Menu

Электролиты блестящего серебрения (обзор)

Зытнер Л. А., Никитин М. К., Стрюк В. В.


В последнее время усилилась борьба за экономию цветных и драгоценных металлов, невозвратимо рассеиваемых в процессе шлифовки и полировки, за сокращение аналогичных операций при завершении обработки поверхности покрываемых деталей, за повышение производительности и улучшение гигиенических условий труда в гальванических цехах. Усилия исследователей в первую очередь направлены на создание новых электролитов для получения блестящих, высококачественных покрытий.

На предприятиях развитых капиталистических стран обычные матовые или полублестящие гальванопокрытия заменяются зеркально-блестящими [1]. Это относится к процессу серебрения из цианистых ванн [2]. Однако последние обладают высокой токсичностью, требующей усиленной вентиляции и внимания в работе.

Другим существенным недостатком цианистых ванн является их неустойчивость вследствие образования карбоната калия. Поэтому, последнее время большое внимание уделяется бесцианистым электролитам серебрения, в особенности блестящего [3]. Электроосаждение серебра из электролитов, содержащих только простые соли, дает крупнокристаллические осадки серебра, даже при добавлении различных блескообразователей [4, 5]. Поэтому разработанные электролиты, как правило, полилигандные системы с добавлением различных блескообразующих добавок. Механизм действия добавок объясняется с точки зрения теорий: адсорбционной и комплексообразования [6]. По данным Д. Вильямеа [7] блескообразующие добавки по составу делятся на четыре группы: I — продукты конденсации органических веществ с двойными и тройными связями (кетоны), II — неорганические серусодержащие вещества, III — органические серусодержащие вещества, IV — соли селена и теллура.

Наиболее распространенными добавками являются серусодержащие вещества: например, СS2, вещества, содержащие группы ≡ С — SН или =С= S [8]. Литовская школа [9, 10] электрохимиков для выбора добавок в электролит предлагает учитывать два основных фактора:

  • торможение процессов электрокристаллизации (по классической теории);

  • образование на катоде гелеобразной пленки, способной восстанавливаться электронами или адсорбированным водородом.

На основе двухфакторной теории блескообразования была предложена новая универсальная классификация блескообразователей, разделяющая их на две крупные группы: к I группе относятся соединения, вызывающие образование коллоидных катодновосстанавливающихся частиц: ко II группе — соединения, способствующие образованию на катоде фазовой планки оптимальной толщины и вязкости.

Однако, теоретический подход к выбору добавок не принес пока хороших результатов [3], Лишь в отдельных случаях подбор добавок на основе двухфакторной теории дает положительные результаты [11, 12]. В трудах В. Н. Кайкариса и сотрудников [3, 9] экспериментально опробовано большое количество добавок (~120) в различных электролитах серебрения. На основании указанных исследований можно сделать вывод, что каждый блескообразователь имеет свою оптимальную концентрацию для данного состава электролита и режима электролиза. Область действия и устойчивость блескообразователя является очень важной характеристикой электролита. Широкое применение неорганических, а чаще органических добавок, называемых, как было указано выше, блескообразователями или выравнителями, повышает содержание в осадках большого числа посторонних веществ по сравнению с матовыми покрытиями. Эти включения вызывают повышенную твердость, внутренние напряжения и по¬ниженную коррозионную стойкость блестящих гальванопокрытий. Этот фактор следует учитывать при выборе условий получения блестящих покрытий металлом, в частности сере¬бром.

В табл. 1 приведены основные компоненты электролитов блестящего серебрения. Рассмотрим более подробно перечисленные нецианистые электролиты для получения блестящих осадков серебра.

