Новости

Гальваника (гальванотехника) — отдел прикладной электрохимии, который включает гальваностегию и гальванопластику.

Гальваностегия — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д.

Получаемые покрытия — осадки — должны быть плотными, а по структуре — мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока. Выбор способа покрытия зависит от назначения и условий работы изделия.

Гальванопластика — отрасль электротехники, занимающаяся получением сравнительно толстого слоя металлических осадков на поверхности какого-либо предмета. Целью гальванопластики является воспроизведение формы предмета посредством электролитического осаждения металлов.

При гальванопластике осадки получаются массивными, прочными, легко отделяющимися от покрываемой поверхности. Основное применение в гальванопластике имеет медь; более ограниченное использование железа, никеля, серебра, золота. В гальванопластическом производстве труб и других полых предметов электролитическое осаждение ведётся на сердечники из легкоплавких сплавов, которые потом удаляются путём нагрева выше температуры их плавления.

Уже в XX столетии в полиграфической промышленности получили широкое распространение т.н. гальвано, под которыми обычно подразумевают или изготовленную гальванотехническим способом форму, залитую снизу стереотипным сплавом, или стереотип, покрытый сверху тиражеустойчивым металлом.

Одно время широко использовались железненные медные гальвано, цинковые клише и гартовые стереотипы. Оно и понятно, ибо тиражеустойчивость железненного медного гальвано составляла 600-1000 тыс. оттисков, а железного гальвано — 700-1000 тыс. оттисков. В то же самое время цинковые клише глубокого травления не выдерживали более 8-10 тыс. оттисков.

В основе процесса железнения печатных форм лежит электролитический процесс, одно время называвшийся железной гальванопластикой. Разработан он был в 1867 г. сотрудником Экспедиции заготовления государственных бумаг Евгением Ивановичем Клейном.

Человек этот родился в 1842 г. в Санкт-Петербурге в семье химика Ивана Осиповича Клейна, который служил в ЭЗГБ и был другом и учеником академика Бориса Семеновича Якоби. Евгений Иванович в 1859 г. окончил Институт корпуса горных инженеров и был направлен на работу на Монетный двор. Здесь он трудился не более года, затем занимался преподавательской деятельностью в Горном институте и, наконец, поступил на службу в Экспедицию заготовления государственных бумаг. Здесь-то он и занялся железной гальванопластикой.

До Клейна задачу железнения печатных форм пытались решить немецкий химик Рудольф Беттгер и француз Фекье. Полученные последним образцы гальванопластического железа в 1867 г. экспонировались на Всемирной Парижской выставке. Здесь с ними познакомился Борис Семенович Якоби; он-то и посоветовал Клейну заняться железной гальванопластикой, технологию которой Фекье держал в глубокой тайне.

«Как известно, — писал впоследствии Е.И. Клейн академику Б.С. Якоби, — неоднократно были произведены опыты произвести гальванические железные осадки, но никто не мог сделать пластинки так, чтобы они были довольно тверды и достаточной толщины. Однако, увидав различные образцы, я пришел к выводу, что задачу эту можно будет решить, и зная, что вы посоветуете мне, если понадобится, я принялся производить опыты в Петербурге в октябре 1867 года».

Письмо Клейна к Якоби было опубликовано в «Типографическом журнале», первом в России периодическом издании, которое специализировалось в области полиграфической техники.

Все технологи, пытавшиеся решить проблему железной гальванопластики, по словам Клейна, сталкивались с тем, «что при попытке утолстить железный осадок через более продолжительное действие электролиза, осадок постепенно теряет металлический вид и превращается в темный рыжий порошок; или же осадок растрескивается на мелкие, неправильного вида блестки, не достигая даже толщины обыкновенной писчей бумаги».
Первоначально Е.И. Клейн испробовал уже известную в гальванотехнике ванну FeCI2+NH4CI. Хлористый аммоний был прибавлен для повышения электропроводности. Но здесь изобретателя ждала неудача. «Поверхность очень тонкого и блестящего железного слоя, — рассказывал Клейн, — как скоро его хотели сделать толще, становилась щелистою, и затем осадок отставал от катода чрезвычайно хрупкими чешуйками».

