Принцип батареи
Гальваническая коррозия работает как батарея, которая состоит из двух электродов:
- катода, где происходит реакция восстановления
- анода, где происходит реакция окисления.
Эти два электрода погружены в проводящую жидкость, которая называется электролитом. Электролит – это обычно разбавленный кислотный раствор, например, серной кислоты, или соляной раствор, например, сульфат меди. Эти два электрода соединены снаружи электрической цепью, которая обеспечивает циркуляцию электронов. Внутри жидкости передача электрического тока происходит путем перемещения ионов. Жидкость, таким образом, обеспечивает ионное электрическое соединение (рисунок х).
на медном катоде восстанавливаются протоны Н + :
Полная реакция имеет вид:
Для работы ячейки необходимо одновременное выполнение трех условий:
- два различных металла, которые образуют два электрода;
- присутствие электролита;
- непрерывность всей электрической цепочки.
Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, например, если нарушается электрический контакт, то ячейка не будет производить электричество, и окисления на аноде не будет происходить (также как и восстановления на катоде).
Простейший гальванический элемент
Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.
Пластинка металла и вода
Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?
Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.
Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.
У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.
Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:
В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины ионов металла. На пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.
Возникает так называемый двойной электрический слой.
Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:
На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.
Пластинка металла и раствор его соли
А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO4?
В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn 2+ . Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.
Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:
Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.
Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO4?
Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же, появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu 2+ из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO4 2- и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.
Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.
Коррозия алюминия
Для коррозии алюминия характерны следующие основные типы:
- непосредственное химическое воздействие (общая коррозия);
- электрохимическая (гальваническая) коррозия;
- точечная (питтинговая) коррозия;
- щелевая коррозия и коррозия под напряжением.
В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения. Кроме того, неправильное применение алюминиевых деталей и изделий может усугублять коррозионные процессы.
Тестер — это, конечно, хорошо, но хотелось подключить к гальваническому элементу какой-то устройство, работающее от электрического тока. Например, светодиод. У коллеги оказалось сразу несколько красных светодиодов средних размеров. Но какое нужно минимально напряжение, чтобы светодиод мог светиться? Коллега сказал, что вольта два. Решили проверить: коллега подключил диод к блоку питания с регулируемым напряжением. Поднимаем напряжение — ноль эффекта. Коллега вспомнил, что светодиод — это диод (простите за каламбур), а диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Этим светодиод отличается от электрической лампы накаливания. Поменяли полярность — диод загорелся. Оказалось, что минимальное необходимое напряжение — около 1.7 В, а при 2 В диод горит гораздо ярче. Коллега загнул положительный контакт светодиода, чтобы он отличался от отрицательного. К положительному контакту светодиода следует подключить медный электрод гальванического элемента (+), к отрицательному контакту — алюминиевый (-) электрод.
Если минимальное напряжение — 1.7 В, то одного гальванического элемента медь — алюминий — щелочь
явно мало. Нужно, как минимум, два. Взял бюкс, перелил в него часть раствора едкого кали со стакана, опустил в бюкс еще одну медную и одну алюминиевую проволоку. Получилось два гальванических элемента, соединил их последовательно — см. рисунок. Подключил светодиод (соблюдая полярность!)
В бюксе электроды опущены в электролит (щелочь), в стакане — подняты над поверхностью раствора — таким образом, цепь разомкнута. Чтобы замкнуть цепь, нужно опустить электроды в стакан с едким кали, а чтобы разомкнуть цепь, достаточно поднять электроды из стакана. Единственное, алюминий в бюксе постоянно опущен в раствор щелочи — и он будет реагировать: даже тогда, когда цепь разомкнута — так что время не ждет.
Опустил электроды в стакан, — замкнув цепь из двух гальванических элементов и одного светодиода. Светодиод загорелся. Сначала более ярко, потом — более тускло. Чтобы заснять свечение на видео, пришлось погасить свет в лаборатории (сначала — частично, потом — полностью).
После съемки свечения отсоединил светодиод, подключил тестер. Оказалось, что напряжение двух соединенных последовательно гальванических элементов около 1.8 В. — Не удивительно, почему диод светил тускло. С другой стороны, напряжение в 1.8 В ровно в два раза выше, чем напряжение единичного гальванического элемента медь — цинк — щелочь
в прошлом опыте (0.9 В).
Техника рафинирования алюминия
Сила тока, применяемая в современных электролизерах для рафинирования алюминия, достигает 75 кА. Плотность тока, практически одинаковая для анода и катода, зависит от мощности электролизера: чем она больше, тем меньше плотность тока, что вытекает теплового равновесия электролизера. Для современных электролизеров большой мощности она составляет 0,50—0,60 А/см2.
Анодная часть электролизера (рис. 65) по конструкции напоминает катодный узел электролизера для получения первичного алюминия. В стальном кожухе смонтирована подина, состоящая из угольных блоков, ток к которым подводится с помощью стальных стержней, залитых чугуном. Боковые стороны рабочего пространства выполнены из магнезитового кирпича, который слабо растворяется в электролите. Угольная футеровка боковых стенок не может быть применена, поскольку через нее может произойти замыкание анода и катода.
Для уменьшения загрязнения электролита и катодного металла процесс ведут таким образом, что на поверхности боковой футеровки образуется слой гарниссажа из электролита. Глубина шахты составляет 700-900 мм. Теплоизолирующая футеровка боковых стенок и подины выполнена из шамотного кирпича.