Таблица 1

Электролиты блестящего серебрения

№ п/п Комплексообразователь Блескообразующие добавки Интервал плотностей тока, а/дм2 Литература
1 K4[Fe(CN)6] CS(NH2)2 5г/л
K2S2O3 0,01-0,03 г/л
ЗУ-2 2,0
0,6 - 0,8 [13]
[14]
[15]
2 K4[Fe(CN)6]
KCNS
K[Ag(CN)2]
Na2S2O3 0,2-1,0 г/л
Рубеановодородная кислота 0,01—0,001 г/л
1,0-2.0 [21]
[22]
[23]
[24]
3 KCNS C2H5OH
ОП-10
Na2S2O3
0,6-0,8 [22]
[25]
4 Na2SO3 Цистеин 1 г/л
C6H5CNS
ЗУ-2 0,01 г/л
0,2-0,5 [18]
[27]
5 H3NO3S
сульфаминовая кислота
Желатина 0,5—1,0 г/л 0,5-1,0 [29]
6 K2P2O7
NH4OH
Na2SiO3 0,1 г/л
H2SeO3 0,04-0,1 г/л
H3C4H4O4 15-30 г/л
0,7-1,1 [33]
[34]
7 (NH4)2SO4
NH4OH
Na2S2O3 10 г/л
Fe2(SO4)3
H3C4H4O4
0,8-1,0 [11]
[12]
8 Моноэтаноламин
Этилендиамин
Желатина 0,5-1,0 0,5-0,8 [36]
[37]
9 Трилон Б* 0,4-1,2 [39]
[40]

Железисто-синеродистый электролит

Железисто-синеродистый электролит серебрения не содержит свободного цианистого калия. В системе K4[Fe(CN)6] → К[Ag(СN)2] серебро находится в виде цианистого комплекса и его катодное выделение, описываемое уравнением Аg(СN)2+е → Аg+2СN1-, не должно существенно отличаться от разряда из чистого цианистого электролита [13, 14]. Недостатком этого электролита является необходимость применения нерастворимых анодов, так как серебрянные аноды быстро пассивируются. На запассивированном или нерастворимом аноде происходит образование свободного циана (СN)2, вследствие чего такой электролит становится токсичным. Работа с нерастворимыми анодами требует частой корректировки электролита [15]. Кроме того, электролит сложен в приготовлении [16]. Сравнение различных способов приготовления железисто-синеродистого электролита показало, что во всех случаях серебро не полностью переходит в комплексное соединение. Степень превращения составляет около 0,7—0,73. Эта величина еще ниже при использовании хлористого серебра [17]. Однако высокая рассеивающая способность и отсутствие необходи¬мости предварительного амальгамирования при отсутствии свободного цианистого калия являются положительными качествами этого электролита.

Близкий характер электролитических процессов в цианистом и железисто-синеродистом электролитах позволяет сделать предположение об аналогичности действия различных добавок.

В качестве примера, подтверждающего правильность такого предположения, можно рассматривать действие устойчивого закрепителя-2 (ЗУ-2), применяемого ранее с положительным результатом в цианистых ванных серебрения [18].

И. Ю. Пиворюнайте [13] рекомендует вводить в электролит с высоким содержанием ферроцианида калия (для улучшения работы анодов) добавку тиомочевины — 5 г/л. Блестящие осадки получаются также в присутствии тиосульфата калия в количестве 0,01—0,03 г/л (табл. 1) или тиомочевины 5 г/л [19].

Применение указанных добавок дает возможность получать блестящие осадки лишь в узком интервале плотностей тока и непродолжительное время. Добавки тиосульфатов являются неустойчивыми на воздухе соединениями, что приводит к выпадению осадков серы или сульфида серебра.

Приготовление электролита в значительной степени упрощается, если использовать дицианоаргентат калия К[Ag(СN)2], не содержащий избытка свободного цианистого калия [3]. Для устойчивости этого комплекса в отсутствии свободного КСN, в раствор рекомендуется вводить К2СО3 или КОН до рН > 9.

Синеродисто-роданистый электролит

Изучая влияние анионов на анодный процесс в железисто-синеродистом электролите, К. П. Баташов показал, что при оптимальном содержании KCNS (50—300 г/л) анодный и катодный выходы по току приближаются к 100% [20]. Железисто-синеродистый электролит с добавкой роданистого калия был подробно исследован в работе В. И. Ильина и Н. П. Федотьева [21, 22].

