ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ЛУЖЕНИЕ И ЦИНКОВАНИЯ СТАЛИ

4.1 Цель проведения лабораторной работы

Получить электролитическим методом металлическое покрытие на стали, определить выход по току и толщину покрытия.

Задачи проведения лабораторной работы состоят в том, чтобы

знать: принципы электролитического осаждения металлов; преимущества и недостатки метода; аппаратуру для электролиза; характеристики анодных и катодных покрытий;

уметь: собрать электрическую схему; вычислить силу тока, исходя из его оптимальной плотности; рассчитать выход по току и толщину покрытия, исходя из законов Фарадея.

4.2 Основные теоретические положения

Нанесение металлического покрытия электролитическим (гальваническим) методом осуществляется электролизом из раствора, который содержит соль осаждаемого металла. Анодом является металл покрытия, а катодом – изделие (образец).

Гальваническим способом могут быть получены покрытия практически на всех металлах и сплавах. Метод имеет целый ряд преимуществ:

· покрытия крепко сцепляются с основным металлом;

· можно регулировать толщину покрытия;

· можно получать покрытие высокой чистоты с хорошими защитными и механическими свойствами;

· покрытие не образует сплавов с основным металлом, а сцепление обусловлено поверхностными силами и условиями электрокристаллизации осадков.

Однако метод имеет и недостатки:

· относительно медленное наращивание покрытия;

· пористость покрытия;

· нужны химически чистые реактивы, иначе выход металла по току будет велик.

Электролитическое лужение проводят в кислых и щелочных электролитах.

Олово по отношению к стали является катодом, и, поэтому, защищает сталь только механически (изолирует железо) и не защищает электрохимически. Поэтому к сплошности покрытия луженой стали или жести предъявляются особенно высокие требования.

Олово широко применяют для защиты пищевых котлов, молочных бидонов, консервной тары, столовых приборов, кухонной посуды и многих других стальных и медных изделий, которые используют в пищевой промышленности, поскольку олово в концентрации до 200 мг на 1 кг пищевого продукта является нетоксичным металлом.

Лужение применяют также для защиты стали от диффузии азота при азотировании отдельных участков поверхности деталей, гумировании медных кабелей для защиты от разрушающего действия серы, которая входит в состав резины.

Цинкование проводят в кислых электролитах (на основе сернокислого цинка, алюмо-калиевых квасцов и сернокислого натрия), в щелочных цианистых и нецианистых (цинкатных) электролитах.

Щелочные цианистые электролиты ядовиты, поэтому применять их следует в исключительных случаях, цинкатные – не ядовиты.

Цинк в любых электролитах является анодом по отношению к железу, поэтому цинковые покрытия защищают сталь не только механически, но и электрохимически.

Наиболее широко цинковые покрытия применяют для изготовления оцинкованного железа для кровли. Оцинкованная кровля может стоять в сильно загрязненной промышленной атмосфере до 30 лет, а на значительном расстоянии от промышленных зданий до 50-100 лет.

Цинковые покрытия применяют для защиты водопроводных труб и питающих резервуаров. Защита железа цинком в мягкой воде хуже, чем в жесткой. Цинковые покрытия хорошо защищают от корозионно-усталостных разрушений в морской воде, при этом предел выносливости стали увеличивается в 1,5-2,5 раза.

4.3 Приборы, растворы и принадлежности

Приборы: ванна для электролиза, амперметр, выпрямитель тока.

Растворы: содовый раствор для обезжиривания образцов и электролиты для проведения электролиза (г/л):

ЦинкованиеЛужение

ZnSO₄×7H₂O - 200 SnCl₂ - 50

Kal(SO₄)₂×12H₂O - 50 HCl - 3

Na₂SO₄×10H₂O - 50 NaF - 3

Фенол - 5

Желатин - 1

Принадлежности: стальные образцы – 3 шт.; аноды (Sn или Zn) – 6 шт.; штангенциркуль; наждачная и фильтровальная бумага.

4.4 Порядок проведения работы

4.4.1 Получить у преподавателя задание на получение цинкового или оловянного покрытия.

4.4.2 Определить общую площадь поверхности трех стальных образцов.