Для увеличения теплового сопротивления между шамотом и внутренними стенками кожуха выложен слой асбеста. В одном из торцов электролизера имеется загрузочный карман, представляющий собой трубу из графитированного угольного материала, соединенную с шахтой электролизера горизонтальным каналом, проходящим на уровне подины. Сверху карман закрывается крышкой.
Катодная часть электролизера — это катоды, с помощью которых подводится ток к слою чистого алюминия. Катоды состоят из графитированных цилиндрических электродов диаметром 500 мм и высотой 360 мм, с боков и сверху залитых слоем алюминия («рубашка») толщиной 50 мм для предохранения графита от окисления. Ток к катодам подводится по стальным цилиндрическим ниппелям, залитым чугуном. Соединение ниппеля с алюминиевой штангой болтовое или (более совершенное)—сварное. Катоды расположены в два ряда, число их зависит от мощности электролизера.
Алюминиевые штанги катодов крепятся к катодным алюминиевым шинам эксцентриковыми зажимами. Шины связаны со стальными балками и образуют вместе с ними подвижную раму, которая соединена через домкраты с неподвижной металлоконструкцией, укрепленной на кожухе. Домкраты вместе с редукторами и электромоторами составляют механизм подъема катодной рамы.
Между рядами катодов установлена алюминиевая крышка в виде свода. Пространство между этим сводом и кожухом ванны, над катодами также закрыто съемными алюминиевыми крышками. Такое укрытие электролизера обеспечивает достаточно полное удаление вредностей и уменьшение потерь тепла через верх электролизера.
Электролизеры для рафинирования устанавливают в корпусах, аналогичных корпусам для получения первичного металла, обычно в два ряда и соединяют последовательно. Транспортное, вентиляционное и другое оборудование также подобно соответствующему оборудованию в корпусах электролиза первичного металла. В плане цеха корпус для рафинирования располагают параллельно другим корпусам и соединяют с ними единым транспортным проездом.
Исходные соли для подготовки электролита предварительно высушивают для уменьшения гидролиза и шламообразования при плавлении, а затем расплавляют в специально выделенных электролизерах— ваннах-матках. Температура на этих электролизерах выше обычной, напряжение поддерживается 10—12 В. Катодные токоподводы не имеют алюминиевых «рубашек». Соли насыпают на слой катодного алюминия, и по мере расплавления они стекают под слой алюминия — в электролит. Таким образом удается уменьшить гидролиз солей и потери за счет испарения.
Наплавление происходит в течение нескольких, часов, затем дают выдержку 4— 5 ч, в течение которой происходит электрохимическая очистка электролита от примесей железа и кремния. Кроме того, в течение этого времени шлам отстаивается и собирается на поверхности анодного сплава. Готовый электролит извлекают из ванны-матки вакуум-ковшом и переливают в пусковой электролизер или в работающие электролизеры для поддержания уровня электролита. Анодный сплав также готовят в ваннах-матках, для чего первичный алюминий заливают в загрузочный карман ванны и вводят в нее чистую электролитную медь через слой электролита после удаления катодного алюминия.
Для пуска электролизеров анодный сплав содержит меди 50% (по массе). Подина смонтированного электролизера должна быть тщательно прогрета для того, чтобы подовая масса, которой набиты швы между блоками, успела скоксоваться. Подину прогревают форсунками, питаемыми соляровым маслом. Подъем температуры подины должен быть постепенным во избежание растрескивания футеровки; подину прогревают обычно в течение 2 сут.
На прогретую подину устанавливают катоды, которые также предварительно подогревают, и заливают анодный сплав, что создает электрический контакт между подиной и катодами. После этого ванну включают в электрическую цепь, заливают еще анодный сплав и электролит из ванны-матки и катоды поднимают в электролит с тем, чтобы напряжение на электролизере было 10÷ 15 В.
После того, как ванна достаточно прогреется (через 2÷3 ч) и температура электролита достигнет 750—800 °С, на поверхность электролита заливают слой первичного алюминия. По мере дальнейшей работы электролизера происходит пропитка футеровки электролитом, слой его уменьшается и напряжение постепенно падает в течение 2 сут от 10 до 6—7 В. За это время происходит достаточно полная электрохимическая очистка электролита от примесей.
Затем катоды погружают ниже слоя алюминия, чтобы они пропитывались электролитом. Такие пусковые катоды не имеют защитной «рубашки». По истечении 2 сут катодный металл откачивают вакуум-ковшом, очищают электролит от шлама, затем дополнительно прорабатывают электролит электрохимически и если получается достаточно чистый алюминий, на поверхность электролита заливают слой АВЧ, катоды заменяют на защищенные алюминием, и постепенно электролизер вводят в нормальный режим по напряжению и температуре.
Обслуживание электролизеров при нормальной работе сводится к следующим операциям.
Выливку катодного металла производят один раз в двое суток с помощью вакуум-ковша. Но в отличие от ковшей, применяемых при выливке первичного алюминия, всасывающая труба имеет на конце патрубок, представляющий собой графитовый стакан, у дна которого имеются радиальные отверстия, через которые поступает металл в ковш.
При выливке в слое алюминия создают горизонтальные потоки чтобы избежать волнения катодного АВЧ и смешения его с анодным сплавом. Перед выливкой с поверхности алюминия снимают «корочки», содержащие электролит, обогащенный алюминием и оксидом алюминия.