Синеродисто-роданистый электролит, обладающий хорошей рассеивающей способностью, рекомендуется применять для покрытий сложно-профилированных изделий как на подвесках, так и в колокольных ваннах. Введение в электролит КСNS в количестве более 80 г/л уменьшает поляризацию анодного процесса, и растворение анода происходит без заметной поляризации. Однако осадки серебра, полученные из указанного электролита, хотя и мелкокристаллические, но не блестящие. В. А. Кайкарисом с сотрудниками [23, 24] предложен дицианоаргентатный электролит, в который для улучшения работы анодов был введен роданистый калий. Такой электролит обладает высокой рассеивающей способностью и хорошей стабильностью. Для блестящего серебрения предложены дицианоаргентатно-роданидный электролит с добавками: 1 —Na2S2O3 . 5H2O — 0,2 - 1,0 г/л или 2-рубеановодородной кислоты 0,001—0,01 г/л. Рубеановодородная кислота растворяется в 1,5% растворе КОН или в спирте. Блестящие осадки получены при плотности тока 1,0—2,0 а/дм2. Электролиты с добавками тиосульфата натрия и рубеановодородной кислоты внедрены в некоторых гальванических цехах предприятий Литовской ССР.

Введение в дициано-роданистый электролит, приготовленный, исходя из железисто-синеродистого калия, добавок тиосульфата натрия или рубеановодородной кислоты дает возможность получить блестящие осадки серебра в течение непродолжительного времени из-за нестабильности электролита. Уже после двух дней эксплуатации ванны наблюдается выпадение осадка рубеановодородной кислоты и сульфида серебра.

Роданидный электролит

Электролит на основе комплекса серебра с КСК5 довольно подробно исследован в работе Н. П. Федотьева и В. А. Ильина [22], и В. А. Кайкарисом [25]. Из кривых анодной поляризации видно, что анодный процесс протекает исключительно благоприятно, и хорошее растворение анодов обеспечивается даже при высоких плотностях тока. Катодный и анодный выходы по току близки к 100% и не изменяются, что очень важно для практики, так как этим определяется стабильность процесса. Однако роданидный электролит значительно уступает по рассеивающей способности цианистому электролиту и поэтому его рекомендуется применять для серебрения деталей несложной формы.

При погружении в электролит деталей из меди или латуни наблюдается контактное выделение серебра, в результате чего ухудшается прочность сцепления покрытия с основой.

С целью улучшения внешнего вида покрытий в электролит вводились различные поверхностно-активные вещества: дисульфонафталиновая кислота, трилон Б, декстрин, клей, желатина, ОП-7, ОП-10, спирт этиловый и т. п. В результате испытаний установлено, что наибольший эффект дают добавки спирта этилового или смачивателя ОП-10 в количестве 10 г/л. Однако блестящих осадков при этом не получается.

В работе [25] изучено влияние 12 различных соединений в роданидном электролите серебрения. Блестящие осадки серебра получены из роданидного электролита с добавками тиосульфата натрия, селенопентатионата натрия, селенотритионата калия и дитиооксамида. Электролиты с перечисленными добавками однако нестабильны, причем блестящие покрытия получаются только из электролита, приготовленного на основе роданида натрия, но не роданида калия [25].

Сульфитный электролит

По мнению ряда авторов сульфитные электролиты весьма нестабильны, разлагаются и на данной стадии их разработки не могут быть использованы в промышленности [26]. Другие авторы рекомендуют сульфитный электролит, как весьма перспективный [18, 27]. Главным положительным свойством последнего авторы считают простоту приготовле¬ния и дешевизну его. Из большого числа исследованных добавок катионной, анионной и молекулярной природы наиболее интересен цистеин [18].

