Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Покрытие - это слой одного материала или несколько слоев разных материалов, последовательно нанесенных на поверхность детали. Покрытия толщиной от десятых долей до нескольких сотен микрометров наносят на металлы, керамику, стекло, пластмассы. В качестве материалов покрытий используются металлы, оксиды, соли металлов, пластмассы, лаки, краски. Выбор вида покрытия и его толщины определяется материалом и назначением детали, особенностями технологии ее изготовления и условиями эксплуатации и регламентируется ГОСТ 9.303-84.

Различают следующие условия эксплуатации:

Гальваническое (электрохимическое) нанесение металлических покрытий основано на электролизе – химическом процессе, протекающем в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока. В качестве электролитов применяют водные растворы солей, кислот, щелочей различной концентрации. Процесс электролиза подчиняется двум законам Фарадея, которые обобщенно можно выразить в виде

m=k·J·t,

где m – масса выделившегося на электроде вещества;

k – электрохимический эквивалент;

J – сила тока;

t – время прохождения электрического тока.

Гальваническим методом создают защитные и специальные покрытия.

Классификация и области применения гальванических покрытий

Предохранить металл от внешней среды можно нанесением защитной пленки на поверхность изделия или, изменив химический состав поверхности. Защитное покрытие должно иметь минимальную пористость, хорошую адгезию, равномерно распределяться по всей поверхности и придавать поверхности изделия более высокую устойчивость к коррозии, твердость, износостойкость и жаростойкость. Приоритетной задачей гальванического покрытия является защита основы от коррозии. В зависимости от характера защиты основы различают анодные и катодные покрытия. Если в определенной коррозионной среде металл покрытия имеет более отрицательный потенциал, чем металл основы, то растворяется покрытие, а не основа. Такое покрытие называется анодным. Если покрытие имеет более положительный потенциал, то растворяется основа – покрытие катодное. По отношению к железу анодным покрытием в атмосферных условиях является цинковое, так как в короткозамкнутом элементе железо - цинк растворимым электродом является цинк. Железное основание покрыто гальваническим цинком (рис. 1, б), если на каком-либо участке поверхности покрытие будет повреждено, то при наличии влаги в месте повреждения образуется короткозамкнутый гальванический элемент, в котором оба электрода соединяются накоротко, а электролитом служит водный раствор солей, содержащихся в атмосферной влаге. В этом случае цинк, имеющий стандартный потенциал -0,763 В, будет растворяться с образованием ионов цинка Zn²⁺, а на железе (-0,440 В) будут разряжаться ионы водорода, при этом железо разрушаться не будет. На этом и основано широкое применение цинковых покрытий для защиты металлических изделий от коррозии.

Другой процесс происходит при наличии поврежденных участков или пор в оловянном покрытии на железе (см. рис. 1, а). Так как потенциал железа отрицательнее потенциала олова, то в образовавшемся гальваническом элементе железо будет растворяться с образованием ионов Fe²⁺, а на олове будут разряжаться ионы водорода Н⁺.

Таким образом, железо на этих участках будет разрушаться. Оловянное покрытие в этих условиях будет являться катодным покрытием и защищать от коррозии железо только при отсутствии в покрытии пор и трещин.

Катодными покрытиями являются покрытия из: меди, никеля, хрома, свинца, благородных металлов. Необходимо отметить, что анодный или катодный характер защиты зависит от среды, в которой находится покрываемое изделие.

Цинковое покрытие теряет защитные свойства в горячей воде и железо подвергается коррозии, так как потенциал цинка становится более положительным. Оловянное покрытие, которое в атмосферных условиях является катодным, становится анодным без доступа воздуха и в присутствии органических кислот. Потенциал олова в этих условиях смещается в сторону отрицательных значений.

Анодные покрытия обладают лучшими защитными свойствами по сравнению с катодными. При катодном характере защитно-декоративных покрытий последние должны полностью изолировать металл изделия от окружающей среды. Повышение защитных свойств таких покрытий может быть получено за счет применения многослойных покрытий.