После выливки АВЧ, если необходимо, корректируют электролит, заливая расплав солей из ванн-матки. Расплав подают на ванну в ковше и осторожно заливают через графитовый стакан, имеющий радиальные отверстия у дна, чтобы струи электролита двигались параллельно поверхности электродов. Затем заливают первичный алюминий в анодный сплав: алюминий из вакуум-ковша тонкой струей подают в загрузочный карман, при этом металл в кармане энергично перемешивают специальной пневматической мешалкой, дающей возвратно-поступательное движение графитовому наконечнику, имеющему винтовую резьбу.
Если не производить перемешивания, то возникает опасность загрязнения катодного алюминия анодным сплавом. Дело в том, что плотность заливаемого алюминия много ниже не только анодного сплава, но и электролита. При заливке без перемешивания струя алюминия может не успеть смешаться с анодным сплавом и алюминий может попасть в электролит, а из него в катодный металл.
Обслуживание катодов состоит в проверке равномерности распределения тока по ним и регулировании их положения. Раз в 15 сут каждый катод извлекают и очищают от наростов электролита и карбидов, приставших к рабочей поверхности.
Осадки интерметаллических соединений в более холодном кармане начинают выделяться не сразу после пуска, а спустя несколько месяцев, когда в анодном сплаве накопится железо и кремний в достаточно высоких концентрациях. Осадки извлекают шумовками или специальными центрифугами (Гульдин с сотр.) и перерабатывают в ваннах, идущих на капитальный ремонт.
В этих ваннах алюминий из осадков электрохимически растворяется, а на аноде остается сплав, обогащенный медью, железом, кремнием и галлием. После демонтажа плиту такого сплава направляют на предприятия вторичной цветной металлургии.
При работе ванны боковая футеровка обрастает гарниссажем из глинозема и фторида бария, пропитанных электролитом и металлом. Чем чаще колебания уровня металла и электролита, тем больше образуется гарниссажа. Большой слой гарниссажа приводит к уменьшению площади электролита, повышению фактической плотности тока и перегреву ванны, а также к затруднениям в обслуживании катодов.
Поэтому не реже одного раза в год производят обрубку гарниссажа, для чего из ванны удаляют катодный металл, катоды опускают до замыкания с анодным сплавом, гар-ниссаж обрубают отбойными молотками и удаляют шумовками. После осмотра состояния боковой футеровки заливают слой первичного алюминия на поверхности электролита и производят проработку электролита так же, как и после пуска ванны.
Нарушения нормального хода электролиза вызываются в основном отклонениями от температурного режима. Горячий ход вызывается повышенным уровнем электролита (т. е. высоким между-лолюсным расстоянием) и загрязнением электролита шламом. Повышение температуры электролита выше 810 °С приводит к энергичному испарению солей, изменению состава электролита, быстрому шламообразованию.
Осадок шлама на поверхности анодного сплава вызывает повышение фактической плотности тока, что может привести к совместному растворению, наряду с алюминием, железа и кремния, а значит, к понижению сортности катодного металла. Для устранения горячего хода часть электролита сливают и очищают оставшийся электролит от шлама.
Холодный ход связан с малым уровнем электролита и повышенными потерями тепла, вызванными чрезмерно большими уровнями катодного металла или анодного сплава. Эти слои металлов отличаются высокой теплопроводностью и в значительной мере определяют теплоотвод от центра ванны к боковой футеровке. Холодный ход ликвидируют восстановлением оптимальных уровней электролита, анодного сплава и катодного алюминия.
Вопрос об этих оптимальных уровнях очень важен. Так, высота анодного сплава в определенной мере определяет качество АВЧ. Если она мала, то увеличивается вероятность «проскока» алюминия при заливке через слой анодного сплава в электролит загрязнения катодного алюминия. Чрезмерно большой слой анодного сплава невыгоден не только вследствие увеличения теплопотерь, но и из-за большого незавершенного производства меди и алюминия. Считается нормальной высота анодного сплава 25—35 см (верхний предел после заливки алюминия).
Уровень электролита определяет при данной плотности тока тепловое состояние электролизера. Обычно уровни электролита составляют 12—15 см. Казалось бы, здесь имеются значительные резервы для интенсификации процесса путем уменьшения слоя электролита (т. е. междуполюсного расстояния) и соответственного увеличения плотности тока при сохранении оптимальной температуры электролита.
Однако на этом пути имеются трудности, связанные с наблюдаемыми «перекосами» поверхности анодного сплава и электролита, с волнением катодного алюминия. Кроме того, в электролите имеются взвешенные частицы оксидов окси-хлоридов алюминия, бария и других металлов, содержащие значительное количество примесей. Эти взвеси в большой мере концентрируются около поверхности анода и уменьшение междуполюсного расстояния увеличивает вероятность попадания их в католит и в катодный металл.
Для снижения напряжения на ваннах и повышения энергетических показателей нашли широкое применение теплоизоляционные своды, устанавливаемые под поверхностью катодного металла между рядами катодов. Таким путем удается снизить напряжение на 0,25—0,50 В.
Уровень катодного алюминия» составляет (до выливки) 16 см, после выливки снижается до 12 см. Такая толщина слоя металла обеспечивает возможность нормальной работы катодов: они должны быть погружены в металл не менее чем на 4 см, но подошва катодов не должна выходить в электролит, иначе на угольной поверхности начнется энергичное образование карбидов и контакт с алюминием будет ухудшаться. Кроме того, слишком тонкий слой АВЧ (менее 12 см) вызывает затруднения при выливке.