Как видно из электрокапнллярных кривых, снятых в сульфитных растворах с различными добавками, цистеин дает значительный анионный срез и поэтому должен в большей степени замедлять разряд анионов [АgSO3]1-, чем адсорбат, имеющий положительный заряд. Торможение катодного процесса в присутствии цистеина сохраняется в области сравнительно высоких температур (40—55°С). Авторы [18] видят в этом возможность интенсификации процесса, однако следует учитывать и изменение устойчивости электролита с повышением температуры. Стабильность работы ванны с добавкой цистеина 1 г/л была проверена в течение трех суток. К сожалению в работе нет указаний относительно количества электричества, пропущенного через эту ванну в течение трех суток. Испытание ванны в течение трех суток недостаточно для рекомендации электролита к промышленным испытаниям.

Сульфаминовый электролит

Из сульфаминовых электролитов серебрения можно получить хорошие покрытия на железе, никеле, амальгамированной меди и латуни [28, 29]. С добавкой желатины 0,5—1,0 г/л из сульфаминовых электролитов можно получить блестящие покрытия, окрашенные в желтый цвет. Однако электролит нестабилен, и при стоянии без тока образуется серебряное зеркало [30].

Пирофосфатный электролит

Возможны электролиты, в состав которых входит не один комплексообразователь, а два. Вторым комплексообразователем является аммиак. В присутствии двух лигандов, как правило, происходит резкое увеличение поляризации, которое можно объяснить либо образованием более сложных смешанных комплексов, либо затруднениями, которые возникают вследствие взаимного влияния комплексных ионов.

Пирофосфатные электролиты с большим избытком пирофосфата калия и низкой концентрацией аммиака были исследованы В. В. Ореховой и Ф. К. Андрющенко [31—32]. С целью выяснения условий и механизма получения блестящих покрытий пирофосфатные электролиты с избытком аммиака были исследованы В. А. Кайкарисом [33]. Установ¬лено, что повышение концентрации аммиака улучшает работу анодов. В чистом пирофосфатном электролите (обработанном активированным углем) при строго определенном рН, после непродолжительной проработки получаются зеркально-блестящие серебряные покрытия без применения блескообразователей. Однако очень важна чистота электролита и точное значение рН.

В своих работах В. Кайкарис и С. Пилаускене [33] исследовали влияние 22 различных добавок. Наилучшие результаты получены при введении в электролит тиосульфата натрия (0,5 г/л) или селенистой кислоты (0,04 г/л) для получения полублестящих покрытий и для зеркально-блестящих осадков — добавка желатины (2 г/л) совместно, с тиосульфатом натрия (0,5 г/л) или желатины совместно с селенистой кислотой (0,04—0,1 г/л). Эти электролиты вследствие неустойчивости (при продолжительном электролизе выпадает сульфид серебра или селенид серебра) практического значения не имеют.

Известно, что оксикислоты оказывают положительное влияние на качество серебряных покрытий [6]. Положительное влияние лимонной кислоты использовано в патенте [34]. Особенность предложенного электролита заключается в том, что избыток концентрированного аммиака используется для растворения пирофосфата серебра (20—30 г/л), а повышение рН раствора, вызываемое добавлением аммиака, регулируется лимонной кислотой. При плотности тока 0,3—1,5 a/дм2 авторы отмечают возможность получения блестящих покрытий серебром (толщиной до 5,5 мкм) на травленую латунную поверхность без предварительного нанесения слоя серебра. Наши попытки воспроизвести данные, приведенные в патенте, дали отрицательные результаты. Кроме того, отсутствие пирофосфата серебра, не выпускаемого нашей промышленностью, значительно осложняет задачу приготовления электролита.

Сульфатно-аммониевый электролит

Положительным свойством сульфатно-аммониевого электролита является простота приготовления и стабильность. Однако медные или латунные детали перед серебрением требуется амальгамировать [11].

Для изучения условий осаждения блестящих серебряных покрытий была использована двухфакторая теория блескообразования, а именно образование в прикатодном слое коллоидных частиц [12, 35].

