Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся

Электролитическое наращивание

Формы, подготовленные для электролитического наращивания, как уже говорилось, должны быть заряжены, т. е. снабжены проводниками, имеющими контакт с электропроводящим слоем и подвеской для крепления на катодных штангах. Если плотность материалов, из которых изготовлены формы, меньше плотности электролита, то формы должны быть снабжены грузами, удерживающими их под верхним уровнем электролита.

Проводники должны быть из очень мягкой, хорошо отожженной и протравленной медной или латунной проволоки диаметром примерно 0,15—0,2 мл или 0,3–0,5 мл. Более тонкие проволоки пригодны для небольших и средних форм, более толстые — для крупных форм.

Выгоднее применять проводники большого диаметра, так как при пользовании ими можно повышать плотность тока. В процессе затяжки желательно небольшое омическое сопротивление таких проводников, достигаемое не только большим их диаметром, но и большей площадью соприкосновения с нанесенным на формы электропроводящим слоем.

Формы, снятые с рельефов или объемной скульптуры, должны иметь несколько отверстий для контактирующих подвесок или проводников, а также отверстия для подвешивания грузов.

В восковых формах эти отверстия обычно прокалывают в тот момент, когда воск еще достаточно мягок, в гипсовых же формах сверлят их вручную до пропитывания форм восковой композицией.

Отверстия располагают в нерабочих краях формы; они должны иметь такой диаметр, чтобы в них можно было ввести контактирующие провода или подвески, площадь сечения которых обеспечивает отсутствие нагрева при максимальной рабочей плотности тока.

У плоских форм отверстия для грузов располагают на противоположной стороне от отверстий для подвесок. Число отверстий для грузов подбирают, исходя из необходимости уравновесить формы в ванне.

На рисунке 19 изображена гипсовая форма барельефа, у которой верхнее отверстие предназначено. Для подвески, а нижнее — для груза.

Рис. 19. Пример зарядки формы.

Контактирующие проводники прокладываются на расстоянии 0,5–1 см от границ готового изделия, что даст возможность легко отделять металлический облой при обработке готового барельефа. Располагать проводники дальше от границ изделия важно потому, что они покрываются наиболее толстым слоем металла, затрудняющим удаление облоя. У объемных и кусковых форм проводники прокладывают главным образом на торце.

Проводники начинают прокладывать от подвесочного отверстия формы, для чего в него вводят с лицевой стороны формы тонкий проводник и крепят пластилином или церезином у начала, а затем в конце каждого участка.

Для обеспечения лучшего контакта с электропроводящим слоем необходимо, чтобы проводник плотно прилегал к форме. С этой целью проводник дополнительно поджимается острием ножа к плоскости формы. По окончании прокладки проводника его второй конец снова вводят в подвесочное отверстие формы, а затем в то же отверстие вводят подвеску в виде изолированного проводника, конец которого очищен от изоляции на длине, достаточной для контакта с концами проводника, проложенного на форме. Затем подвесочный провод загибают в виде крючка.

Для изготовления подвесок плоских форм лучше употреблять одножильный медный провод с хлорвиниловой изоляцией, для подвесок объемных форм — мягкий многожильный провод с резиновой или иной надежной изоляцией, защищающей провод от электролита и обрастания металлом.

В качестве грузов для форм применяют куски фарфора, стекла, глазурованной и непористой керамики Чтобы грузы не обрастали металлом (что возможно при случайном покрытии их графитовой пылью), следует всегда покрывать их лаком или воском и наблюдать за тем, чтобы они не покрывались электропроводящими материалами. Поэтому грузы надо подвешивать на формы после нанесения электропроводящего слоя.

Формы загружают под некоторым углом к поверхности электролита, чтобы облегчить удаление воздуха из поднутрений и узких мест формы.

Погруженная в электролит плоская форма должна быть затем под слоем электролита расположена горизонтально для удаления с нее мягкой кистью оставшихся пузырьков воздуха. Чтобы уменьшить захват пузырьков воздуха, формы перед загрузкой можно заливать спиртом.

Пузырьки воздуха не всегда можно легко заметить под слоем электролита, поэтому необходимо внимательно осматривать форму перед завешиванием в ванну.