4.4.3 Зачистить образцы наждачной бумагой, промыть содовым раствором, а затем проточной водой, высушить фильтровальной бумагой и электрополотенцем.

4.4.4 Взвесить одновременно все три образца на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Образцы держать и переносить с помощью фильтровальной бумаги, не касаясь их поверхности руками.

4.4.5 Подготовить гальваническую ванну: зачистить наждачной бумагой держатели для образцов, расположенные на штангах; промыть в воде аноды и завесить их в ванну по 3 шт. на каждую анодную штангу; закрепить стальные образцы и собрать электрическую схему (рисунок 4.1).

1 – штанга; 2 – держатели образцов;

3 – аноды (оловянные или цинковые); 4 – стальные образцы

Рисунок 4.1 - Схема установки для получения электролитического покрытия

4.4.6 Вычислить силу тока, которая необходима для нанесения покрытия на поверхность трех образцов (I = i_к×S), учитывая то, что оптимальная катодная плотность тока (i_к) составляет: для лужения - 2÷5 А/дм², для цинкования - 1÷3 А/дм².

4.4.7 Заполнить ванну электролитом так, чтобы держатели образцов были на 2-3 мм выше уровня раствора.

4.4.8 В присутствии преподавателя включить выпрямитель и установить вычисленную силу тока. Электролиз проводить на протяжении 10 минут при лужении и 30 минут при цинковании.

4.4.9 После проведения электролиза выключить установку, вынуть образцы из ванны, промыть проточной водой, тщательно просушить фильтровальной бумагой и электрополотенцем и взвесить на аналитических весах с той же точностью. Результаты занести в таблицу (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Результаты экспериментальных измерений

4.5 Обработка экспериментальных данных

4.5.1 Рассчитать массу металла, который выделился при электролизе на всех трех образцах (m₂):

m₂ = m₁ – m_o, г, (4.1)

где m₁, m_o – масса образцов до и после опыта соответственно, г.

4.5.2 Рассчитать средний выход по току, %

, (4.2)

где I - сила тока во время электролиза, А; τ – продолжительность электролиза, часов; с – электрохимический эквивалент осаждаемого металла: для олова с= 2,214 г/А×час; для цинка с = 1,22 г/А×час.

4.5.3 Вычислить толщину покрытия по формуле:

, мкм, (4.3)

где i_к – катодная плотность тока, А/дм² (рассчитать по показаниям амперметра для поверхности образцов, покрытых металлом); ρ – плотность металла покрытия: для олова ρ = 7,33 г/см³, для цинка ρ = 7,14 г/см³.

4.5.4 Визуально исследовать качество покрытия (гладкое, шероховатое, с блеском, матовое и т.д.). Сделать выводы о механизме защиты стали данным металлическим покрытием.

4.6 Задание на самостоятельную работу

По материалам лекций и литературных источников изучить основы гальванотехники, ознакомиться с основными параметрами электролитических процессов, электрической схемой установки нанесения покрытий и критериями оценки качества электролитических покрытий.

4.7 Контрольные вопросы:

1. В чем преимущества гальванического метода нанесения покрытий?

2. В чем недостатки гальванического метода нанесения покрытий?

3. Для каких целей применяют оловянные, цинковые покрытия?

4. Какие факторы влияют на толщину покрытия?

5. Какие приборы используют при выполнении лабораторной работы?

6. Какие растворы применяют для проведения лабораторной работы?

7. Каким образом подготавливают образцы к выполнению лабораторной работы?

8. Какие покрытия называют анодными?

9. В каких электролитах проводят электролитическое лужение?

10. Как рассчитывают силу тока, которая необходима для нанесения покрытия?

11. Что характеризует электрохимический эквивалент и чему он равен для олова и цинка?

12. Что показывает средний выход металла по току и как его рассчитать?

13. Какие факторы влияют на величину выхода по току?

14. Как можно регулировать толщину покрытия?

15. Какое оптимальное значение катодной плотности тока при цинковании?

16. Для каких целей применяют цинковые покрытия?

17. В чем состоит закон Фарадея?

18. Какая реакция происходит на аноде?

19. Какая реакция происходит на катоде?

20. Что характеризует величина выхода по току?

Дата добавления: 2014-09-10; просмотров: 946; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!