Энергетические балансы электролизеров алюминия
В табл. 12 приведен электрический баланс, снятый на одном из электролизеров (данные ВАМИ) при следующих технологических параметрах:
Сила тока, кА 75
Уровень электролита, см 13
Температура электролита, °С 812
Плотность тока в электролите, А/см2 — 0,57
Падение напряжения на участке катод — анодный сплав включает э.д.с поляризации, которую обычно принимают равной 0,370 В. Греющее напряжение состоит из всех видов падения напряжения внутри электролизера, в том числе и из э.д.с. концентрационной цепи (вызвана разностью между активностями алюминия на аноде на катоде).
Казалось бы, это неправильно и общий приход энергии должен быть уменьшен на энтальпию переноса алюминия из анодного сплава в катодный металл; следовательно, должна быть поправка на эту величину и в греющем напряжении. На самом деле это не так: в электролизер заливают первичный алюминий,, при взаимодействии алюминия с компонентами анодного сплава выделяется энергия, практически равная изменению энтальпии, переноса алюминия из анода в катод.
Энергетический баланс составлен для того же электролизера в тех же условиях, для которых составлялся электрический баланс (табл. 13).
Как следует из данных табл. 13, основная доля потерь тепла приходится на укрытие электролизера сверху, что объясняется особенностями теплообмена с окружающей средой: укрытие пред-
Таблица 13. Энергетический баланс электролизера для рафинирования алюминия (ВАМИ)
ставляет собой выгнутую пластину, тепловой поток с которой направлен вверх, отчего усиливаются конвективные потоки. Энергичный теплоотвод вверх вызывается также катодами, имеющими толстые алюминиевые «рубашки» с высокой теплопроводностью.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ
Общие сведения процесса рафинирования
Алюминий высокой чистоты (АВЧ) с содержанием металла 99,995—99,95% обладает рядом ценных свойств по сравнению с металлом технической чистоты: с повышением чистоты возрастает электропроводимость алюминия, пластичность, отражательная способность, что связано в основном с укрупнением зерен металла.
Наиболее ценным свойством- АВЧ является повышенная коррозионная стойкость: в 10 раз выше, чем алюминия технической чистоты. Особенно сильно влияют на коррозионную стойкость алюминия примеси железа и меди.
Указанные свойства АВЧ определяют области его применения. В электротехнической промышленности он применяется для изготовления оболочек кабелей вместо свинца и для производства электролитических конденсаторов в виде фольги, в пищевой промышленности — для производства упаковочной фольги, поскольку АВЧ стоек против действия молочной, лимонной и других органических кислот.
Широко применяется АВЧ также для изготовления тары под пищевые продукты. В химической промышленности АВЧ используется для производства различной аппаратуры, в том числе для хранения и транспортировки азотной кислоты.
Для получения металла высокой чистоты в промышленности принят метод трехслойного рафинирования, разработанный Бетсом и Гадо, а у нас в стране —В. М. Гуськовым.
В электролизере имеется три слоя: нижний слой — анодный сплав плотностью 3,2—3,5 г/см3 состоящий из первичного алюминия с 30—40% Сu; над ним — слой электролита, состоящего из смеси фторидов алюминия и натрия (отвечающего по составу хиолиту) и утяжелителя — хлорида бария и хлорида натрия плотностью около 2,7 г/см3; на поверхности электролита находится слой чистого алюминия плотностью 2,3 г/см3— катод.
Процесс ведут при температуре электролита 760— 810°С. На аноде происходит растворение алюминия и примесей более электроотрицательных, чем алюминий — натрия, кальция и др. Основные примеси, содержащиеся в первичном алюминии — железо, кремний, как и медь, являются более электроположительными, чем алюминий, и накапливаются в анодном сплаве. На катоде катионы алюминия восстанавливаются, а примеси натрия и других электроотрицательных металлов остаются в виде ионов в электролите.
Рис. 2. Электролизер для рафинирования алюминия: а- продольный разрез, б- поперечный разрез: 1-стальной стержень; 2— угольный блок; 3 —футеровка (шамот); 4 — кожух- 5 — загрузочный карман (графит); 6 _ футеровка (магнезит); 7 — катод; 8 — катодна штан-га; 9-металлоконструкция; 10 — катодная рама; 11-подъемный механизм; 12 — крышки катодные стационарные; 13 — катодная шина 14-крышки катодные съёмные; 15— эксцентриковый зажим; 16 — анодная шина
Слой анодного сплава сообщается с карманом в боковой футеровке. Через этот карман идет питание анодного сплава техническим алюминием. По мере накопления примесей в анодном сплаве происходит их диффузия в карман, где температура на 30 °С ниже, чем в аноде. Примеси железа и кремния образуют с алюминием и медью ряд интерметаллидов, которые при охлаждении в кармане выпадают в виде твердых’ осадков, и время от времени их из кармана извлекают. Таким образом, содержание примесей в анодном сплаве поддерживается на определенном уровне и обеспечивается непрерывность процесса.
Электрохимическая коррозия алюминия
Наиболее частые ошибки проектирования алюминиевых конструкций связаны с гальванической коррозией. Гальваническая или электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который (ток) и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла из этой пары.
Применение анодирования
Применение анодирования — это тема отдельной статьи, в любой отрасли где в той или иной мере используются изделия из алюминия или его сплавов и требуется изменение каких-либо качеств металла анодирование является оптимальным и зачатую единственным решением.
Приведем перечень основных областей применения анодирования:
- Тонкие окисные пленки используются в качестве основы для нанесения органических и неорганических покрытий (краски или лака).
- Цветное анодирование. Применение различных окрашивающих электролитов позволяет получить широкую гамму оттенков и цветов поверхности алюминиевого изделия. В качестве добавок используются соли никеля, кобальта или олова. Получаемые оттенки от светло-бронзового до черного.
