Гальванопластика
Открытие явления гальванопластического копирования принадлежит русскому академику Б. С. Якоби, который впервые в 1836 г. путем электролитического наращивания меди изготовил клише для печатания бумажных денежных знаков. Этот процесс сразу же получил техническое применение в мастерской Экспедиции заготовления государственных бумаг (Гознак) и вскоре распространился в других странах.
В 1840 г. в Петербурге под руководством Якоби было организовано первое крупное предприятие гальванопластического воспроизведения скульптуры на котором работало более 2500 рабочих. Здесь были изготовлены гальванопластическим методом скульптуры для Исаакиевского собора, Эрмитажа, садов и парков Петербурга и его пригородов, Большого театра в Москве.
Россия является также родиной гальванопластического изготовления бесшовных труб, которые в 1867 г. экспонировались И. М. Федоровским в Париже на Всемирной выставке.
В настоящее время гальванопластика используется в самых разнообразных областях техники и прикладного искусства. Путем гальванопластики готовят рефлекторы, матрицы для прессования различных изделий (граммофонных пластинок, искусственных зубов, пуговиц, кукол и т.д.), гальваностереотипы, матрицы для тиснения кожи, бумаги, печатные схемы, фольгу и сетки. Гальванопластика широко применяется в искусстве для изготовления скульптур, барельефов, медалей, ювелирных изделий и т. п. Основные технологические операции в гальванопластическом производстве сводятся к следующим:
1) изготовление металлических или неметаллических форм;
2) нанесение проводящего слоя (для неметаллических форм);
3) нанесение разделительного слоя (для металлических форм);
4) электрохимическое осаждение металла;
5) отделение форм от полученных копий и окончательная обработка последних.
Изготовление форм для гальванопластики
Формой, на которую осаждают металл, может служить как копия с оригинала, так и сам оригинал. В большинстве случаев оригиналы не используют для электроосаждения, так как это связано с возможностью их порчи. Существуют два принципиально различных метода изготовления форм. Форма может являться «негативной» копией с какого-либо оригинала. В этом случае осажденный слой металла станет «позитивным» и будет полностью соответствовать оригиналу. Во втором случае оригинал может отсутствовать, а форма готовится путем непосредственной обработки материала по чертежу.
Выбор материала формы и изготовление ее — наиболее ответственные операции в технологии гальванопластики. Формы могут быть изготовлены из самых различных материалов — металла, пластмассы, гипса, восковых композиций, желатины и т. д. Основные требования, которые предъявляются к формам, — сохранять точный отпечаток оригинала и не взаимодействовать химически с электролитом.
Наиболее часто в производственной практике применяется изготовление форм из гипса, восковых композиций, стали, сплавов алюминия, свинца. Стальные формы применяют для воспроизведения деталей, допускающих простой разъем. Основным преимуществом стальных форм является возможность их повторного многократного использования.
Свинцовые формы используют для снятия копий с металлических оригиналов, имеющих небольшой рельеф и способных противостоять значительным давлениям. В полиграфии для производства гальваностереотипов также используют свинцовые формы.
Формы из алюминия и его сплавов относятся к числу растворимых форм, т. е. разрушаемых по окончании гальванопластического наращивания металла. Их применяют в тех случаях, когда требуется очень высокая точность размеров и чистота поверхности в сочетании со сложностью конфигурации.
В качестве материала форм можно пользоваться и легкоплавкими сплавами (например, сплавом Вуда), однако к этим сплавам прибегают реже.
Из неметаллических материалов одним из наиболее употребительных являются гипс и восковые композиции, которые широко распространены в художественной гальванопластике.
Нанесение проводящего слоя
Перед нанесением проводящего слоя на неметаллические формы необходимо выполнить ряд подготовительных операций. Прежде всего поверхность форм должна быть тщательно очищена от загрязнений. Если формы приготовлены из гигроскопических материалов, их необходимо сделать водонепроницаемыми. Например, гипсовую форму обычно пропитывают предварительно расплавленным воском. В тех случаях, когд,а проводящий слой наносят путем химического восстановления серебра или меди из водных растворов, применяют обработку в растворе хлорида олова, обеспечивающую хорошее смачивание поверхности, качественную структуру металлической пленки.
