Электронная почта
пн - пт: с 9:00 - 17:00
Сделать заказ
Назад в меню
Фазлутдинов К.К.
05.05.2020 (обновленно 11.05.2021)
4636 просмотров

Механизм и технология гальванического золочения. Структура и свойства золотых покрытий.

Содержание:

1. Что такое золото? Свойства золота.

2. Электролиты золочения поверхности металлов.

3. Нецианистые электролиты золочения.

1. Что такое золото? Свойства золота.

Золото (Au от латинского Aurum) принадлежит к 11 группе периодической системы Д.И.Менделеева. Оно относится к типичным благородным металлам и имеет нехарактерный для них желтый цвет. Атомная масса и плотность золота велики: 196,97 г/моль и 19,32 г/см³ соответственно, стандартные электродные потенциалы очень положительные: Au+ = +1,83 В, Au3+  = +1,52 В.

Золото отличается высокой температурой плавления 1064,18° С, выраженной пластичностью и отличной тепло- и электропроводностью. Его удельное электрическое сопротивление в чистом виде составляет 0,024 Ом*мм.

С точки зрения химических свойств при нормальных условиях золото инертно к большинству кислот и не образует оксидов.

Золото растворяется только в царской водке, ртути, щелочных цианистых растворах, концентрированной селеновой кислоте при 200° C, хлорной и бромной воде, хлорной кислоте.

Покрытия золотом и его сплавами нашли широкое применение в электронике и художественной обработке изделий. Как антикоррозионное покрытие золото можно применять только при условии его беспористости. Его электродный потенциал столь положителен, что в паре с электроотрицательными металлами типа железа в порах покрытия будет образовываться очень жесткая коррозионная гальванопара.

Обозначение гальванического золочения - Зл.

Толщина наносимого покрытия может варьироваться от 0,025 мкм до 20 мкм в зависимости от назначения.

По своим физико-химическим свойствам гальваническое золото может отличаться от металлургического. Так, в процессе электролиза в золото могут включаться примеси. Это вызовет как изменения в части электропроводности, так и в части пластичности. Так, напряжения в покрытии могут иметь как положительный, так и отрицательный характер. Электропроводность же всегда будет снижаться.

Легирование золотых покрытий никелем, кобальтом, серебром и сурьмой повышает их микротвердость,  износостойкость, коррозионную стойкость и мелкокристалличность.

Чистое золотое покрытие имеет:

  • микротвердость: 1046 МПа;
  • износостойкость: 1 (условно);
  • удельное электросопротивление, по разным источникам: 0,030-0,050 Ом*м;
  • переходное электросопротивление при Р = 0,2Н и силе тока 50А: 0,0031-0,0041.

    При легировании никелем можно получить:
  • микротвердость до 2500 МПа;
  • износостойкость 10 (относительно чистого золота);
  • переходное электросопротивление при Р = 0,2Н и силе тока 50А: 0,0031-0,0041;
  • удельное и переходное электросопротивление: 
Таблица 1 – Характеристики покрытия золотом

Массовая доля никеля в сплаве с золотом

Удельное электрическое сопротивление

Переходное электрическое сопротивление при Р=0,2 и силе тока 50А

5

0,150

0,0041

10

0,220

0,0017

15

0,400

0,0100


При введении кобальта:

  • микротвердость: до 2990 МПа;
  • износостойкость: до 15 (относительно чистого золота);
  • удельное и переходное электросопротивление:
Таблица 2 – Характеристики покрытия сплавом золото-кобальт

Массовая доля кобальта в сплаве с золотом

Удельное электрическое сопротивление, Ом*м

Переходное электрическое сопротивление при Р=0,2 и силе тока 50 мА

Переходное электрическое сопротивление при Р=0,2 и силе тока 50А

1

0,040

-

-

5

0,140

0,0062

0,0042

10,1

1,150

0,0130

0,0070

17,)

1,150

0,0130

0,0076

При введении серебра:
• микротвердость и износостойкость:

Таблица 3 – Характеристики покрытия сплавом золото-серебро

Массовая доля серебра в сплаве с золотом

Микротвердость, МПа

Износостойкость (относительно чистого золота)

4,8

1400

4

10

1650

-

16

1840

-

31

1850

9

• удельное и переходное электросопротивление:

Таблица 4 – Сопротивление покрытия золотым сплавом

Массовая доля серебра в сплаве с золотом

Удельное электрическое сопротивление, Ом*м

Переходное электрическое сопротивление при Р=0,2 и силе тока 50А

Переходное электрическое сопротивление при Р=0,5 и силе тока 50А

4,8

0,09

0,0039

0,0022

10

0,08

0,0033

0,0022

16

0,12

0,0033

-

31

0,125

0,0040

0,0028

При введении сурьмы:

• микротвердость:

Таблица 5 – Характеристики покрытия золотом при введении сурьмы

Массовая доля сурьмы в сплаве с золотом

Микротвердость, МПа

2

2030

5

2100

10

2350

15

2600

• износостойксть 15 (относительно чистого золота).
• удельное и переходное электросопротивление:

Таблица 6 – Характеристики покрытия золотом при введении сурьмы

Массовая доля сурьмы в сплаве с золотом

Удельное электрическое сопротивление, Ом*м

2

0,088

5

-

10

0,380

15

0,520

• переходное электросопротивление при Р = 0,5Н и силе тока 50А: 0,0050.
Легированные сплавы золота имеют характерные цвета, которые часто применяют в художественной отделке. Например, самые популярные: зеленое золото - сплав с серебром, розовое золото - сплав с медью.