Пузырьки воздуха имеют вид отдельных прозрачных стеклышек или бисера; они трудно удаляются даже при резком стряхивании формы, и только кистью их сравнительно легко удалить.

Формы необходимо готовить к завешиванию всегда в таком положении, чтобы из поднутрений имелся выход для воздуха кверху.

Закрытые объемные формы при загрузке в ванну следует заполнять электролитом постепенно, равномерно вытесняя из них воздух. Глубоко профилированные места надо держать в таком положении, при котором электролит может медленно вливаться в них, вытесняя воздух.

Первоначальная плотность тока должна быть минимальной, чтобы не вызвать подгорания проводников, связанных с электропроводящим слоем. Минимальную плотность тока следует поддерживать до полной затяжки форм металлом и лишь затем переходить на рабочую плотность.

Гальванопластическое отложение толстых и равномерных по толщине слоев металла на сложнопрофилированные и глубокие формы является при репродуцировании наиболее трудной задачей.

При декоративном и противокоррозионном отложении металлов в гальваностегии отложенный металл имеет толщину всего в несколько микронов, в гальванопластике же она достигает нескольких миллиметров, т. е. в сотни и даже тысячи раз больше.

Электролитическое отложение металла, вообще говоря, не бывает равномерным, что особенно заметно при наращивании толстых гальванопластических слоев. Даже при наличии наиболее благоприятных условий, имея вполне плоский анод и катод, невозможно получить вполне равномерное отложение металла по всей площади. По краям и на выступах катода наращиваются более толстые, а в местах, дальше отстоящих от края, — более тонкие слои металла.

Расположение электрических силовых линий между анодом и катодом является главным фактором, определяющим распределение металла; оно зависит от формы электродов, расстояния между ними и сечения всей массы электролита, через которую проходят электрические силовые линии, а также от состава электролита.

Не следует полагать, что таили иная плотность силовых линий связана с изменением потенциала в разных точках электрода, так как ввиду высокой проводимости последнего потенциал его практически равномерен. (О существенных различиях потенциала можно говорить только в период затяжки металлом формы из непроводника.)

Соответственно различной степени средоточия силовых линий плотность тока на отдельных участках резко профилированных катодов различна в разных местах профиля: она значительно возрастает не только по их краям, но и на ребрах и других выступающих элементах форм. Напротив, в углубленных местах форм плотность тока резко убывает (рис. 20).

Рис. 20. Распределение силовых линий.

Способность электролита равномерно распределять металл на катоде, или «сработать в глубину», выражается рассеивающем способностью электролита. Она различна у разных электролитов, но практически всегда недостаточна. Поэтому регулирование толщины отложения металла по всему профилю форм является одним из главных элементов технологии гальванопластики.

Основной метод регулирования равномерности отложения металла заключается в применении различных экранов для отдельных деталей или целых участков рельефа и заключение форм в кассеты.

Экранирование применяется для защиты наиболее выступающих и острых деталей форм. Экраны могут ограничивать проникновение силовых линий или даже вовсе прекращать отложение металла на отдельных участках форм и тем направлять силовые линии в более глубоко профилированные места рельефа.

На разных участках анода плотность тока также различна и особенно повышена у краев анода, где она растворяется наиболее интенсивно (рис. 21).

Рис. 21. Анод, изолированный по торцу:

_{1 — анод; 2 — рамка из полихлорвиниллового шланга}

Обычно сечение электролита всегда больше площади электродов, и потому силовые линии могут уходить в глубь электролита. Распределение силовых линий между анодом и катодом ухудшается при прохождении тока в больших объемах электролита. На рисунке 22 приведена схема распределения их, когда над электродами и под ними имеется значительный объем электролита.

Рис. 22. Схема силового поля при разном расположении катода и анода в электролите

_{а — глубокое погружение электродов в электролит, б — электроды находятся у поверхности электролита, в — электроды у поверхности, внизу экран}

Для устранения указанного явления, обычно резко проявляющегося при работе в ваннах большего объема, принимают ряд мер. Так, например, формы загружают в электролит так, что от верхнего края их до зеркала ванны оставляют не более 1–2 см (рис. 23).

