Получение порошков металлов, окрашивание металлической поверхности, анализ рабочих растворов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 

Ж. В. Межевич, А. Ф. Дресвянников, И. О. Григорьева 

 
 
 

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ 

МЕТАЛЛОВ, ОКРАШИВАНИЕ 

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ, 

АНАЛИЗ РАБОЧИХ РАСТВОРОВ 

 

 

Практикум 

 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

УДК 620.0197.5(075) 
ББК 34.66я7 

М43

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

канд. хим. наук, доц. А. В. Желовицкая 
канд. техн. наук, доц С. Ю. Ситников 

 
 

 
 
 
 
М43 

Межевич Ж. В. 
Получение порошков металлов, окрашивание металлической 
поверхности, анализ рабочих растворов : практикум / 
Ж. В. Межевич, А. Ф. Дресвянников, И. О. Григорьева; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2018. – 144 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2597-5

 
Рассмотрены основы процесса электролитического получения металли
ческих порошков, химические и электрохимические методы обработки металлических поверхностей и методы анализа гальванических растворов. 
Приведены лабораторные работы по каждому разделу. 

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подго
товки 18.03.01 «Химическая технология». 

Подготовлен на кафедре технологии электрохимических производств. 
 

 
 

ISBN 978-5-7882-2597-5 
© Межевич Ж. В., Дресвянников А. Ф.,  

Григорьева И. О., 2018

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 620.0197.5(075) 
ББК 34.66я7

ВВЕДЕНИЕ 

Практикум по дисциплине «Прикладная электрохимия» пред
назначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
«Химическая технология». В издание включены три раздела: получение порошков металлов, окрашивание металлической поверхности, анализ рабочих растворов. 

Производство металлических порошков методом электролиза 

водных растворов в настоящее время успешно конкурирует с другими методами. Электролитические порошки отличаются высокой 
чистотой, хорошей прессуемостью и спекаемостью. Метод экономически эффективен при любых масштабах производства. 

В современной гальванотехнике разработаны эффективные 

технологии электрохимической и химической обработки поверхности металлов и их сплавов, позволяющих существенно улучшить эстетические свойства металлических поверхностей. Практикум рассматривает основные методы и способы придания металлической поверхности декоративного вида: текстурирование, 
окрашивание и тонирование. 

В пособии представлен раздел, посвященный вопросам ана
лиза растворов гальванического производства, поскольку качество, 
физико-химические, защитные, эстетические свойства электролитических осадков, окрашенных пленок на металлических поверхностях определяются составом электролитов. 

Основное внимание уделено познавательному значению каж
дого опыта, умению наблюдать особенности процессов и явлений, 
делать по ним правильные выводы, давать грамотные рекомендации, находить подтверждение тех закономерностей, которые изучаются на лекциях и практических занятиях. 

3

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ 

Металлический порошок – совокупность частиц металла, 

сплава или металлоподобного соединения размерами до одного 
миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных 
между собой. 

Металлические порошки – основа порошковой металлургии, 

технология которой начинается с их получения. Метод производства и природа соответствующего металла, сплава или металлоподобного соединения определяют химические (содержание основного металла, примесей и загрязнений, пирофорность и токсичность), физические (форма, размер, удельная поверхность, истинная плотность и микротвердость частиц) и технологические 
(насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и 
формуемость порошка) свойства получаемого металлического порошка. 

Металлические пудры характеризуются дополнительно со
держанием жиров, кроющей способностью на воде, всплываемостью в различных средах (лифтингом). Отдельные виды порошковой продукции характеризуются рядом других специфических и 
потребительских свойств. 

Физические свойства металлических порошков. Форма ча
стиц металлического порошка обусловлена способом его получения и условиями их формования. Разнообразие форм частиц достаточно велико, поэтому принято выделять несколько основных типов по принципу сходства с формами макротел не порошковой 
природы. Различают порошки со сферической, дендритной, чешуйчатой, хлопьевидной, почкообразной, угловатой, зернистой 
(или скелетной), нитевидной, кристаллической и неправильной 
(оскольчатой), пластинчатой формой частиц (рис. 1.1). 

Форма порошковых частиц, наблюдаемая с помощью свето
вого или электронного микроскопов, представляется одной из самых простых и доступных определению характеристик дисперсного материала. Однако, являясь величиной качественной, она 

допускает большую произвольность в описании, что, в свою очередь, может приводить к путанице при сопоставлении свойств генетически неидентичных порошков. 

 

Рис. 1.1. Различные формы частиц металлического порошка:  

а – чешуйчатая; b – хлопьевидная; с – пластинчатая; 
d – почкообразная; е – сферическая; f – дендритная 

Между тем форма частиц в большой мере определяет поведе
ние порошковой массы во всех технологических операциях. Следовательно, для целей последующего промышленного использования неоценимое значение и важность представляет подробная и 
возможно более точная количественная морфологическая характеристика порошков. Она осуществляется через систему численных 
критериев формы. 

