Анодная обработка алюминия (анодирование, полирование, эматолирование). Применение в полиграфии

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДВНЗ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ  ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

КАФЕДРА ТЕХНІЧНОЇ ЕЛЕКТРОХІМІЇ

 

 

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «електрохімія  в поліграфічних процесах»

Анодная обработка  алюминия (анодирование, полирование, эматалирование). Применение в полиграфии.

 

 

Виконала:

Студент групи 3-МВПВ-55                                                      Гуменюк Я.Л.

 

Перевірила:

Керівник                                                                                          Поліщук Ю.В.

 

 

Дніпропетровськ      УДХТУ     2013

 

План

1. Введение………………………………………………………………….. 3                                                            
2. Алюминий. Общие сведения……………………………………………. 6
3. Электрохимическая обработка металлов……………………………... 8
4. Анодирование алюминия………………………………………………. 10
5. Полирование сплавов………………………………………………….. 14
6. Полирование алюминия……………………………………………….. 16
7. Эматалирование алюминия……………………………………………. 17
8. Травление сплавов……………………………………………………... 19
9. Травление алюминия…………………………………………………... 21
10. Применение в полиграфии…………………………………………….. 23
11. Вывод……………………………………………………………………. 24
12. Список использованной литературы………………………………….. 25

 

 

Введение

Гальванотехника — отдел прикладной электрохимии, который включает гальваностегию и гальванопластику.

Гальванопластика — получение сравнительно толстого слоя металлических осадков на поверхности какого-либо предмета. Целью гальванопластики является получение точной металлической копии предмета. При гальванопластике осадки получаются массивными, прочными, легко отделяющимися от покрываемой поверхности. Основное применение в гальванопластике имеет медь; более ограниченное использование железа, никеля, серебра, золота, а также олово, хром и другие металлы и их сочетания. Копируемое изделие, если оно само изготовлено не из электропроводящего материала, покрывают тонким слоем электропроводящего материала, и затем наносят гальваническое покрытие. Этот слой обычно делают легко отделяющимся от поверхности изделия, например, натирают порошок графита, либо токопроводный лак. В гальванопластическом производстве труб и других полых предметов электролитическое осаждение в ряде случаев ведётся на сердечники из легкоплавких сплавов, которые потом удаляются путём нагрева выше температуры их плавления.

Гальваностегия — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д. Получаемые покрытия — осадки — должны быть плотными, а по структуре — мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока. Выбор способа покрытия зависит от назначения и условий работы изделия. На сегодняшний день изделия из металла, а так же барельефы на стенах, широко используются как в быту, так и в производстве, и в других сферах промышленности. Надежность, прочность, многофункциональность, привлекательный внешний вид - вот что отличает металл от других материалов.

В настоящее время в важнейших  отраслях промышленности многие технологические  операции осуществляют с применением  электрохимического метода. Получение  тяжёлых цветных, благородных, лёгких и редких металлов высокой чистоты, осуществление гальванических покрытий, обладающих особыми механическими  и антикоррозионными свойствами, изыскание новых и совершенствование  имеющихся химических источников тока, производство разнообразных продуктов  окисления и восстановления, гальванопластика -  вот далеко не полный перечень производств, использующих электрохимический метод.

Теоретическая электрохимия перекликается  со многими областями науки и  более всего с физической и  коллоидной химией. Для электрохимии характерно, что она имеет дело с управляемыми и самопроизвольно  протекающими процессами, проходящими  в электролите и главным образом  на границе фаз электрод – электролит.

Электрохимические реакции, протекающие  на границе раздела двух фаз, совершаются  при наличии двойного электрического слоя из зарядов, находящихся в металле, и ионов другого знака в растворе. Подобные ионные двойные слои, возникающие на границе соприкосновения фаз, приводят к глубоким изменениям физико-химических свойств поверхностных слоёв. Процесс ионного обмена протекает таким образом, что значение электродного потенциала отвечает термодинамическому равновесию между металлом и электролитом.

Однако и в случае отсутствия двойного ионного слоя на поверхности  раздела металл – раствор здесь  может возникнуть скачок потенциала. Избыток или недостаток вещества в поверхностном слое по сравнению  с содержанием вещества в объёме раствора приводит к адсорбции растворённых дипольных молекул и даже нейтральных  атомов или ориентации их относительно поверхности.

 

Алюминий. Общие сведения

Современную жизнь невозможно представить без алюминия. Этот блестящий  легкий металл, прекрасный проводник  электричества, получил в последние  десятилетия самое широкое применение в различных отраслях производства. Между тем известно, что в свободном  виде алюминий не встречается в природе, и вплоть до XIX века наука даже не знала о его существовании. Только в последней четверти XIX века была разрешена проблема промышленного  производства металлического алюминия в свободном виде. Это стало  одним из крупнейших завоеваний науки  и техники этого периода, значение которого мы, может быть, еще не оценили  до конца.

Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al  (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния)

Физические свойства:

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³, 
температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, 
температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10…12 кг/мм², деформируемого — 18…25 кг/мм², сплавов — 38…42 кг/мм².

Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Модуль Юнга — 70 ГПа.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью. Слабый парамагнетик. Температурный коэффициент линейного расширения 24,58×10⁻⁶ К⁻¹ (20…200 °C). Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7×10⁻⁸K⁻¹.

Алюминий образует сплавы почти  со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Химические свойства:

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

 

 

Электрохимическая обработка металлов

Электрохимическая обработка металлов - группа методов, предназначенных для придания обрабатываемой металлической детали определенной формы, заданных размеров или свойств поверхностного слоя. Осуществляется в электролизерах (электролитических ваннах, электрохимических ячейках специальных станков, установок), где обрабатываемая деталь является либо анодом (анодная обработка), либо катодом (катодная обработка), либо тем и другим попеременно. Основной вид катодной электрохимической обработки металлов - гальваностегия.

Гальваническое осаждение является достаточно быстрым и хорошо контролируемым процессом, однако оно может производиться  только на проводящие поверхности, которые  в процессе выполняют роль одного из электродов. Для нанесения материала  на непроводящие поверхности их сначала  покрывают тонким слоем металла  химическим способом, а затем производят т.н. гальваническое наращивание.

Для получения определенного рисунка, имеющего несвязанные между собой  области металлизации, выполняют  технологические перемычки, обеспечивающие электрический контакт между  данными областями, удаляемые после  выполнения процесса гальванического  осаждения.

При селективном нанесении покрытий гальваническим способом применяют  маски (например, фоторезист). Также  маски применяют при гальваническом наращивании рисунка для экономии материала, который будет в последствии  удален с областей, не требующих  металлизации.

Разновидность электрохимической  обработки металлов - электролитный нагрев с целью термической или химико-термической обработки деталей (нагрев с последующей закалкой в электролите, науглероживание, азотирование поверхностного слоя). Этот вид обработки проводится в таком режиме, когда растворение металла крайне мало, а сильный нагрев происходит при прохождении тока через парогазовый приэлектродный слой, который возникает из-за вскипания электролита около электрода при высоких значениях плотности тока и напряжения.

Физический принцип электрохимической  обработки основан на высокоскоростном анодном растворении металлов и  сплавов под действием тока электролиза  высокой плотности в среде  проточного электролита на малых  межэлектродных зазорах. При этом в  соответствии с законом Фарадея, масса удалённого с заготовки  материала пропорционально силе тока и времени обработки.

В отечественной практике промышленного применения электрохимической обработки наибольшее распространение получили электролиты, представляющие собой водные растворы нейтральных нетоксичных и пожаробезопасных минеральных солей. С точки зрения обеспечения высокой точности обработки наиболее рациональным выбором являются малоконцентрированные (до 15%) водные растворы кислородосодержащих солей.

Для осуществления процесса электрохимической обработки два металлических электрода (инструмент и заготовку), в пространстве между которыми находится электролит, подключают к противоположным полюсам источника технологического тока. Отрицательный полюс источника, подсоединённый к электроду-инструменту (катоду), сдвигает его потенциал в отрицательную сторону вследствие увеличения концентрации электронов. Положительный полюс отбирает электроны от подключённого к нему электрода-заготовки (анода), что сдвигает его потенциал в положительную сторону. Такое отклонение потенциалов электродов от равновесных значений вызывает протекание электродных процессов: на катоде начинается восстановление катионов, на аноде — окисление металла.

Анодирование  алюминия

Анодирование сплавов — электрохимический процесс получения защитного или декоративного покрытия на поверхности различных сплавов (алюминиевых, магниевых, титановых). Например, при анодировании алюминиевых сплавов деталь погружают в кислый электролит (H₂SO₄) и соединяют с положительным полюсом источника тока; выделяющийся при этом кислород взаимодействует с алюминием, образуя на его поверхности оксидную плёнку.

Анодирование алюминия:

Наибольшее распространение  для анодирования алюминиевых деталей получил сернокислый процесс. Алюминиевую деталь и свинцовый катод помещают в охлаждаемую ванну с раствором серной кислоты (плотность 200—300 г/л). Процесс протекает при плотностях тока 10—50 мА на см² детали (требуемое напряжение источника до 50—100 В). Температура электролита ключевым образом влияет на качество и естественный цвет окисной пленки и поддерживается в диапазоне −20 до +20 градусов. Окисная пленка при повышенных температурах бесцветная, тонкая и рыхлая, что позволяет окрашивать ее практически любыми красителями. Пониженные температуры позволяет получить толстые плотные окисные пленки с естественной окраской (как правило, золотистых оттенков).

Слой окисла получается пористый, поэтому после анодирования, как правило, применяют дополнительные методы обработки с целью закупорить поры. Обычно деталь длительно обрабатывают паром или вываривают в воде.

Качественно анодированные  детали считаются хорошими изоляторами  для напряжений до 100 В.

На воздухе образуется плёнка (тонкая, но не имеет специальных функциональных свойств, имеет низкие защитные свойства).

Плёнки  полученные электрохимически:

• твёрдые;
• пластичные;
• окрашенные;
• не окрашенные;
• прозрачные;
• не прозрачные.