Повышенная коррозионная стойкость двухслойных и трехслойных покрытий объясняется, прежде всего, меньшей суммарной пористостью покрытий, так как поры одного слоя не совпадают с порами другого слоя.

Кроме защитных применяются специальные покрытия, придающие поверхности изделия определенные свойства: износостойкость, твердость, электрическую проводимость, паяемость, магнитные свойства.

Основные характеристики металлических покрытий

Цинкование

Цинковое покрытие является анодным по отношению к черным металлам и защищает сталь от коррозии при температурах до 70℃, при более высоких температурах - механически. Покрытие предотвращает контактную коррозию сталей при сопряжении с деталями из алюминия и его сплавов. Для повышения коррозионной стойкости цинковое покрытие хромируют. Хромирование одновременно улучшает декоративный вид покрытия. Цинковое хромированное покрытие теряет свой декоративный вид при условии периодического механического воздействия: прикосновения инструмента, рук. Покрытие обладает прочным сцеплением с основным металлом, низким сопротивлением механическому истиранию и повышенной хрупкостью при температурах выше 250℃ и ниже минус 70℃. Покрытие обладает плохой химической стойкостью к воздействию продуктов. Твердость покрытия, наносимого электрохимическим способом, составляет 500...1200 Мпа. В технических требованиях на чертеже принята запись: Ц15.хр. (цинковое толщиной 15 мкм с хромированием).

Горячее цинкование

Осуществляется методом погружения в расплавленный металл. Толщина цинкового покрытия на нелегированной стали при выдержке в течение 1 мин и температуре расплава около 450℃ равна 80 мкм.

В расплавленный металл иногда вводят небольшие количество присадок, которые оказывают благоприятное влияние на внешний вид покрытия, не изменяя его строения и коррозионную стойкость, в некоторых случаях присадки влияют на строение покрытия, его механические и коррозионные свойства.

Кадмирование

Кадмирование в отличие от оцинкования нельзя осуществлять методом погружения в расплавленный металл, так как кадмий обладает повышенной летучестью и при температуре 400℃ выделяет вредные для здоровья пары. Кадмий значительно дороже цинка, тонкие кадмиевые покрытия применяют для защиты от коррозии и для придания поверхности красивого внешнего вида различным стальным деталям в авиации, для защиты от морской коррозии. Кадмированию подвергаются детали стальные, латунные, алюминиевые из нержавеющей стали.

Наиболее распространены цианистые кадмиевые электролиты, состоящие из щелочно-цианистого комплекса кадмия, свободного цианида натрия или калия, свободной щелочи и органической или неорганической добавки.

В технических требованиях на чертеже покрытие записывают: Кд3.хр. (кадмиевое толщиной 3 мкм хромированное).

Оловянное покрытие

Оловянное покрытие в атмосферных условиях является катодным по отношению к стали, анодным - во многих органических средах, а также по отношению к меди и ее сплавам, содержащим более 50% меди. Покрытие рекомендуется для обеспечения пайки.

Оно стойко к действию серосодержащих соединений и рекомендуется для деталей, контактирующих со всеми видами пластмасс и резин, обладает хорошим сцеплением с основным металлом, эластичностью, выдерживает изгиб, вытяжку, развальцовку, штамповку, прессовую посадку.

Для матового оловянного покрытия характерна значительная пористость. Пористость покрытий малой толщины (до 6 мкм) может быть снижена оплавлением покрытия или нанесением блестящего покрытия.

При эксплуатации оловянных покрытий при температуре ниже плюс 13℃ возможно разрушение покрытия вследствие перехода компактного белого олова в порошкообразное серое олово. Твердость покрытия - 118...198 Мпа. Допустимая рабочая температура покрытия - 200℃. Пример записи на чертеже: 03.кр/лкп (оловянное покрытие толщиной 3 мкм, кристаллическое, с последующим нанесением лакокрасочного покрытия).