- Повышение износостойкости. Оксидные покрытия на алюминии значительно тверже основного металла. Твердое анодирование широко применяется для деталей, работающих на истирание при небольшой нагрузке, а также для повышения коррозионной стойкости изделий.
- Электрическая изоляция. Оксидная пленка по сравнению с органическими изоляционными материалами обладает не только высокими изоляционными свойствами, но и обладает значительно большей теплостойкостью.
- Получение уплотненной поверхности с высокими антифрикционными свойствами. (смазочное покрытие).
Анодирование в щавелевой кислоте
В растворе щавелевой кислоты получают пленки желтого оттенка, обладающие высокой износостойкостью. Этот метод один из первых открытых способов получения цветного покрытия. Износостойкость покрытия при истирании в два раза выше, чем при анодировании в серной кислоте. В процессе анодирования в щавелевой кислоте наряду с постоянным током с напряжением 30-60 вольт, используют режимы с переменным током. Для получения равномерного желтого или бронзового оттенка раствор интенсивно перемешивают. В остальном данный процесс не отличается от анодирования в серной кислоте. В качестве катодов могут быть использованы различные металлы – железо, свинец, нержавеющая сталь.
Другие растворы анодирования
В некоторых случаях используются электролиты, в которых оксидная пленка алюминия не растворяется – так называемые электролиты барьерного типа. С использованием растворов анодирования содержащих борную кислоту, виннокислый аммоний, борат аммония получают покрытия на деталях, использующихся в электроприборах (электролитических конденсаторах). Например, при обработке в растворе с боратом аммония получают пленки, имеющие пробивное напряжение 550 вольт. Также, данные виды электролитов используются при анодировании алюминия, осажденного в вакууме.
Алюминиевые детали, обработка которых подразумевает нанесение гальванического покрытия после анодирования обрабатывают в растворе, содержащем 25-30% фосфорной кислоты. Получаемые пленки имеют толщину до 6 мк., что связано с высокой растворимостью алюминия в фосфорной кислоте. Процесс проводят при цеховой температуре, плотности тока 10-20 а/мм 2 и напряжении 30-60 вольт в течение 10-15 минут.
Твердые пленки золотистого, коричневого или черного цветов получают при использовании раствора, содержащего 40-100 г/л сульфосалициловой кислоты и 30-60 г/л серной кислоты при температуре 30 0 С, плотности тока 2,5-3,5 а/дм 2 и напряжении до 80 вольт.
СХЕМА РАБОТЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ
Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.
Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.
Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.
Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним, рассматриваются в данной статье.
Разновидности и особенности применения кабелей из алюминия
Силовые кабели с алюминиевой жилой, предлагаемые МТД «Энергорегионкомплект», служат для передачи и распределения электроэнергии в стационарных установках. Рассмотрим наиболее популярные разновидности таких кабелей и особенности их применения.
— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, небронированный. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях.
— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, небронированный с медным экраном под оболочкой. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях, в местах где к кабелю предъявляются более высокие требования к защите от электромагнитных помех.
— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, бронированный стальными оцинкованными лентами, с защитным шлангом из ПВХ пластиката. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях, для прокладки в земле. В случаях, когда к кабелю предъявляются более высокие требования его сохранности от механических повреждений при монтаже и эксплуатации.
— кабель с алюминиевыми жилами, с изоляцией из сшитого полиэтилена, бронированный стальными оцинкованными лентами, с защитным шлангом из ПВХ пластиката. Применяется так же, как и кабель АВБШв, но в отличии от кабелей с ПВХ изоляцией имеет более высокую (+900С) допустимую температуру нагрева жил.
Электрооборудование, свет, освещение
В защите от ржавчины и коррозии нуждается каждый металл, в том числе и алюминий, который очень часто используется обывателями в домашних условиях. Если создать на поверхности алюминия плотную и толстую окисную пленку, этого будет вполне достаточно для торможения дальнейшей коррозии, что получается в процессе проведения анодирования алюминия. Самые механически прочные и стойкие пленки получаются при низкотемпературном тонкослойном анодировании алюминия, чем вы и будете заниматься.
Вопросы безопасности
Провести качественно анодирование в домашних условиях — несложно. Безопаснее и удобнее заниматься данной работой на улице или балконе. В ходе процесса вас ждет несколько опасных для здоровья моментов.
Кислота является очень едкой штукой. Хотя она и находится в сильно разбавленном виде и вызывает при попадании на кожу всего лишь слабый зуд, но если она попадет в глаза — может спровоцировать серьезнейшие травмы! Потому желательно при анодировании стали работать в защитных очках и под рукой всегда иметь ведро с водой или слабым содовым раствором.
Во время процедуры анодирования совершается выделение на аноде кислорода, а на катоде — водорода. После смешивания этих газов они образуют известный гремучий газ, который, в принципе, является тем же динамитом. Поэтому при анодировании в закрытом помещении можно погибнуть от первой искры.
Подготовительные работы
Помните, что детали после анодирования становятся больше по размерам. Толщина защитного анодного слоя обычно составляет 0,05 миллиметров. К примеру, резьбы, что раньше закручивались впритирку, после процесса анодирования вообще перестанут закручиваться, так как болту в гайке в этом случае станет теснее на 0,2 миллиметра. А шлифовать анодированную практически невозможно.