Рис. 23. Способ наращивания при постепенном погружении с экранированием черновой формы

_{1 — экран}

Для устранения влияния объема электролита, находящегося ниже формы, под нее подводят экран, чем достигается и с этой стороны большая равномерность в расположении силовых линий. Так же устанавливают боковые экраны, в результате чего получается как бы кассета, изолирующая электроды от излишней массы электролита. Роль таких кассет могут отчасти выполнять рамки, в которых заключают катод и анод (рис. 21). Для защиты торцовой части анода рамку можно заменить разрезанной вдоль хлорвиниловой трубки.

Экраны изготовляют из листовой пластмассы (винипласта, акрилата) толщиной 4–5 мм; по углам в них сверлят отверстия для подвешивания на мягких подвесках из электропровода с резиновой изоляцией. В ванну экраны устанавливают после завешивания анода и погружения форм в электролит.

Общими контурными экранами ограничиваться нельзя. Еще более важное значение имеют местные экраны. Скульптура, репродуцируемая гальванопластически, обычно резко отличается между собой в деталях рельефа, вследствие чего необходим индивидуальным подбор экранов для регулирования отложения металла.

Сложность регулирования заключается также в необходимости одновременно решать вопрос о режиме электролиза, и прежде всего правильно выбрать среднюю плотность тока, от чего зависит плотность тока на отдельных участках.

Рассмотрим подробнее различные приемы экранирования.

На рисунке 24 представлен способ постепенного погружения формы с применением экрана: а — первая стадия наращивания металла на выступающие детали формы, близлежащие к аноду; б — применение экрана, защищающего уже наращенную нижнюю часть формы (на этой стадии рабочей является углубленная часть формы); в — установка экрана при погружении выступающих частей формы до зеркала электролита; г — окончательное погружение формы в электролит, при котором полностью покрывается верх формы.

Рис. 24. Способ наращивания при постепенном погружении и экранировании монолитной формы

_{1 — отверстие для впуска электролита 2 — линия экранирования}

По такому же принципу наращивается металл внутри монолитных форм. Способ наращивания путем последовательного погружения формы в электролит по мере отложения металла требуемой толщины представлен на рисунке 24: а — первый этап погружения формы; б — следующий этап погружения с экранированием отложенного металла при помощи изоляции; в и г — стадии дальнейшего погружения (показано перемещение границы закрытия отложенного металла изолирующим слоем).

Металл обычно закрывают в формах изолирующим слоем при помощи расплавленного парафина. Такая изоляция имеет существенное значение для регулирования толщины отлагаемого слоя.

Края формы и все ее детали, имеющие достаточную толщину, следует по мере наращивания металла тщательно закрывать изолирующим слоем, чтобы избежать образования отдельных дендритов в плохо закрытых изоляцией местах.

Другой способ регулирования отложения металла заключается в разделении монолитных форм на отдельные пояса, не связанные между собой проводящим слоем. На рисунке 25 изображена такая форма: ее пояса снабжены самостоятельными питающими проводниками, которые постепенно подключают к источнику тока таким образом, что после достаточного наращивания металла на данном поясе соответствующий проводник отключают и подключают соседний.

Рис. 25. Способ наращивания с секционированием по поясам:

_{а, б, в, г, д, е, ж — пояса: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 — проводники.}

При изготовлении такой формы предварительно устанавливают и закрепляют проводники, служащие контактами, к проводящему слою данного пояса.

Просушенную и затем пропитанную восковой композицией форму подготовляют к нанесению электропроводящего слоя. При этом форму разделяют внутри обычными электроизоляционными лентами, которые плотно наклеивают на внутреннюю полость формы, разделяя ее таким образом на отдельные пояса а, б, в и т. д.

Пояса должны быть непременно горизонтальными. Таким же образом можно изолировать и отдельные глубоко профилированные детали формы, снабжая их самостоятельными проводниками для питания.

Подготовленную форму покрывают проводящим слоем, после чего наклеенные изоляционные ленты снимают; в результате пояса или отдельные углубленные элементы формы, оказываются изолированными друг от друга, так как вместе с лентами удаляют проводящий слой.