Для того, чтобы получить коллоидное серебро непосредственно в процессе электролиза, в сульфатно-аммониевый электролит вводили сульфат трехвалентного железа или сульфат меди в сочетании с солями лимонной кислоты. Наличие коллоидных частиц в приэлектродном слое наблюдалось на микроскопе МБИ-6. Однако блескообразование прекращается после прохождения через электролит 0,15 а-часа электричества. Из-за такого короткого срока действия блескообразующей добавки и накопления коллоидных частиц в растворе применить его на практике невозможно. Это подтвердилось при практической проверке электролита. Исследования, проведенные М. Ф. Скалозубовым [12], представляют теоретический интерес, как подтверждение применимости двухфакторной теории блескообразования.

Электролиты на основе аминокомплексов

В работе А. Н. Сысоева [36] предложен электролит на основе комплекса серебра с моноэтаноламином и аммиаком. При введении желатины (см. таблицу 1) в предложенный электролит получены блестящие осадки серебра. Однако этот электролит так же, как электролит на основе этилендиамина неустойчив. Аминопроизводные способны окисляться на аноде, продукты окисления способны восстанавливать серебро до металла [37, 38]. Наши опыты с этилендиаминовыми комплексами серебра также показали неустойчивость исследуемых электролитов.

Таким образом, подводя итог, следует, сделать вывод о том, что в настоящее время нет рекомендаций относительно устойчивого электролита блестящего серебрения. На наш взгляд, наиболее перспективным является трилонатно-аммониевый электролит [39, 40].

Трилонатно-аммониевый электролит

Трилонатно-аммониевьщ электролит для нанесения светлых осадков серебра был предложен в работе О.Ж. Кудры с сотрудниками [39]. Однако из электролита, приготовлен¬ного на основе динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты блестящие осадки серебра не получаются.

При растворении трилона Б в концентрированном растворе щелочи NaОН происходит дальнейшее замещение водорода в этилендиаминтетрауксусной кислоте с образованием соли Na4γ, где γ - кислотный остаток ЕДТА [40]. В присутствии аммиака предполагается образование смешанного комплексного соединения. Из электролита, предложенного в работе [40] получены блестящие осадки при плотностях тока 0,8—1,2 а/дм2. Электролит устойчив, так как катодный и анодный выходы по току близки к 100%. Предварительное серебрение хорошего качества получается из аммиачно-трилонового электролита с концентрацией АgNO3 — 1 - 2 г/л. Но процесс серебрения очень чувствителен к наличию примесей в компонентах электролита. Поэтому получение блестящих осадков серебра из указанного электролита требует технологической отработки. Простота и устойчивость электролита, отсутствие блескообразователей выгодно отличают его от указанных выше электролитов блестящего серебрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Матулис Ю. Ю. Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева, 1971, XVI, 6, 650—657.

2. Матулис Ю. Ю. и др. Блестящие электролитические покрытии. Вильнюс. Изд-во «Минтис», 1969.

3. Кайкарис В. А. Изучение процесса электроосаждения серебра. Вильнюс, 1969. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора хим. наук.

4. Балашова Н. Н., Клименкова Л. М. Электрохимия, 2, 10, 1196, 1966.

5. Бирюков И. Д., Гулин А. В. Изв. Сиб. отд. АН СССР, серия хим. наук, 4, 9, 10—20, 1969.

6. Михайлов В. В. Успехи химии, 20, 194, 1951.

7. Williams D. Electroplating and metal finish. 1965, 18, 8.

8. Geldbach A., Korpuin J. Патент ФРГ, № 959775, 14.03.57.

9. Молчадский А. М., Лебедникас Б. И. и Матулис Ю. Ю. Теория и практика блестящих гальванопокрытий. Вильнюс. Гос. изд. полит, и научной литературы Литовской ССР, 1963.

10. Кайкарис В. А. Электрохимия, 3, 10, 1273, 1967.

11. Кудрявцева И. Д., Скалозубов М. Ф. Труды Новочеркасского политехнического института, 190, 50, 1969.

12. Кудрявцева И. Д., Скалозубов М, Ф., Юринская Л. В. Электрохимия, VII, 10, 1429 1971.

13. Кайкарис В. А,, Пирюнайте И. Ю. Научные труды вузов Лит, ССР, химия и химич. технология, 2, 1962.