Существуют различные способы нанесения проводящего слоя.
Механическое нанесение проводящего слоя путем графитирования — наиболее простой и дешевый способ. Графит втирают в поверхность формы мягкой волосяной кистью. Для этих целей используют высокосортный чешуйчатый графит.
Электропроводность графитовой пленки и скорость покрытия ее металлом зависят от степени чистоты графита, размера и формы частиц. Графит должен содержать не менее 92% углерода. От примесей силикатов и окислов железа в графите освобождаются путем последовательной обработки в серной и соляной кислотах и едком натре. Для получения качественного покрытия частицы графита не должны быть чрезмерно малыми, так как в противном случае трудно получить сплошную проводящую пленку. Проводящий слой можно получить путем химического восстановления металлов из водных растворов. В настоящее время разработаны способы получения пленок серебра, меди, золота, никеля, кобальта и некоторых других металлов. Наиболее широко применяют пленки серебра, реже меди. Обычно для серебрения берут аммиачный раствор окиси серебра, а в качестве восстановителя формальдегид, пирогаллол, глюкозу, сегнетову соль.
Способ нанесения проводящих паст с последующим вжиганием применяют в тех случаях, когда необходимо получить более прочное сцепление металлического покрытия с непроводником — керамикой, стеклом или пластмассой.
Для получения проводящего слоя используют специальные составы — пасты, которые наносят на поверхность и затем нагревают до сплавления с диэлектриком. Наибольшее распространение получили пасты на основе серебра.
Нанесение разделительного слоя
Чтобы легче отделить нарощенную копию от металлической формы, наносят так называемый разделительный слой. Разделительными слоями могут служить пленки из окислов и солей некоторых металлов, а также из графита и органических веществ (жиры и масла). Чаще всего разделительный слой наносят химическим путем. В зависимости от металла, из которого изготовлена форма, наносят сульфидные, оксидные, хроматные и другие пленки. Сульфидные пленки могут быть образованы на свинце, меди, серебре, никеле при обработке их 1 % раствором Na2S.
Хроматные пленки на серебре и свинце получаются погружением в раствор, содержащий 1 г\л К2Сr2О7. Оксидные пленки образуются при обработке их различными окислителями.
Осаждение металла на проводящий и разделительный слой
Как уже отмечалось, металл осаждается либо на металлические формы, покрытые разделительным слоем, либо на неметаллические формы, покрытые проводящим слоем. Во втором случае при подготовке к осаждению металла необходимо особое внимание уделять контактным приспособлениям. Обычно перед нанесением проводящего слоя к форме по ее периферии прикрепляют медную проволоку. Монтировать проволоку следует за пределами рабочей поверхности формы, в противном случае могут возникнуть затруднения при электроосаждении металла. Кроме того, для ускорения процесса затяжки формы металлом (в частности, при графитировании) к отдельным точкам поверхности подводят ток с помощью тонких медных проволочек.
Перед завешиванием форм в ванну поверхность проводящего слоя для лучшего смачивания обрабатывают специальными растворами. Так, если проводящий слой нанесен на восковую или гипсовую форму графитированием, то форму перед затяжкой медью смачивают 50% раствором этилового спирта или смесью электролита со спиртом в отношении 1:1.
Завешивание изделий в ванны рекомендуется проводить под током во избежание травления металлических проводящих пленок. Первичное покрытие металлом по проводящему слою необходимо проводить в условиях, обеспечивающих осаждение металла с малыми внутренними напряжениями, так как в противном случае осадок может отстать от формы.
Для «затяжки» по проводящему слою применяют обычно слабокислые медные и никелевые электролиты.
Обычно первичное покрытие ведут без перемешивания и при малых плотностях тока. В этих условиях нецелесообразно проводить наращивание толстых осадков металла, так как оно было бы слишком длительным. Поэтому после затягивания формы металлом в первой ванне, ее переносят во вторую с более концентрированным раствором, работающую с перемешиванием, а в некоторых случаях и с подогревом, и допускающую более высокую плотность тока. Составы электролитов для наращивания толстых слоев металла практически мало отличаются от составов, применяемых в гальваностегии.