Полезно отполировать изделия до зеркального блеска на полировочном кругу. Таким образом, сильно выиграет эстетика детали и снизится вероятность при анодировании «прогара». К слову сказать, анодный слой не маскирует дефекты поверхности — они будут заметны и на обработанном изделии.
Перед гальваникой алюминий нужно хорошо обезжирить. Не стоит держать металл в горячем едком натрии или калии, как это рекомендуется в заводских технологиях, потому что заметно портится чистота поверхности. Лучше использовать кусок хозяйственного мыла и зубную щетку, ведь вам предстоит работать с мелкими деталями. Сначала промойте изделие в теплой воде, затем в холодной.
Очень эффективно действует стиральный порошок: его нужно растворить в горячей воде в пластиковой емкости. Затем следует высыпать туда изделия и хорошо потрясти посудину. После промывки тщательно высушите детали горячим воздухом. Не переживайте за мелкие следы жира: после обезжиривания изделие в руки брать можно, потому что слой жира с пальцев окисляется кислородом моментально.
Изготовление электролита
Электролитом для анодирования в домашних условиях служит раствор в дистиллированной воде серной кислоты. Можно использовать и обычную воду из крана, но если можете взять дистиллированную – лучше выбрать её, так как в первом случае немного портится равномерность процесса — распределение на поверхности детали плотности тока.
Серную кислоту глупо делать самостоятельно, а вот дистиллированную воду — очень просто! Если на улице нет снега или дождя, то лед в морозильнике найдется всегда. Добыть дистиллированную воду и серную кислоту можно в местном автомагазине запчастей, ведь эти ингредиенты применяются с целью обслуживания аккумуляторов автомобилей.
Однако там продается кислота в разбавленном виде до плотности 1,27 грамм на сантиметр кубический под названием «Электролит для свинцового аккумулятора». Вам нужно этот электролит смешать с дистиллированной водой в пропорции 1:1.
Если вы возьмете стандартную 5-литровую канистру с электролитом и столько же воды, то в результате вы получите 10 литров раствора для анодирования. Этого хватит для мелких деталей, а для крупных стоит удвоить это количество.
Помните, что при смешивании кислоты с водой будет выделяться много тепла. Если налить воду в кислоту, она моментально вскипит, брызгая в лицо! Именно поэтому рекомендуется лить электролит в емкость с водой тонкой струей, постоянно помешивая стеклянной палочкой. И лучше одеть защитные очки! При попадании кислоты на одежду или кожу следует её немедленно смыть струей воды и промыть раствором соды.
Режимы обработки
Температура процесса анодирования металла составляет -10 — +10 градусов Цельсия. Растущий слой ниже -10 вполне хорош, однако не хватит напряжения, которое выдается блоком питания, для поддержания необходимой силы тока. Выше +10 градусов защитная пленка хоть и будет формироваться, но она получится нетвердой и бесцветной.
Однако рекомендуется прекращать процесс анодирования уже при 5 градусах выше нуля. А дело вот в чем, в углу ванны и на поверхности детали наблюдается разная температура, а при анодировании выделяется много энергии в виде тепла.
Но если не обеспечено принудительное перемешивание електролита, нельзя верить термометру! Однако перемешивать электролит стоит постоянно, ложкой, воздухом, насосом, это нужно для выравнивания температуры на поверхности изделия из алюминия. Иначе на детали образуются участки местного перегрева, а затем — пробои и растрав детали.
Анодная плотность тока должна находиться в пределе 1,6 — 4 Ампер на квадратный дециметр. В таких пределах будет нарастать красивый, окрашенный и плотный защитный анодный слой. Лучше всего додерживаться плотности тока от 2 до 2,2 Ампера/дм2. При меньшей силе тока покрытие будет расти медленно нетолстое. При большей силе тока, чем 4 Ампера/дм2 может возникнуть электрический пробой, и изделие будет быстро растравливаться.
Катодная плотность тока должна быть низкой. Чем ниже этот показатель, тем лучше, потому что это обеспечивает равномерный и мягкий режим распределения плотности тока по поверхности обрабатываемой детали, особенно если она большая. Поэтому запомните, что площадь катода из свинца должна быть в два раза больше площади детали (анода).
Процесс анодирования алюминиевого профиля не оговаривает значения напряжения анод-катод. Однако если ваша цепь имеет ненулевое сопротивление, то нужен приличный вольтаж блока питания. Причем желательно, чтобы вы использовали блок питания с несколькими выходными напряжениями. И вот почему.
Защитный слой, который растет на изделии, диэлектрик. По мере его возрастания постоянно растет его электрическое сопротивление. Чтобы поддерживать требуемую плотность тока, на протяжении всего процесса необходимо регулировать несколько раз силу тока при помощи переменного резистора.
Однако напряжения может не хватить, когда анодный слой станет достаточно толстым. В этом случае нужно добавить напряжения. Поэтому блок питания должен обеспечить на выходе хотя бы два напряжения.
Ванна для анодирования
Перед работой необходимо подготовить оборудование для анодирования. Обычно требуется несколько ванн: для обработки маленьких деталей, недлинных и длинных изделий. Они должны быть из алюминия. Подходящим вариантом также является полиэтилен. В качестве маленькой емкости можно использовать пищевой контейнер или длинный цветочный пластиковый горшок.
Дно и стенки пластиковой ванны желательно покрыть листами алюминия. Можно из листа алюминия вырезать выкройку и согнуть импровизированную «емкость». Смысл этого заключается в обеспечении равномерной плотности тока со всех сторон изделия.