Наращивание начинают с наиболее углубленных деталей формы, в данном примере с пояса а, включая питающий проводник 7: по отложении в этом поясе требуемой толщины металла питающие проводники его отключают и включают проводник 6 и т. д. После отложения металла на участках а и б форму из ванны вынимают и наносят проводящий слой на место, где была наклеена изоляционная лента, затем сращивают два пояса формы. После этого включают следующий пояс и таким образом последовательно наращивают металл на всю форму.

Для получения изолирующего слоя в процессе наращивания металла на сложнопрофилированные формы (в особенности при изготовлении бесшовных бюстов в монолитных формах) применяется способ изоляции уже наращенных мест (где не требуется дальнейшего отложения металла) при помощи тетрахлорметана, который заливают в форму, пользуясь тем, что его плотность больше плотности электролита, так как он находится под слоем электролита, не смешиваясь и не реагируя с ним.

Для получения в процессе гальванопластики равномерного слоя металла можно применять периодическое изменение направления постоянного тока. Такое реверсирование тока препятствует росту металла на выступающих и острых элементах форм вследствие того, что анодное растворение металла в период подключения его к аноду происходит наиболее интенсивно именно на остриях и выступающих частях.

Ток переключают так, чтобы в течение 2—40 с отлагался металл на катоде, а затем в течение 0,5–5 с растворялся отложенный металл. Таким образом, при реверсировании тока наращиваемая форма включается в качестве анода только на короткие промежутки времени и в течение продолжительного времени остается катодом.

Анодное включение катода прерывает процесс роста кристаллов, что отражается на характере последующего роста кристаллов: вместо крупнозернистой столбчатой получается мелкокристаллическая структура меди.

Реверсирование тока сопровождается повышением рассеивающей способности электролита, а отложения металла становятся более светлыми, плотными, без шероховатостей.

Для реверсирования тока применяют реле времени для периодического переключения тока.

Правильное расположение анодов в процессе наращивания металла на глубоко профилированные формы является одним из активных средств для получения равномерного отложения металла в форме.

Обычно в дополнение к основному устанавливают специальные вспомогательные аноды. Их вводят в глубоко профилированные места и в поднутрения, т. е. в такие места формы, куда электрические силовые линии от удаленных анодов в достаточной степени не проникают. Вспомогательные аноды должны быть из прокатанной высококачественной меди марки М-0 или М-1 (ОСТ ЦМ 21–39), чтобы избежать образования шлама, засоряющего форму. Кроме того, аноды следует помещать в шламозадерживающие мешки из тонкой капроновой или стеклянной ткани.

Подготовка анодов перед установкой на место и сама установка осуществляется в следующем порядке.

К аноду, вырубленному по ширине и изогнутому в соответствии с профилем данного места формы, припаивают многожильный электропровод с плотной хлорвиниловой изоляцией, так, чтобы изоляция провода была возможно ближе к аноду.

Оголенную часть провода, припаянную к аноду, покрывают изоляционным лаком или парафином, поверх которого наносят плотный слой озокерита толщиной по крайней мере 3–4 мм. Такая изоляция необходима для защиты анода в месте контакта от растворения в процессе электролиза.

Вспомогательные аноды обычно устанавливают после наращивания металла необходимой толщины; их располагают перед углублениями, не затянувшимися металлом, или там, где отложение металла имеет недостаточную толщину.

Аноды прикрепляют озокеритом к просушенному металлу, отложившемуся в форме. Приклеивание анода озокеритом должно быть надежным и может производиться в нескольких местах; края озокеритовой массы должны плотно прилегать к металлу на форме. До крепления анодов на них надевают шламозадерживающие чехлы.

На рисунке 26 показаны примеры расположения вспомогательных анодов, в открытых формах — для барельефов (а, б, г) и в закрытых формах — для объемной скульптуры (б, д, е, ж).

Рис. 26. Примеры специальных случаев расположения анодов:

_{1 — свинцовая трубка: 2 — озокерит.}

Число разнообразных случаев, которые могут представиться на практике, огромно. Для рационального подхода к вопросу об улучшении распределения силовых линий путем экранирования или введения дополнительных анодов нельзя ограничиваться выбором одного из указанных типичных случаев. Необходимо иметь возможность измерять распределение силовых линий.