Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Применение технологии

Гальванопластика нередко применяется по отношению к различным изящным предметам (ювелирным изделиям, орденам и медалям, монетам, раковинам, цветочным горшкам, скульптурам, портретам и т.п.). Чаще всего в гальванопластике используется медь. Однако могут применяться и другие металлы, в том числе никель, хром, сталь, серебро.

При соблюдении всех технологических требований отличить скопированный предмет от оригинального можно лишь по барьерному слою или по удалению оригинала. Причем все работы вполне возможно выполнить своими руками в домашних условиях.

Обратите внимание! Покрытие копируемого изделия должно быть электропроводящим. Если материал лишен такого свойства, на него наносится бронза или графит.

Никелирование

Покрытие металла слоем никеля в домашних условиях могут выполнять в качестве финишной обработки или перед хромированием. Такой процесс получил название «гальваностегия», так как наносимый на поверхность изделия слой никеля повышает ее устойчивость к негативным факторам внешней среды. Кроме высоких защитных свойств, никелевый слой отличается и декоративной привлекательностью.

Температура электролита при выполнении никелирования не превышает 25°, а плотность тока находится в пределах 1,2 А/дм2. Электролит, кислотность которого должна находиться в пределах 4–5 pH, представляет собой водный раствор, в состав которого входят такие химические элементы, как сульфат никеля, магний, натрий, пищевая соль, борная кислота.

После завершения процесса гальваники изделие извлекают из электролитического раствора, промывают в воде, тщательно просушивают и полируют.

Создание формы

С изделия, которое будем копировать, снимаем отпечаток. Для этого понадобится какой-нибудь легкоплавкий металл, пластилин, гипс или воск. Если используем металл, обрабатываем копируемый предмет мылом и кладем его в картонную коробку. Далее заливаем туда легкоплавкий сплав.

Когда отливка завершена, достаем изделие и полученную форму подвергаем вначале обезжириванию, а затем меднению в электролите. Чтобы избежать металлических отложений с тех сторон, где нет оттиска, расплавляем металл в кипящей воде для получения матрицы. Форму заливаем гипсом. На выходе получаем копию.

Для создания матрицы понадобится такая композиция:

• воск — 20 частей;
• парафин — 3 части;
• графит — 1 часть.

Если форма создается из диэлектрического материала, на ее поверхность наносим электропроводное покрытие. Проводниковый слой наносим либо путем восстановления металлов, либо механическим способом, подразумевающим нанесение чешуйчатого графита при помощи кисточки.

Еще до начала механической обработки поверхности растираем графит в ступе, просеиваем его сквозь сито. Наилучшая адгезия графита наблюдается с пластилином. Гипсовые, деревянные, стеклянные и пластмассовые формы, а также папье-маше эффективнее всего обработать раствором бензина и воска. Когда поверхность еще не просохла, наносим на нее графитовую пыль, а прилипшее вещество сдуваем направленным потоком воздуха.

Гальваническое покрытие нетрудно отделить от матрицы. Если форма металлическая, создаем на поверхности оксидную или сульфидную электропроводящую пленку. К примеру, на серебре это будет хлорид, на свинце — сульфид. Пленка поможет легко отделять форму от покрытия. В случае с медью, серебром и свинцом покрываем поверхность 1% раствором сульфида натрия, чтобы возникли нерастворимые сульфиды.

Хромирование

Гальваническое хромирование в домашних условиях или на производственном предприятии позволяет придать поверхностному слою обрабатываемого изделия более высокую твердость, устойчивость к коррозии, а также декоративность. Поскольку хромовое покрытие отличается достаточно высокой пористостью, его выполняют после гальванического нанесения меди на обрабатываемую деталь (либо никелирования). Для выполнения такой технологической операции используют аноды, которые изготовлены из сплава свинца, олова и сурьмы.

Установка гальванического хромирования

На конечный результат хромирования, выполнить которое в домашних условиях достаточно сложно, так как для этого необходимо использовать токи высокой плотности – до 100 А/дм2, оказывают влияние различные факторы. К наиболее значимым из них следует отнести:

• температуру используемого электролита – от данного параметра зависит оттенок формируемого покрытия, которое может быть матовым (температура ниже 35°), блестящим (35–55°) и молочным (выше 55°);
• химический состав электролита, оказывающий влияние на защитные свойства формируемого покрытия, а также на его цвет, который может быть темно-голубым, синим, агатовым.

Заключительным этапом хромирования после извлечения детали из электролитического раствора является промывка обработанной поверхности водой, последующая нейтрализация в растворе пищевой соды, еще одна промывка, просушка и полировка с использованием специальных паст.