Ванна должна отличаться хорошей теплоизоляцией корпуса, иначе в противном случае электролит будет в ней нагреваться слишком быстро, и его придется чаще менять. Самым простым решением станет оклейка ванны толстым слоем пенопласта – 2-4 сантиметра. Также можете закрепить ванну внутри коробки и промежуток залить строительной пеной.
После этого следует изготовить для ванны свинцовый катод. Его можно сделать из листового свинца, сняв последний с толстых электрокабелей. Напомним, что площадь катода должна в два раза превышать площадь поверхности обрабатываемого изделия. При этом не учитывается поверхность катода, которая прислонена к стенке. В катодной пластине должны присутствовать отверстия для выхода газа.
Вы можете собрать катод из нескольких кусков свинца, если нет одного. Куски рекомендуется паять мощным паяльником, толстым швом вдоль стыков. Постарайтесь, чтобы катод повторял конфигурацию поверхности детали, обращенной к нему. Вывод из ванны контакта выполните полоской того же материала. Хотя также принято использовать и толстый медный провод в изоляции. Место припайки изолируйте силиконовым герметиком.
Процесс анодирования
Итак, в пластиковую ванну вы залили электролит, на выходе имеется блок питания с током. Для регулирования силы тока к цепи при анодировании титана или алюминия подключите проволочный переменный резистор. В емкости находятся 2 предмета: свинцовый катод в виде пластины и анод – обрабатываемое изделие. При подаче на них тока происходит выделение кислорода и начинает расти анодный защитный слой.
При создании качественного электрического контакта между свинцом и деталью вы будете наблюдать микропузырьки кислорода, что медленно поднимаются со всей поверхности изделия. Их диаметр крайне мал, их течение напоминает струйки дыма. Длительность процесса стоит контролировать визуально — по окрасу детали.
Для мелких деталей она составляет 20-30 минут, для больших изделий — час-полтора. После того, как деталь полностью покроется налетом серо-голубого цвета, её следует достать из ванной, вымыть под струей холодной воды и протереть ваткой, что смочена в крепком марганцовом растворе, для удаления побочных продуктов реакции. Поверхность должна быть блестящей, светло-серой, гладкой.
После процесса анодирования дома некоторые изделия приобретают темно-матовый оттенок, все зависит от режима анодирования. Для окраски анодированных изделий погрузите их в раствор анилинового красителя, что подогрет до 50—60 градусов по Цельсию. Перед работой раствор профильтруйте, потому что мелкие крупинки нерастворившегося красителя способны образовывать на поверхности металла пятна. Интенсивность окраски обычно составляет не больше 15—20 минут.
После того, как деталь приобрела красивый оттенок и твердый, не рыхлый защитный слой, необходимо его зафиксировать. Дело в том, что это покрытие на микроуровне имеет пористую структуру, которая является проницаемой для воздуха и воды. Такой слой металл хорошо защищает от механических повреждений, но слаб против химического.
Существует несколько методов, которые помогают закрыться микропорам. Самый простой – проварить после анодирования детали в кастрюле в воде в течение полчаса. Лучше использовать дистиллированную воду. Также детали можно подержать на паровой бане, также на протяжении получаса.
Вы уже знаете, что существует несколько технологий анодирования алюминия и деталей из него. Они отличаются условиями рабочего процесса, а если быть конкретнее – то температурой електролита, которая является основным фактором, который влияет на качество анодного защитного слоя. В домашних условиях предпочтительнее выбрать вариант холодного анодирования, ведь в этом случае покрытие получается качестве и толще, а деталь приобретает красивый оттенок и блеск.
Снятие анодных покрытий
Удалить некачественное анодное покрытие можно только со всей поверхности изделия, частичное восстановление пленки в большинстве случаев невозможно. Покрытие, как правило снимают в растворах, содержащих едкие щелочи. Процесс проходит под строгим контролем основных режимов, т. к. такие растворы обладают высокой степенью воздействия на основной металл. Классическим и менее всего воздействующим на поверхность алюминия признают раствор, содержащий 35 мл/л фосфорной кислоты и 20 г/мл хромовой кислоты. Обработка проходит в течение 1-10 мин, в зависимости от толщины пленки при температуре 95-100 0 С. для снятия твердых анодных покрытий используют указанный раствор с повышенной два раза концентрацией, при этом поверхность алюминиевых сплавов, содержащих медь может окрашиваться в серый или черный цвет.
Повторная обработка изделий после удаления анодной пленки возможна после оценки состояния поверхности изделия, если чистота поверхности достаточна для нанесения покрытия и полирование не требуется, можно приступать к процессу незамедлительно.
Следует отметить, что при обработке деталей для которых необходимо точное соблюдение первоначальных размеров потребуется повторное анодирование с нанесением пленки большей толщины, чем была первоначально. Это связано с тем, что при снятии и повторном нанесении покрытия потери могут составлять от половина до двух третей первоначальной толщины пленки.
Куда течет ток или где же этот чертов катод?
Есть вещи, которые хочется, что называется «развидеть» — термин вполне устоявшийся и понятный.
— Евгений Гришковец, рассказывает про железнодорожников. (с) Спектакль «Одновременно»
А есть вещи которые, ну никак не получается запомнить. Это возникает от того, что новое понятие не может однозначно зацепиться за уже известные факты в сознании, никак не получается построить новую связь в семантической сети фактов.
Все знают, что у диода есть катод и анод. Все знают, как диод обозначается на электрической схеме. Но далеко не все могут правильно сказать, где же на схеме что.
Под спойлером картинка, посмотрев на которую, вы навсегда запомните, где у диода анод, а где катод. Должен предупредить, развидеть это не получится, так что тот, кто не уверен в себе, пусть не открывает.