Убедившись в неудаче, Клейн решил изменить состав ванны. Новые опыты были предприняты с электролитами:

FeSO4 + (NH4) 2SO4 + Н2O

FeSO4 + NH4Cl + Н2O

Однако и здесь, как рассказывал Клейн, «по истечении суток образовались осадки морщинистые и щелистые, рассыпающиеся на мельчайшие частички даже при осторожном снимании».

В практике гальванотехники нередко бывает, что качество осадка, полученного из ванны с медным купоросом CuSO4 со временем возрастает. Не распространяется ли это правило и на железный купорос? Е.И. Клейн попробовал работать с одной и той же ванной в течение длительного времени, но качество осадка оставалось прежним.

Производя электролиз почти нейтрального раствора, содержащего железный купорос FeSO4 в соединении с сернокислыми солями щелочных металлов, Клейн заметил «появление на катоде весьма мелких пузырьков водорода, которые не замедлили покрывать всю его поверхность (т.е. поверхность катода). Сначала водородные пузырьки, по-видимому, не мешали образованию осадка, но при более продолжительном действии влияние их начало проявляться в самом неблагоприятном виде».

Е.И. Клейн попробовал заменить служившие источником электрического тока гальванические элементы Даниеля гораздо более слабыми элементами Мейдингера. Отделение водорода на катоде уменьшилось, а качество осадка заметно улучшилось. Впоследствии Клейн заметил, что наилучшие результаты получались при плотности тока 0,06-0,12 ампер на 1 кв. дюйм, что соответствовало разности потенциалов у зажима ванны 0,5-0,75 вольт.

Так было установлено, что перенапряжение водорода возрастает с повышением плотности тока. Е.И. Клейн четко сформулировал правило: «Силу тока должно тщательно соразмерять с относительной величиной электродов, соблюдая, чтобы ни в каком случае она не производила обильного выделения пузырьков у катода».

Попутно Клейн решил еще одну серьезную проблему. Железо, которое обычно содержалось в электролите в двухвалентной форме, легко окислялось. Появление же трехвалентного железа ухудшало качество осадка. Для удаления из раствора солей окиси железа изобретатель «нашел самым удобным взбалтывать от времени к времени растворы с основной углекислой магнезией (т.е. с MgCO3), пользуясь при этом ее свойством разлагать соли окиси железа, осаждая из них последнюю, но не оказывая никакого влияния на соли закиси».

20 февраля 1868 г. Борис Семенович Якоби продемонстрировал полученные Е.И. Клейном образцы гальванопластического железа на заседании Физико-математического отделения, а 5 марта 1868 г. доложил об изобретении на общем заседании Академии наук, зачитав письмо изобретателя и сопроводив его соответствующими комментариями. Доклад этот был напечатан в «Записках Академии наук».

Применение цельножелезных стереотипов в полиграфии затруднялось вследствие их хрупкости. Чтобы снять такой стереотип с модели, не повредив тонких линий рисунка, его приходилось прокаливать. Но при этом изменялись размеры стереотипа. А при печатании ценных бумаг в ЭЗГБ прежде всего требуется полная идентичность всех оттисков.

В усовершенствование способа Клейна мастер Экспедиции заготовления государственных бумаг Н.П. Луферов предложил наращивать на матрицу лишь очень тонкий слой железа, который затем подращивали медью. Такие стереотипы легко снимались без прокаливания. А чтобы медь не отслаивалась, между нею и железом наращивали тонкий слой никеля. Чтобы изготовить стереотип по способу Луферова нужно было не более семи дней. А на изготовление цельножелезного стереотипа вследствие малой плотности тока нужно было затратить 30 и более дней.