Материалы и оборудование

Когда форма готова, кладем ее в гальваническую ванну, подключенную к электрическому току (чтобы не допустить растворения разделяющей пленки). Вначале осуществляем покрытие проводящего медного слоя в условиях небольшой плотности тока.

Нам понадобится следующий состав:

• медный купорос — 150-200 граммов;
• серная кислота — 7-15 граммов;
• этиловый спирт — 30-50 миллилитров;
• вода — 1 литр.

Рабочая температура в электролитной ванной — 18-25 градусов по Цельсию. Плотность тока — от 1 до 2 Ампер на квадратный дециметр. Спирт понадобится для улучшения смачиваемости покрытия. В качестве источника постоянного тока можно использовать зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов. Также нам нужен амперметр с возможностью измерения силы тока от 0 до 3 или 5 ампер. Обычно на зарядках амперметр уже имеется.

Реостатом послужит нихромовая проволока. Ее наматываем на любую пластину из керамики. Вполне сгодится спираль от электрообогревателя.

В качестве ванночки подойдет любая пластмассовая емкость объемом от 2 до 50 литров, в зависимости от имеющихся потребностей. Медную пластинку используем как анод.

Обратите внимание! Площадь анода должна быть приблизительно равна площади обрабатываемых деталей.

Чтобы создать токопроводящий слой для изделия, добавляем в бронзовый порошок несколько капель лака. Рекомендуется использовать бесцветный нитролак. Лак нужно сделать более жидким, поэтому разбавляем его ацетоном до консистенции жидкого лакокрасочного состава.

Меднение

Меднение с использованием гальваники в домашних условиях необходимо для того, чтобы создать на поверхности обрабатываемого изделия токопроводящий слой, отличающийся небольшим значением электрического сопротивления, а также для того чтобы защитить деталь от негативного воздействия внешней среды.

Наносить слой меди на стальные и чугунные изделия, предварительно не покрыв их слоем никеля, смертельно опасно, так как для этого необходимо использовать цианистый электролит.

После предварительного никелирования металл покрывают слоем меди с использованием раствора сернокислой меди, концентрированной серной кислоты и воды комнатной температуры.

Меднение путем погружения в раствор

Процесс выполняется с соблюдением следующих этапов:

1. С поверхности стальной детали удаляется окисная пленка с помощью наждачной бумаги и щетки, а затем деталь промывается и обезжиривается содой с финишной промывкой водой.
2. В стеклянную банку помещаются две медные пластины, подсоединенные к медным проводникам, которые служат анодом. Для этого их соединяют вместе и подводят к положительной клемме прибора, используемого в качестве источника тока.
3. Между пластинами свободно подвешивается обрабатываемая деталь. К ней подводится отрицательный полюс клеммы.
4. В цепь встраивается тестер с реостатом, чтобы регулировать силу тока.
5. Готовится электролитный раствор, в состав которого обычно входит медный купорос — 20 грамм, кислота (соляная или серная) — от 2 до 3 мл, растворенная в 100 мл (лучше дистиллированной) воды.
6. Готовый раствор заливается в подготовленную стеклянную банку. Он должен покрыть помещенные в банку электроды полностью.
7. Электроды подключаются к источнику тока. С помощью реостата устанавливается ток (10-15 мА должны приходиться на 1см2 площади детали).
8. Через 20-30 минут ток отключается, и деталь, покрытая медью, достается из емкости.

Покрытие медью без помещения в электролитный раствор

Такой способ используется не только для стальных изделий, но и алюминиевых предметов и изделий из цинка. Процесс осуществляется так:

1. Берется многожильный медный провод, с одного конца которого снимается изоляционное покрытие, а проводкам из меди придается вид своеобразной кисточки. Для удобного использования «кисть» закрепляют на ручке — держателе (можно взять деревянную палку).
2. Другой конец провода без кисти подсоединяется к положительной клемме используемого источника напряжения.
3. Готовится электролитный раствор на основе концентрированного медного купороса с добавлением небольшого количества кислоты. Он наливается в широкую емкость, необходимую для удобного окунания кисти.
4. Подготовленная металлическая деталь, очищенная от оксидной пленки и обезжиренная, помещается в пустую ванночку и подсоединяется к отрицательной клемме.
5. Кисть смачивается приготовленным раствором и водится вдоль поверхности пластины, не прикасаясь к ней.
6. После достижения необходимого медного слоя, процесс заканчивается, а деталь промывается и сушится.

Между поверхностью детали и импровизированной медной кистью всегда должен быть слой из раствора электролита, поэтому кисть необходимо обмакивать в электролит постоянно.