Наиболее легко количественно оцениваются частицы, пред
ставляющие собой простые гранные формы, которые характеризуют числом граней, ребер и вершин или дисперсией двухгранных 
углов. Однако полиэдрические кристаллы в порошках встречаются сравнительно нечасто. Поэтому наиболее употребителен метод расчета безразмерных соотношений между основными 

геометрическими параметрами, присущими данному набору частиц, называемых факторами или коэффициентами формы. 

Форма и микротопография частиц генетически обусловлены 

и несут на себе свидетельства своего происхождения (способа получения) и условий формирования. Благодаря этому создается возможность управления морфологическими признаками порошков 
в технически и экономически выгодном направлении регулировкой технологических параметров процесса их получения. 

Форма частиц порошка зависит от метода изготовления по
рошка: сферическая форма образуется при карбонильном способе 
в распылении, губчатая – при восстановлении, осколочная – при 
измельчении в шаровых мельницах, тарельчатая – при вихревом 
измельчении, дендритная – при электролизе, каплевидная – при 
распылении холодным азотом и воздухом, при распылении водой – 
рваная форма. 

Порошки механически измельченных хрупких сплавов пред
ставлены частицами неправильной осколочной формы. На их поверхности просматриваются грани осколков, присутствуют мелкие 
частицы, удерживаемые силами адгезии. 

Металлические пудры имеют чешуйчатую форму, которая 

лучше просматривается при больших увеличениях; чешуйки 
имеют неровные очертания, рваные края. 

Форма частиц может несколько изменяться при последующей 

обработке порошка (размол, отжиг, грануляция). 

Размер частиц и гранулометрический состав порошка. Ме
таллический порошок представляет собой совокупность частиц размером от долей микрометра до миллиметра. Практически никогда 
не встречаются металлические порошки с частицами одного размера. Самый широкий диапазон размеров частиц у порошков, получаемых восстановлением и электролизом. Как правило, металлические порошки представляют собой смесь частиц разных размеров. 

Гранулометрический (дисперсионный) состав порошков при
нято характеризовать относительным содержанием частиц определенного диапазона размеров (иначе – фракций) к общему количеству порошка, выраженным в процентах или массовых единицах. 
В настоящее время существует достаточно много способов его 

определения: от просеивания до специальных методов электронной микроскопии и радиометрии. 

По принципу подхода к решению задачи определения фрак
ционного состава порошков все методы гранулометрии можно разделить на интегральные и дифференциальные. Если для первых 
суждение о составе порошкового материала составляется по величине размерной характеристики некоторой совокупной части частиц относительно порошка в целом, то для вторых такое суждение 
базируется на обобщении результатов информации по каждой частице в отдельности. К интегральным методам относятся ситовой 
и седиментационный, к дифференциальным – более современные, 
такие как микроскопический, кондуктометрический, электроимпульсный методы. 

В зависимости от размеров частиц порошки весьма условно 

разделяют на следующие группы: ультрадисперсные (размер частиц до 100 нм), высокодисперсные (0.1–10 мкм), мелкие (10–
40 мкм), средние (40–250 мкм), крупные (250–1000 мкм). 

Определение гранулометрического состава металлических 

порошков методом седиментации. Седиментационный анализ основан на различной скорости оседания частиц разных размеров в 
вязкой среде. Измеряя эту скорость, можно определить радиус оседающих частиц r по формуле 

, 
(1.1) 

где v – скорость оседания частицы, см/с; γп и γж – плотность порошка и жидкой среды, кг/м3; η – вязкость жидкой среды, Па·с;  
g – ускорение свободного падения, м/с2. 

Уравнение Стокса применимо для порошков с размерами ча
стиц от 1 до 100 мкм, так как более тонкий порошок оседает крайне 
медленно, а частицы более 100 мкм вызывают проявление сил 
инерции среды, которые закон Стокса не учитывает. Варианты 
практического применения седиментационного анализа весьма 
многочисленны. 

g
)
(
/
v
r
ж
п
g
g
h
=
2
9

Способ определения гранулометрического состава металли
ческих порошков методом седиментации в жидкости описывает 
международный стандарт ИСО 10076. 

Магнитометрия – способ магнитной сепарации, т. е. отделе
ния магнитной части порошка от немагнитной, известен давно и 
завоевал прочные позиции как в исследовательской, так и в производственной практике. 

В 1959 г. было предложено использовать этот подход в новой 

модификации для разделения на фракции карбонильного железного порошка, полученного при обычном производстве. 

В дальнейшем предложенная идея легла в основу магнитного 

анализатора металлических порошков. 