В тех случаях, когда геометрия формы позволяет произвести отделение полученной копии от формы без ее повреждения, такое отделение является простой механической операцией. Однако иногда приходится прибегать к специальным приемам, облегчающим разъем. Так, отделение стеклянных, стальных форм производится за счет разных коэффициентов расширения металла и формы при нагревании. В некоторых случаях приходится форму разрушать.
При воспроизведении сложных, объемных скульптурных изделий наращивание металла ведут по частям, которые в дальнейшем соединяются внутренними болтами или спаиваются.
Применение гальванопластики
При изготовлении бесшовных труб сложного профиля, когда невозможно удалить форму механическим путем, приходится выбирать такие материалы для форм, которые по окончании процесса можно либо выплавить, либо растворить. Если требуется точное воспроизведение заданных очертаний и размеров, применяют алюминиевые формы, которые после наращивания растворяют в едком натре.
Изготовление прямых медных труб разного диаметра, а также наращивание волноводов, имеющих несложные очертания, гальванопластический метод изготовления листов, лент, фольги заключается в наращивании металла на вращающийся барабан из нержавеющей стали. Барабан на две трети диаметра погружен в ванну с электролитом.
Плотность тока и скорость вращения рассчитывают так, чтобы за один оборот барабана получить ленту требуемой толщины. Если толщина изготовляемой ленты меньше 0,3 мм, то гальванопластический способ может по себестоимости конкурировать с прокаткой.
Гальванопластическим методом можно изготовить сетки с любым количеством отверстий заданной конфигурации и величины. Полученные этим способом сетки имеют гладкую поверхность, свободную от узлов, неизбежных при изготовлении сеток методом плетения. Такие сетки могут применяться в химической, машиностроительной, металлургической, пищевой и легкой промышленности.
При изготовлении формы для сеток, медную или латунную пластину требуемого размера тщательно полируют, обезжиривают и покрывают светочувствительным хромово-желатиновым составом, который затем высушивают. Затем накладывают негатив с оригинала (сетки) и экспонируют на свету. При этом освещенные участки светочувствительного слоя делаются нерастворимыми в воде, а неосвещенные — остаются растворимыми. Экспонированную пластину проявляют, промывая в теплой воде, причем растворимые участки удаляются; пластину подогревают до 150° С, чтобы обеспечить прочное сцепление металла с нерастворимыми участками светочувствительного слоя.
Далее пластину помещают в ванну для химического или электрохимического травления, которое производят до тех пор, пока металл на незащищенных участках не стравится до нужной глубины (50—80 мк). В заключение химически удаляют «задубленный» светочувствительный слой, а углубления пластины заполняют окрашенной пластмассой до уровня плоскости пластины. После этих предварительных операции на пластину наносят тонкий слой никеля. Для нанесения раздели шеллачной или иной массы отпрессовываются пластинки.
В современной радиотехнической промышленности печатные схемы широко используют в радиоприемниках, телевизорах и в большом количестве других электронных приборов. «Плата» (пластина) с печатной схемой представляет собой изолированное основание, на поверхности которого расположены монтажные проводники в виде металлических полосок. Изготовление «плат» с печатным монтажом осуществляют различными путями.
Один из наиболее распространенных способов заключается в следующем. Изоляционную гетинаксовую «плату» подвергают пескоструйной обработке, так как шероховатость поверхности улучшает сцепление осаждаемого металла. Затем «плату» подвергают химическому меднению. После меднения наносят изображение схемы путем горячего тиснения сухих слоев краски или посредством перенесения резиновым валиком слоя краски с печатной формы (клише) на поверхность «платы» (способ офсетной печати). Далее следует гальваническое наращивание на участках, не покрытых краской, слоя меди толщиной 30—40 мк, который затем электрохимически серебрят.
Слои краски удаляют электрохимической обработкой в щелочном растворе, а удаление слоя химически осажденной меди с пробельных мест осуществляют в растворе персульфата аммония.
Статья на тему Гальванопластика