Обработка алюминия

Часто с помощью медного электролиза обновляют столовые приборы, сделанные из алюминия. Если нет опыта проведения этого процесса, то можно потренироваться нанести медь на алюминиевые пластинки. Порядок проведения процесса:

• Алюминиевую пластинку зачищают и обезжиривают.
• Наносят на неё небольшое количество раствора медного купороса.
• Подсоединяют отрицательную клемму от источника питания к алюминиевой пластинке. Удачным способом соединения является металлический зажим-крокодил.
• Положительный полюс питания подается на медную «щеточку». Это конструкция из медного провода, один конец которого освобожден от оплетки, а медные щетинки образовали кисточку. Зажим от питания присоединяется ко второму концу провода. Сечение провода должно быть от одного до полутора миллиметров.
• Медную щетину обмакивают в раствор сернокислой меди и водят на близком расстоянии от поверхности алюминиевой пластинки. При этом нужно стараться не прикасаться щеточкой к заготовке, чтобы не замкнуть цепь.
• Омеднение происходит буквально на глазах.
• После окончания работы с пластины удаляют остатки не закрепившейся меди и протирают спиртом.

Процесс изготовления

Берем примерно 20-сантиметровый отрезок многожильного кабеля и извлекаем из него проволоку. Защищаем изоляцию по обеим сторонам проволочки, один ее конец сгибаем под углом 90 градусов и приклеиваем к пластиковой детали мгновенным клеем. Причем клей БФ не подойдет, так как его растворит бронзовая краска.

Когда предметы высохнут, осуществляем их обезжиривание с помощью средства бытовой химии (например, стирального порошка). Далее промываем изделие в проточной воде или обрабатываем его ацетоном.

Детали достаточно крепко зафиксированы на проволоке. Теперь их можно по одной окунать в заранее подготовленную бронзовую краску или же наносить этот материал кистью. Вся поверхность должна быть равномерно окрашена. Рекомендуется использовать изолированную проволоку от кабеля, иначе медь будет попадать на голый провод, что приведет к дополнительному расходу анода.

После часового высушивания поверхности высушенные концы проводов скручиваем между собой. Детали не должны соприкасаться друг с другом. Далее присоединяем изделия к плюсовому контакту и погружаем их в ванну. Спустя несколько секунд после погружения начнется заметный невооруженным взглядом процесс омеднения.

Толщина медного покрытия может колебаться в зависимости от обстоятельств, но для мелких предметов она составит примерно 0,05 миллиметра. В ванне детали находятся в течение 15 часов. Регулировку тока осуществляем перемещением контакта по нихромовому реостату в рамках 0,8-1,0 Ампер. После омеднения повышаем ток до 2 Ампер. Когда срок выдержки деталей истечет, промываем предметы в проточной воде, высушиваем их, а проволоку отрезаем. Зачищаем проволоку и подготавливаем ее к следующей процедуре.

Металлизация завершена. Далее берем серную мазь (можно приобрести в аптеке), наносим ее на поверхность и проносим деталь на огнем газовой плиты. При этом медь сразу потемнеет.

Следующий этап — полировка. Для этого пригодится двигатель, оснащенный металлической круглой щеткой. Эта работа требует определенного умения. В результате у нас должна получиться поверхность, выглядящая как черненая бронза с отдельными блестящими участками. Если сразу не удалось добиться нужного результата, снова наносим серную мазь, нагреваем изделие над огнем и полируем.

Для тех, кто сомневается в эффективности описанной выше процедуры, предлагаем сделать пробу. Для этого понадобится емкость для электролита, куда нужно опустить немного меди. Одну деталь окрасьте из пульверизатора 2-3 слоями в бронзовый цвет. Далее нужно подсоединиться к батарейке без использования реостата. Также подойдет адаптер от плеера.

Требования техники безопасности

Если производится гальванопластика у себя дома, необходимо учесть множество факторов. Во время процесса ванна должна находиться в изолированном помещении. В это помещение не должны допускаться дети и животные, способные все опрокинуть. Источник постоянного тока нужно регулярно проверять на соответствие номинальным характеристикам. Работать лучше в перчатках и защитных очках, а также надеть передник или рабочий халат.

Фантазия и сноровка помогут реализовать смелые художественные замыслы. Можно наносить покрытие не только на металлические токопроводящие изделия, но даже на пластиковые, покрытые графитовым спреем. Удовольствие это не из дешевых, но траты окупятся удовольствием от творческого процесса.

Другие металлы

Помимо меди, на неметаллическую поверхность можно наносить и другие металлы, в том числе золото или серебро. Серебряная гальванопластика может осуществляться одним из двух способов: химическим или электрохимическим. Химическое серебрение производится путем погружения изделия в прокипяченный раствор с серебром. Электрохимический процесс дает более надежный результат, так как покрытие получается более прочным в результате воздействия электротока. Серебряная гальванопластика широко применяется при производстве ювелирных изделий.