В конце XIX столетия проблемой ускорения процесса электролитического осаждения железа много занимался инженер Экспедиции заготовления государственных бумаг Сергей Олимпиевич Максимович (1876-?). Ему удалось подметить, что катодная поляризация уменьшается с повышением температуры. Такое повышение позволяло без ущерба для качества отложения повысить плотность тока, а следовательно и выход металла. Максимович стал подогревать электролит. Так появились первые «горячие» ванны [129].

Свойства электролитического железа впервые исследовал профессор Роберт Эмильевич Ленц (1833—1903), который в 1889 г. был назначен управляющим Экспедицией заготовления государственных бумаг. Он установил, что осажденное по способу Е.И. Клейна железо обладает очень большой твердостью. Удельный вес непрокаленного электролитического железа составлял 7,675, а прокаленного — 7,811, т.е. несколько меньше удельного веса литой стали [130]. Химическое исследование электролитического железа было предпринято М.М. Тихвинским в 1893 г.

Работы Е.И. Клейна, Н.П. Луферова, С.О. Максимовича позволили значительно повысить тиражеустойчивость печатных форм. На Чикагской выставке 1899 г. Экспедиция заготовления государственных бумаг экспонировала гальванопластический железный стереотип, выдержавший 4,5 миллиона оттисков. Утверждалось, что в отдельных случаях тиражеустойчивость может быть поднята до 7 миллионов оттисков.

В области электролитического осаждения железа Россия во второй половине XIX в. лидировала. По словам заведующего гальванопластической мастерской ЭЗГБ Н.А. Рейхеля, Экспедиция вплоть до начала XX столетия регулярно получала заказы на электролитическое железо от крупной химической фирмы «Мерк» в Дармштадте.

Важным преимуществом железных стереотипов было то, что с них можно было печатать любыми красками и, в том числе, киноварью, которая разъедала медь. Были и отрицательные моменты и, прежне всего, тот факт, что железо быстро ржавеет. Для предохранения от коррозии железные формные пластины покрывали асфальтовым лаком или же слоем жира. Это создавало дополнительные неудобства.

Одним из решений проблемы стало никелирование печатной формы. По тиражеустойчивости никелированные стереотипы и клише не уступали железным. И в то же время они не были подвержены коррозии. Никелирование печатных форм вошло в практику полиграфии в конце XIX столетия. Нередко утверждают, что первые опыты электролитического никелирования были проведены американцем И. Адамсоном в Бостоне в 1869 г. Между тем еще в 1864 г. немецкая фирма «Siemens und Galske» подала прошение в российский Департамент мануфактур и внутренней торговли о выдаче пятилетней привилегии на «Способ очищения раствора никеля и употребление оного для гальванопластики». Рецензировал эту заявку академик Б.С. Якоби, отзыв которого сохранился в Архиве Российской Академии наук. Ученый предложил отказать зарубежной фирме в выдаче привилегии на том основании, что "в Экспедиции заготовления государственных бумаг употребляют почти два года этот способ никелирования вместо осталивания гравированных досок.

Вопросами электролитического никелирования много занимался известный в свое время специалист в области гальванотехники П.Ф. Симоненко. «Везде, где может служить железо, — писал он в 1892 г., — всегда с большим успехом его можно заменить никелем, так как он не дает шероховатости на гладко полированной пластинке, что весьма важно, в особенности для литографических досок».

Никелирование печатных форм с успехом применялось на практике. Лишь благодаря этому способу при печатании многотиражного журнала «Нива» в типографии А.Ф. Маркса с одного стереотипа получали в 1896 г. до 255 тыс. оттисков. Продолжительность процесса никелирования составляла здесь не более часа.

Впоследствии, с повышением тиражей, в практику полиграфии вошло электролитическое хромирование, ибо сопротивление хрома истиранию выше, чем у железа или никеля.

