количествах. Ванночка должна находиться в проветриваемом помещении или на подоконнике.
• Аккуратно обращайтесь с серной кислотой. Данное вещество активно реагирует с водой, может проесть одежду, испортить мебель, прожечь кожу.
• Сборку гальванопластической установки нужно проводить с выключенным источником питания. Токи небольшие – человеку не навредят, а вот приборы испортить могут. До включения блока питания проверьте правильность цепи.
• Если случилось так, что вы попутали полярность катода и анода - ничего страшного. Вы это заметите, по уменьшающейся силе тока и исчезновению медного провода, к которому присоединён катод.
• Убедитесь в работоспособности токопроводящего слоя. Сделать это можно с помощью мультиметра и режима измерения сопротивления.
• Храните электролит в закрытой ёмкости, чтобы вода, которая есть в его составе, не испарялась.

2.2. Рецепты электролитов

Электролит матового меднения. Я использовал его для первичного покрытия предметов. Для его создания понадобятся:

• 1л воды, желательно дистиллированной (можно кипячёную, но не желательно);
• 150г медного купороса (сернокислая медь);
• 7г 96% серной кислоты (или 13.44г электролита для свинцовых аккумуляторов с плотностью 1.4г/см3 (это 50% серная кислота));
• 30мл этилового спирта.

Добавляем в горячую воду медный купорос, помогаем ему быстрее раствориться размешиванием. После полного растворения раствор нужно профильтровать через марлю или ватный диск, чтобы убрать из него возможные нерастворившиеся кристаллы купороса или случайные частицы пыли. В остывший отфильтрованный раствор добавляем серную кислоту и размешиваем, затем этиловый спирт, ещё раз размешиваем. Этиловый спирт улучшает осаждаемость меди на поверхность предмета.

        Электролит зеркального меднения (электрохимической полировки), использующийся на уже покрытых медью предметах, чтобы придать им блеск. Этот электролит подходит для медных предметов с труднодоступными для физической полировки местами. Для его создания понадобятся:

• 1л дистиллированной воды;
• 200г медного купороса;
• 100г 96% серной кислоты (192г 50% серной кислоты);
• 0.05г тиамочевины;
• Капля унитиола.

Растворяем медный купорос, фильтруем, остужаем раствор, добавляем серную кислоту. При добавлении унитиола, прореагирующая часть электролита окрасится в почти чёрный цвет. Тиамочевину растворяем в небольшом объёме горячей дистилированной воды и добавляем в раствор. При её добавлении выпадает белый осадок. При работе с этим электролитом, его желательно иногда перемешивать.

Тиамочевина и унитиол используются в гальванопластике для создания блеска. Такие вещества называют блескообразователями. Они уменьшают частицы осаждаемой меди настолько, что это создаёт блестящую поверхность.

Электролит для никелирования используется для осаждения никеля на покрытую медью поверхность. Если поверхность блестящая, то и никелевое покрытие должно быть зеркальным. Для такого электролита понадобятся:

• 1л дистиллированной воды;
• 140г сернокислого никеля;
• 50г сернокислого натрия;
• 30г сернокислого магния;
• 20г борной кислоты;
• 5г поваренной соли.

Вещества растворяются в воде по отдельности, фильтруются, а потом смешиваются. Если достать такие вещества сложно, можно использовать другой рецепт, в котором используются:

• 1л дистиллированной воды;
• 200г сернокислого никеля;
• 25г борной кислоты;
• 10г поваренной соли;
• 0.05г тиамочевины;
• 0.5г дисульфонафталиновой кислоты (этот ингредиент я нигде не смог найти, поэтому с этим электролитом опытов я не проводил, возможно его можно не добавлять или заменить).

Есть много различных рецептов для осаждения никеля и меди. Я привёл те рецепты, которыми я пользовался (за исключением последнего). Можно купить смеси из блескообразователей, состав которых – коммерческая тайна. Такие смеси может и эффективнее, но дороже.

2.3. Работа с электролитом

Электролит нужно очищать. После каждого предмета, который был покрыт, следует счищать шлам с анодов и фильтровать электролит. Изготовив электролита больше, чем вам нужно, можно отфильтровывать использованный электролит в ёмкость с излишками. Это может восстановить баланс раствора.

Со временем можно столкнуться с проблемой ухудшения качества покрытия. Например, после нескольких первых покрытых предметов, медь начинает осаждаться медленнее или осаждается хлопьями. Виной этому может послужить истощение электролита. Вместо того, чтобы каждый раз заново изготавливать электролит, его можно восстановить.

Медный купорос. Причина его недостатка – испарение воды и осаждение его на аноды. Для устранения этой проблемы просто возвращаем медный купорос обратно в электролит и доливаем воды. Можно начертить прямую линию с текущим уровнем электролита, чтобы знать, сколько воды потребуется долить.