Итак, гальванопластика дома вполне возможна. Процесс достаточно трудоемкий и требует определенных навыков, однако конечный результат того стоит.

Общие сведения о гальванопластике.

Гальванопластика — техника получения точных металлических копий с форм путем электроосаждения. Точнее это гальванический способ формования изделий, в процессе которого металл, выделяющийся при электролизе, достигает толщин 0,25-2 мм и воспроизводит форму поверхности, на которой осаждается. В результате покрытие становится самим изделием.

В настоящее время в гальванопластике применяют: Cu, Ni, Ni-Co, Ni-Fe, Ni-Si, Ni-W, Fe, Pb, Cr, Au, Ag. Из расплавленных солей создают гальванопластические копии с применением тугоплавких металлов: Re, W, Mo.

Частным случаем гальванопластики является электролитическое формование. Разница между этими процессами в том, что в гальванопластике форма отделяется от копии или разрушается, а в электроформинге — остается внутри.

Важными аспектами в процессе гальванопластического формирования изделий играет подготовка поверхности используемой формы, создание на ней токопроводящего и/или разделительного слоя.

Гальванопластику создал русский ученый Борис Семенович Якоби в 1836 г. При опытах с элементами Даниеля, Якоби «…увидел несколько почти микроскопических царапин напильника, точно соответствующих друг другу: вогнутые на поверхности цилиндра и рельефные — на поверхности отдельного листочка. Гальванопластика явилась следствием этого тщательного исследования».

Увидев такое интересное явление, Якоби сразу же начал поиск его технического применения. 5 декабря 1838г. на заседании Академии наук был прочитан доклад Якоби об изобретении техники гальванопластики и продемонстрированы образцы гальванопластических копий гравированных печатных форм.

Преимущества гальванопластики как метода формования:

• высокая точность воспроизведения микро- и макрогеометрического сложного рельефа поверхности, на которую производится электроосаждение металла;
• низкая стоимость оснастки и оборудования, что позволяет часто менять конструкцию деталей;
• многократное использование моделей для наращивания;
• тождественность деталей, снимаемых с одной модели;
• в условиях многосерийного производства возможность одновременно изготовлять большое количество деталей, которое определяется размерами ванн и мощностью источников тока;
• получение комбинированных деталей, как из различных металлов, так и неметаллов;
• малые затраты труда по сравнению с такими методами формообразования, как литье, штамповка, механическая обработка.

Недостатки гальванопластики:

• Ограничения в перечне используемых металлов и сплавов;
• Относительно невысокая скорость осаждения;
• Неравномерность распределения электролитических осадков по рельефной поверхности, что влечёт за собой увеличения стадий механической обработки.

Область применения гальванопластики очень обширна: бесшовные трубы, волноводы, сильфоны, гильзы с кумулятивным зарядом, художественные изделия, компоненты для исследований в области термоядерного синтеза и ядерной энергии, датчики шероховатости поверхности, золотые коронки и мосты для стоматологии, калибровочные шкалы для электронной микроскопии, корпуса для слуховых аппаратов, микроустройства для электронного, микромеханического применения и многое другое.

Как правильно подготовить изделие к процедуре

После того как вы изготовили свой гальванический аппарат, нашли все необходимое оснащение и химические составляющие, можно приступать к такому важному процессу, как подготовка изделия, которое будет подвергаться гальванике. Важность такого процесса очень сложно переоценить, так как именно от качества его выполнения во многом зависит то, какими характеристиками будет обладать готовое покрытие.

В большинстве случаев подготовка изделия к гальванике не ограничивается только очисткой его поверхности от загрязнений и ее обезжириванием. Выполняются также пескоструйная обработка и последующая шлифовка с использованием наждачной бумаги и специальных паст.

Гальваническое покрытие выделяет все недостатки поверхности, поэтому обрабатываемая деталь должна быть идеально подготовлена, то есть устранены все сколы, царапины и раковины

Для того чтобы обезжирить обрабатываемую поверхность перед гальваникой, можно использовать органические растворители в чистом виде или приготовить для этих целей специальный раствор. В частности, для эффективного обезжиривания стали или чугуна в домашних условиях готовят растворы, в состав которых входят едкий натр, жидкое стекло, карбонат натрия и фосфат натрия. Обезжиривание изделий из таких металлов выполняют в нагретом до 90° растворе. Цветные металлы можно эффективно обезжирить растворами, содержащими в своем составе хозяйственное мыло и фосфорнокислый натрий.

Составы щелочных обезжиривающих растворов

Чтобы получить качественное гальваническое покрытие как в домашних, так и в производственных условиях, с обрабатываемой поверхности необходимо также удалить окисную пленку, для чего используют специальные декапирующие растворы с серной или хлороводородной кислотой.