Да, вот так все просто. Буква К — это катод, буква А — это анод. Извините, теперь и вы это никогда не забудете.
Продолжим, и разберемся куда течет ток. Если приглядеться, обозначение диода представляет собой стрелку. Вот, не поверите — ток течет именно туда, куда показывает стрелка! Что логично, не правда ли? Дальше больше — ток течет «Аткуда» (от Анода) и «Куда» (к Катоду). В обозначениях транзисторов тоже есть стрелки, и они так же обозначают направление тока.
Ток — направленное движение заряженных частиц — это мы все знаем из школьной физики. Каких частиц? Да, любых заряженных! Это могут быть и электроны несущие отрицательный заряд и обделенные электронами частицы — атомы или молекулы, в растворах и плазме — ионы, в полупроводниках — «свободные электроны» или вообще «дырки», что бы это не значило. Так вот, во всем этом зоопарке проще всего разобраться так: ток течет от плюса к минусу, и все. Запомнить это очень просто: «плюс» — интуитивно — это там где чего-то «больше», больше в данном случае зарядов (еще раз — не важно каких!) и текут они в сторону «минуса», где их мало и ждут. Все остальные подробности, непринципиальны.
Ну, и последнее — батарейка. Обозначение тоже всем известно, две палочки подлинней потоньше и покороче потолще. Так вот покороче и потолще символизирует собой минус — эдакий «жирный минус» — как в школе, помните: «ставлю тебе четыре с жирным минусом». Я только так и запомнил, возможно, кто-то предложит вариант лучше.
Теперь, вы без труда ответите на вопрос, загорится ли лампочка в этой схеме:
Всех с 1 апреля! Улыбайтесь, господа. Улыбайтесь!
Пример недопустимых гальванических пар
Гальваническое действие может возникнуть, если строительную конструкцию из нержавеющей стали скреплять оцинкованными болтами. В этой нежелательной паре пострадает высоко анодный крепеж, поскольку его электроны будут перемещаться в направлении катодной нержавеющей стали. Поэтому, крепежные детали должны быть изготовлены из менее гальванически активного металла, чем материал металлоконструкции.
На скорость течения гальванокоррозии оказывает влияние площадь поверхности анода и катода. Если большой по размеру анод соединить с маленьким катодом, то анод будет ржаветь медленно, а если сделать наоборот, то быстро. Например, используйте болты из нержавеющей стали для крепления алюминия, но не наоборот.
Степень интенсивности протекания контактной коррозии зависит и от условий эксплуатации соединения. В обычных атмосферных условиях процесс будет протекать менее быстро и возрастает в агрессивной электропроводной среде, например, растворах кислот и щелочей. Присутствие в воде других веществ увеличивает проводимость электролита и скорость коррозии. Поэтому при проектировании конструкций важна оценка окружающей среды.
Типовые задачи на схему гальванического элемента
По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.
Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:
Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:
Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.
Контактная коррозия происходит при непосредственном контакте двух разнородных металлов. Нельзя, к примеру, соединять алюминиевые листы медной заклепкой, так как при определенных условиях они образуют сильную гальваническую пару. Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод).
Почти все пары разнородных металлов, находящиеся в контакте между собой, подвержены коррозии, так как даже влага из воздуха может выступить в роли электролита и активировать их электродный потенциал. Но одни пары уязвимы в большей степени, а другие – в меньшей.
Например, алюминий отлично контактирует с оцинкованной сталью, хромом и цинком, а латунь совершенно не «дружит» со сталью, алюминием и цинком. Чтобы узнать, какие металлы совместимы, а какие нет, обратимся к основам химии.
В ряду электрохимической активности металлы стоят в следующей последовательности:
Для примера рассмотрим пару алюминий – медь. Алюминий стоит в ряду слева от водорода и имеет электроотрицательный потенциал равный -1.7В, а медь находится справа и имеет положительный потенциал +0.4В. Большая разница потенциалов приводит к разрушению более активного алюминия. Медь сильнее всех, впереди стоящих элементов, поэтому в паре с любым из них она выйдет победителем. Чем дальше друг от друга в ряду стоят элементы, тем выше их несовместимость и вероятность протекания гальванической коррозии.
Данные о совместимости некоторых металлов представлены в таблице:
– абсолютно допустимые контакты (низкий риск ГК);О – ограничено допустимые контакты (средний риск ГК);Н – недопустимые контакты (высокий риск ГК).
Способы анодирования алюминия в промышленности и быту
Анодирование алюминия – процесс улучшения стойкости металла к окислению и получения более однородной поверхности. Рассмотрим существующие виды процесса получения анодированного алюминия и способы проведения в домашних условиях.
Алюминий относится к мягким металлам, которые легко поддаются обработке. В этом смысле он очень хорош для изготовления разных изделий, чем во многом объясняется его популярность. Кроме положительных сторон, есть один существенный недостаток металла – он очень быстро поддается окислению. Тонкая пленка на его поверхности серьезно мешает процессу покраски изделия, а неокрашенный металл выглядит малопривлекательным. Решить задачу можно, применяя анодирование алюминия.
Вся проблема естественно образованной оксидной пленки, которая, в принципе, защищает металл от дальнейшего разрушения, в том, что она хрупкая и легко счищается. Анодирование способствует наращиванию прочной оксидной пленки и ее закреплению на алюминии. После этого металл можно красить, лакировать, и эти покрытия будут стойко держаться на поверхности деталей.