14. Кайкарис В. А., Кундра А. В. Влияние некоторых блескообразователей на получение гальванопокрытий, хим. и хим. технология. Научные труды Вузов Лит. ССР, 2, 1962; 3, 1963; 4, 1964.

15. Семерюк В. И. ЖПХ, 28, 2, 1968.

16. Ямпольcкий А. М. Информ. технич. листок ЛДНТП, 65 (523), 1953.

17. Коковкина В. Г., Габидуллина В. К-, Ильюшина Е. И. Электрохимия, VII, 8, 1140—1144, 1971.

18. Дубяго Е. И., Тертышная Р. Г., Осаковский А. И. Хим. технология, Респ. межвед. темат. научи.-техн. сб., 18,8—13, 1971

19. Матулявичютэ Э. И., Кайкарис В. А. Химия и хим. технология. Научные труды Вузов Лит. ССР, 7, 1965.

20. Баташов К. П. Труды Политехнич. института. Л., 1956.

21. Федотьев Н. П., Ильин В. А., Чернозатонская И. Н. Электроосаждение серебра из растворов нецианистых комплексных солей. ЛДНТП, Л., 1962.

22. Федотьев Н. П.. Ильин В. А. ЖПХ, 36. 8, 1963.

23. Кайкарис В. А., Пиворюнайте И. Ю., Маркушас В. В. Тезисы докладов: «Теория и практика электроосаждения металлических покрытий». Рига, 1965.

24. Кайкарис В. А., Пиворюнайте И. Ю.. Маркушас В. В. Электрохимия, 2. 1966.

25. Матулявичюте Э., Кайкарис В, Научные труды Вузов Лит. ССР, Химия, 7, 1965.

26. Вячеславов П. М.. Грилихес С. Я., Буркат Г. К., Круглова Е. Г. Гальванотехника благородных и редких металлов. М., Л., 1970.

27. Ямпольский А. М. Покрытия благородными металлами. Изд-во «Машиностроение», 1961.

28. Кайкарис В. А. Тезисы докладов: «Теория и практика электроосаждения металлических покрытий». Рига, 1965, 110.

29. Рачинскене Г. С., Кайкариc В. А. Сб.: «Исследования в области электроосаждения металлов». Вильнюс, 1966, 73.

30. Исакова Д. С. Серебрение в аммиакатно-сульфосалициловом электролите. Л., 1970.

31. Орехова В. В. Исследование процесса серебрения из комплексных электролитов на основе пирофосфатных солей. Автореферат канд. диссертации. Харьков, 1965.

32. Андрющенко Ф. К.., Орехова В. В. Межвузовское научное совещание по электрохимии. Тезисы докладов, 41. Новочеркасск, 1965.

33. Кайкарис В. А., Пилаускене С. Научные труды Вузов Лит. ССР, Химия, 3 1963; 4, 1964: 7, 1965.

34. Патент США № 3.507.758, кл. 204—46. 21.1У.1970.

35. Кудрявцева И. Д. Получение твердых и износоустойчивых покрытий серебром и его сплавами из сульфатно-аммониевого электролита. Автореферат. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1968.

36. Сысоев А. Н. Нецианистые электролиты серебрения. Труды Казанского химико-технологического института, вып. 30. 1962.

37. Белякова Л., Гудин Н., Иоселевич И. Цинкование, кадмирование и серебрение на основе этилендиаминовых комплексов металлов. Промышленно-экономический бюллетень. (Татарский СНХ), №6,Ю—И, 1962.

38. Рожков Г. А., Гудин Н. В. Труды Казанского химико-технологического ин-та, в, 36, 178, 1967.

39. Кудра О. К., Избекова О. В., Гаевская Л. В. Вестник Киевского политехнического ин-та, сер. химия, машиностроения и технологии, №7, 86—89, 1970.

40. Киселева В. Л., Кривцова Г. Е., Яковлева Н. В. Электролитические покрытия в приборостроении. Л., 1971.