2. Электролиты золочения поверхности металлов.

2.1 Цианистые электролиты.

При золочении используют цианистые и нецианистые электролиты. Цианистые в свою очередь делятся на кислые, щелочные и нейтральные.
Все цианистые электролиты содержат то или иное количество свободного цианида калия.


В щелочных и нейтральных растворах золото находится в основном в виде комплекса K[Au(CN)2]. Присутствие трехвалентного комплекса K[Au(CN)4] возможно в незначительных количествах.


2.1.1 Катодный процесс в цианистых электролитах золочения.

Реакция, определяющая потенциал электрода:

[Au(CN)2]- = AuCN + (CN)-
AuCN = Au+ + (CN)-


Катодные поляризационные кривые для щелочного электролита приведены на рисунке 1, поляризация электроосаждения золота из кислых и нейтральных растворов находится в области более положительных значений.

 

Поляризационные кривые золота в щелочном цианистом электролите

 

Рисунок 1 - Поляризационные кривые золота в щелочном цианистом электролите (г/л Ag в пересчете на металл): 1 - 17, 2 - 30.

Рассмотрим поляризационные кривые на рисунке 1 более подробно:

• На 1 и 2 участках кривых при потенциале от -0,4 до -0,6 В в элементарной реакции участвуют AuCN или Au2(CN)2.
• На 3 и 4 участке при потенциале от -0,7 до -0,9 В - [Au(CN)2]-.
• На 5 участке - [Au(CN)2]- и Н+. Под воздействием сильного электрического поля в ДЭС у катода происходит адсорбция аниона [Au(CN)2]- положительным концом к катоду, что облегчает процесс разряда: 

[Au(CN)2]- + e = [Au(CN)2]2-
[Au(CN)2]2- = Au + 2(CN)

Трехвалентный комплекс золота изучен очень мало. Одним из исследователей был А.Кнодлер. Известно, что нагрев щелочного электролита и повышение рН способствует образованию одновалентного золота. Если рассмотреть реакции: 

[Au(CN)4]-  = [Au(CN)2]- + (CN)2
(CN)2 + 2(OH)- = (CN)- + (CNO)- + H2O
[Au(CN)4]-  + 2(OH)- = [Au(CN)2]- + (CN)- + (CNO)- + H2O

то становится очевидным, что разложение трехвалентного комплекса золота действительно должно ускоряться с ростом рН (увеличением концентрации OH-).

В нейтральных и кислых растворах трехвалентный комплекс устойчив даже при нагреве.Если в растворе присутствует трехвалентный комплекс золота, то его разложению способствует металлическое золото и свободный цианид:

[Au(CN)4]-  + 2Au + 2(CN)- = 3 [Au(CN)2]-

В качестве металлического золота могут выступать аноды, позолоченные детали, оставленные без тока, частички золотого шлама и остатков покрытия, упавших в ванну.

Катодный выход по току в щелочных растворах может достигать - 70-80%, нейтральных - почти 100%, кислых - 30-40%. Работа на низких плотностях тока сопровождается снижением ВТ. Уже осажденное золотое покрытие при этом растворяется по реакциям:


2Au + 4KCN + O2 + 2H2O = 2K[Au(CN)2] + H2O2 + 2KOH
2Au + 4KCN + H2O2 = 2K[Au(CN)2] + 2KOH


2.1.2 Анодный процесс в цианистых электролитах золочения.

Анодный процесс при золочении имеет некоторые аномалии - как в механизме, так и в выходе по току. Аномалии в основном связаны с возможностью образования комплексов трехвалентного золота.

Возможно использование растворимых и нерастворимых анодов:

  • Растворимые аноды при золочении можно применять только в щелочных цианистых растворах. Они могут растворяться химически в цианидах, что повышает анодный выход по току. Со временем трехвалентный комплекс восстанавливается и анодный процесс стабилизируется.
  • В качестве нерастворимых анодов используются платинированные / ирридированные титановые пластины или сетки.

3. Нецианистые электролиты золочения.

Нецианистые электролиты названы так условно. В них нет свободных цианидов, однако разряжающийся комплекс золота все-таки содержит ионы циана.

Основное применение нашел железистосинеродистый электролит. Готовят его кипячением хлорного золота с содой и K4Fe(CN)6:

12(AuCl4)- + 3[Fe(CN)6]4- = Au4[Fe(CN)6]3 + 8(AuCl4)- + 16Cl

По мнению некоторых авторов золото в нем содержится в трехвалентной форме, по мнению других валентность золота не определена точно.

Данный электролит является относительно неядовитым, покрытия имеют хорошее качество.

Конец статьи
Нажмите на звезду
Средняя оценка: 4,80
Всего оценок: 10
Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО "НПП Электрохимия". Любое копирование информации возможно только с разрешения владельца сайта. Размещение активной индексируемой ссылки на https://zctc.ru обязательно.