Кислотность электролита. Причина повышения кислотности опять же, испарение воды. Для проверки кислотности можно выставить высокое (относительно обычного процесса осаждения) напряжение на блоке питания (в моём случае это примерно 2В, так же зависит от самого электролита), при этом на катоде можно увидеть мелкие пузырьки. Чтобы это исправить, доливаем воды.

В электролите матового меднения очень быстро испаряется спирт, без которого покрытие становится более хрупким. Периодически стоит его добавлять.

Блескообразователи тоже со временем расходуются. Если замечаете недостаток блеска, стоит их добавить.

2.4 Осаждение металла.

Для осаждения металла нужно собрать гальванопластическую установку, в которую входят:

• Источник тока. В моём случае питания, собранный своими руками из заказных деталей. Чуть позже я купил лабораторный блок питания. Можете использовать любой другой блок питания, который позволяет регулировать силу тока или же регулировать ток отдельно;
• Ванночка с готовым электролитом;
• Нужно знать напряжение и силу тока. Позаботьтесь об этом;
• Анод (а лучше два);
• Покрытый токопроводящим слоем катод (заготовка).

Чтобы создать токопроводящий слой, на предмет наносится графитовый лак (например, GRAPHIT-33). Такой лак может продаваться в химическом магазине или в магазине радиодеталей (например, Chipdip). Наносится он в два или три слоя, после каждого из которых нужно дать ему высохнуть.

Сначала осаждаем медь в электролите матового меднения. Помещаем заготовку между двумя анодами и подключаем к блоку питания. Если есть возможность, закрываем ванночку крышкой. Включаем блок питания, выставляем ток. Когда предмет полностью покроется медью, ток можно немного увеличить, чтобы закрепить слой. Время осаждения зависит от размеров, у меня это в среднем 11 часов. После завершения процесса, достаём предмет из электролита, промываем в дистиллированной воде, но руками не касаемся, чтобы не оставить следов жира и прочей грязи.

После этого создаём блеск в электролите для электрохимического полирования. Процесс занимает не более часа. После завершения, промываем предмет в дистиллированной воде. Если предмет достаточно прочный и не имеет труднодоступных мест, его можно отполировать с помощью железной щётки и песка.

Если всё так и оставить, то через некоторое время медная поверхность потускнеет. Нужно создать защитный слой. Есть два выхода:

1. Наносится бесцветный акриловый лак (я использовал PLASTIK-71)
2. Наносится никелевый слой поверх медного.

С первым случаем всё просто и понятно, для второго опускаем изделие в электролит для никилирования. Процесс так же занимает не более часа. Блеск изделия может незначительно ослабнуть. После завершения осаждения промываем предмет в чистой воде. Изделие готово.

Заключение

Сначала эта задумка выглядела сложной для реализации, у меня не было опыта, в начале ничего не получалось: проблемы с созданием токопроводящего слоя; поиск подходящего источника тока. Потребовалось много сил и времени, чтобы разобраться в процессе гальванопластики и решить проблемы.

С токопроводящим покрытием пришлось повозиться. Только третий из мною испробованных способов создания токопроводящей поверхности был рабочим. В своей работе я рассказывал только про графитовый лак, потому что нет надобности рассказывать о нерабочих способах.

С электролитом проблем не возникло, это единственное, что было удачным с самого начала.

Я освоил гальванопластику дома. Методом проб и ошибок мне удалось достигнуть этой цели.

Список литературы

1. А.А.Елисеев. Б.С.Якоби. Люди и наука. Москва «Просвещение» 1978.
2. Н.В. Одноралов. Гальванопластика дома. Журнал «Сделай сам»,»2,1990
3. Б.С.Якоби. Работы по электрохимии. Сборник статей и материалов под ред. Акад.А.Н.Фрумкина. Изд. АН СССР, 1957
4. Сайт «Википедия»: ru.wikipedia.org/wiki/Гальванотехника
5. Сайт «Гуру красок»: kraska.guru/specmaterialy/drugie-pokrytiya/galvanoplastika-v-domashnix-usloviyax.html
6. Сайт «Моделiст-конструктор»: modelist-konstruktor.su/nasha-maysternya/domashnya-galvanoplastika
7. Сайт «Ярмарка мастеров»: livemaster.ru/topic/293253-galvanoplastika-podruchnymi-sredstvami-chast3-obrabotka-zagotovki 
8. PDF документ об электрохимии металлов: ea.donntu.org:8080/jspui/bitstream/123456789/27389/13/СПОСОБЫ%20ВОССТАНОВЛЕНИЯ%209.pdf