Способ Ивана Михайловича Федоровского
В заключение расскажем об изобретении, которое, на первый взгляд, не имеет отношения к полиграфическому производству. Речь идет об электролитическом изготовлении медных труб. В 1891 г. английский журнал «Electrical Review» писал, что «изготовление медных труб путем электролиза, запатентованное в Англии Эльмором и наделавшее так много шума за последнее время, было изобретено в 1867 г. в России». Журнал «Электричество», перепечатавший эту заметку, называет имя изобретателя — лейтенант Федоровский, не приводя, однако, никаких подробностей.

Иван Михайлович Федоровский родился 17 января 1834 г. в Свеаборге в семье потомственного русского моряка. Образование будущий изобретатель получил в Морском кадетском корпусе. Вопросами гальванотехники он заинтересовался в 1864 г. в связи с актуальной в судостроении проблемой антикоррозионных покрытий. Идея использовать для этой цели электролитический процесс принадлежала граверу А.П. Сапожникову. Еще в 1841 г. он предложил покрывать электролитическим способом железные корпуса морских судов каким-либо менее подверженным коррозии металлом. Впоследствии эту проблему разрабатывали и в России и за границей. В 1844 г. газета «Мануфактурные и горнозаводские известия» опубликовала подробную обзорную статью «О гальваническом покрывании железа цинком, как о средстве, предохраняющем его от ржавчины».

Развивая идеи А.П. Сапожникова, И.М. Федоровский вынес вопрос об антикоррозийных покрытиях из лаборатории в производство. По его инициативе летом 1865 г. Департамент кораблестроения провел опыты электролитического цинкования проволочного такелажа и крепежных изделий. Рассматривая результаты этих опытов, Морской комитет постановил «согласиться с заключением комиссии, что способ покрывания железа г. Федоровского лучше способа, употребляемого до сего времени» и предложил Департаменту кораблестроения «при оцинковании железа на будущее время применять способ г. Федоровского».

24 июня 1865 г. И.М. Федоровский был назначен мастером Кронштадтского пароходного завода «по части цинкования и гальванопластики». Созданная здесь его трудами гальванопластическая мастерская была одной из лучших в России. В 1866 г. ее ежесуточная производительность составляла 10 пудов меди.

Именно в этой мастерской и был создан электролитический способ изготовления бесшовных медных труб, имевших весьма высокие механические качества. «Трубы моей выделки, — сообщал изобретатель Борису Семеновичу Якоби, — были испытаны на Ижорских заводах членом Морского технического комитета корпуса инженер-механиков подполковником Этапаром и особо назначенной комиссией... Трубы выдержали давление 400 фунтов на квадратный дюйм без всякого повреждения, тогда как латунные одинаковых размеров при давлении 200 фунтов лопнули и сделались к употреблению негодными». Впоследствии Федоровский изготовлял трубы с еще более высокой прочностью. На Всемирной Парижской выставке это изобретение было награждено серебряной медалью.

Свой опыт в области электролитического осаждения металлов И.М. Федоровский подытожил и обобщил в книге «Записки практического курса гальванопластики», изданной в Санкт-Петербурге в 1867 г.

Умер Иван Михайлович Федоровский 21 января 1897 г.

Способ изготовления бесшовных труб, изобретенный Федоровским, был с успехом использован в полиграфической технике. Поначалу его применяли в тканепечатании. Так, в протоколе Физико-математического отделения Академии наук от 8 сентября 1868 г. находим следующую запись: «Александр Кувалдин, крестьянин села Васильевского Шуйского уезда Владимирской губернии сообщил на суд Академии свои мысли о применении гальванопластики к изготовлению цилиндров для печатания рисунков на ситцах».

Особенно широкое применение этот способ нашел уже в XX столетии в процессе изготовления цилиндрических форм ракельной глубокой печати. В начале 1910 г. в этой области успешные опыты проводил генерал-лейтенант И.И. Иванов.

Резюмируя, скажем, что изобретенные Борисом Семеновичем Якоби электролитические методы осаждения металлов в свое время сыграли значительную роль в полиграфической технике, во многом революционизировав технологию формных процессов.

www.galvanicworld.com