Микроскопический анализ пригоден для еще более тонких по
рошков с размером частиц от 1 нм (электронный микроскоп) до 
1 мкм. При использовании оптического микроскопа в его трубе 
устанавливают окуляр-микрометр. С помощью шкалы определяют 
размеры отдельных зерен, а затем подсчитывают процентное содержание зерен определенных размеров. Точность такого метода 
зависит от количества измерений, а также от представительности 
пробы. Оптический микроскоп позволяет измерять частицы от 
0,3 до 100 мкм. 

Для оценки частиц меньших размеров, вплоть до 1 нм, приме
няют просвечивающий электронный микроскоп, обладающий более высокой разрешающей способностью. 

Диагностика дисперсности порошков, включая параметры 

размеров частиц, распределения их по размерным классам, удельной поверхности порошков, приобретает полноту и завершенность 
лишь с морфологическим описанием индивидуальных частиц. 

Удельная поверхность (Sуд, м2/г) представляет собой сумму 

наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его 
массы или объема. Для металлических порошков характерна поверхность от 0.01 до 1 м2/г, хотя во многих случаях она может достигать даже 15–20 м2/г. Удельная поверхность порошка зависит 
от размера и формы частиц, а также степени развитости их поверхности и возрастет с уменьшением размера, усложнением формы и 
увеличением шероховатости поверхности частиц. 

Это важная характеристика порошка, во многом определяющая 

его поведение при последующих операциях формования и спекания. 
Наиболее часто для определения удельной поверхности порошка используют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции. 

Адсорбционные методы определения удельной поверхности 

порошков являются в настоящее время наиболее применяемыми, 
особенно для высокодисперсных порошков. Среди молекулярных 
теорий, рассматривающих формирование адсорбированного слоя 
на частицах порошка, особое место занимает теория полимолекулярной адсорбции (теория БЭТ – теория Брунауэра, Эммета, Теллера), аппарат которой используется в методиках измерения удельной поверхности дисперсных материалов. 

Фотометрические методы основаны на законах взаимодей
ствия дисперсного материала с падающим на него пучком света, 
частично рассеиваемым поверхностью порошка, частично отражаемым или поглощаемым ею либо пропускаемым средой, в которой 
порошок диспергирован. 

Самый простой и удобный способ определения удельной по
верхности методом светопоглощения базируется на однократном 
измерении мутности порошковой суспензии. Мутность количественно характеризуется логарифмом отношения интенсивностей 
падающего и прошедшего через слой суспензии пучков света 
ln(I0/I). Измерения ведутся на турбидиметре. При этом, если порошок состоит из частиц мало различающихся размеров, то измеренное значение мутности примет вид 

, 
(1.2) 

где с – концентрация порошка в суспензии; l – длина пути света 
через суспензию; S'm – кажущаяся (фотометрическая) удельная поверхность монодисперсного материала. 

Фактическая (геометрическая) удельная поверхность опреде
ляется из выражения 

Sm = S'm / km, 
(1.3) 

m
S
cl

I
I
ln
¢
=

4

0

где km – средние значения коэффициента экстинкции для монодисперсного материала. 

Существует большое количество методов определения удель
ной поверхности: метод радиоактивных изотопов, методы светопоглощения, метод отражения света, метод твердофазной сорбции 
жирных кислот, метод иммерсионной калориметрии. 

Плотность частицы порошка зависит от природы ее матери
ала, совершенства внутренней макро – и микроструктуры. Для 
сплавов плотность частиц зависит от равномерности распределения в них легирующих элементов и фаз. Пикнометрическую (истинную) плотность частиц порошков определяют при помощи пикнометров. 

Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оцени
вать его способность к деформированию. Ее величина зависит от 
природы и химической чистоты материала, а также от условий 
предварительной обработки порошка. Деформируемость материала имеет важное значение для оценки технологических свойств 
порошков, главным образом их прессуемости. Удобной мерой пластичности порошка является микротвердость его частиц, которую 
определяют измерением диагонали отпечатка при вдавливании алмазной пирамидки (угол при вершине 136°) под действием небольших нагрузок (0,5–200 г) в шлифованную поверхность частицы. 

К технологическим свойствам металлических порошков от
носят: насыпную плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость. 

Насыпная плотность γ (г/см3) – это масса единицы объема 

порошка при свободной насыпке, представляющая собой его объемную характеристику. Она тем больше, чем крупнее и более правильной формы частицы порошка и чем больше их пикнометрическая плотность. Насыпная плотность является одной из важнейших 
характеристик металлических порошков. У порошков с размером 
частиц 0,1–1 мкм плотность в 5–10 раз меньше, чем плотность объемного материала. Измерения плотности основаны на принципе 
пикнометрии, поэтому измеренную таким образом плотность 
называют пикнометрической.