Покрытие сплавом олово - никель

Покрытие сплавом 0-Н(65) является катодным по отношению к сталям. Наносится предохраняя детали, подлежащие пайке и для обеспечения твердости, износостойкости. Имеет высокую коррозионную стойкость. Имеет повышенное сопротивление повышенной влажности. Покрытие хорошо полируется, выдерживает запрессовку в пластмассы.

Микротвердость покрытия 4900...5880 МПа (500...600 кгс/мм²). Допустимая рабочая температура - 300...350℃. Примером записи в конструкторскую документацию служит аббревиатура: О-Н(65)3.опл. (покрытие сплавом олово-никель с массовой долей олова 65% толщиной 3 мкм, оплавленное).

Покрытие сплавом олово - висмут

Покрытие сплавом 0-Ви-(99,8) в атмосферных условиях является катодным по отношению к стали, анодным по отношению к меди и ее сплавам, содержащим более 50% меди; рекомендуется как защитное для деталей, подлежащих пайке. Коррозионная стойкость и склонность к иглообразованию такие же, как у оловянного покрытия.

Покрытие хорошо выдерживает развальцовку, штамповку, прессовые посадки, сохраняется при свинчивании. Примером записи в конструкторскую документацию служит аббревиатура: О-Ви(99,8)12.б (олово-висмут с содержанием олова 99,8%, требованием по блеску и толщиной 12мкм.).

Покрытие сплавом олово - свинец

Покрытие сплавом 0-С(60) в атмосферных условиях является катодным по отношению к стали, анодным - по отношению к меди и ее сплавам. Покрытие обеспечивает паяемость низкотемпературными припоями. В условиях повышенной температуры и влажности коррозионная стойкость ниже, чем у оловянного покрытия. Покрытие пластично, обладает низким электрическим сопротивлением, паяется с применением канифольных флюсов.

Паяемость покрытия после опрессовки в полимерные материалы при необходимости восстанавливают горячим способом с неактивированным канифольным флюсом.

Алюминирование

Данное покрытие в 6 раз устойчивее цинкового при одинаковом весе и в 2,5 раза - при одинаковой толщине. Существует несколько методов нанесения алюминиевых покрытий на сталь:

Погружение в расплавленный металл получило самое большое распространение, его используют для покрытия листов достаточной ширины, а также для покрытия других изделий. Основные затруднения развития горячего алюминирования - окисление стали и расплавленного алюминия, а также образование хрупкого соединения FeAl₃ при повышенной температуре, что ухудшает адгезию покрытия к основе. Температура алюминиевой ванны не должна значительно превышать температуру плавления алюминия. Оптимальной является температура 700-750℃.

При содержании в ванне 0,75-6 % Si толщина промежуточного слоя уменьшается на 40-75%. При длительном воздействии атмосферы покрытия из сплава темнеют, но стойкость их против коррозии снижается мало.

Бериллий (0,6%) снижает толщину промежуточного сплава на 80% и не ухудшает коррозионную стойкость покрытия. Пластичность при таком содержании бериллия существенно повышается (на 38%). Покрытие Al-Si (2-6% Si) стойко до температуры 480℃. В присутствии кремния обычно получают покрытия толщиной 25 мкм; из чистого алюминия - 50 мкм.

Меднение

Медные покрытия не рекомендуются для защиты железа и стали от коррозии, так же их нельзя рассматривать как защитно-декоративные. Стальные детали иногда подвергают меднению с последующим электрохимическим окрашиванием в различные цвета. Широкое применение электролитических осадков меди в качестве промежуточных слоев при нанесении различных гальванических покрытий в известной мере определяется хорошим сцеплением электро-осажденной меди с различными металлами. В отличие от горячих методов нанесения металлических покрытий, при которых между основным металлом и покрытием образуется промежуточный диффузионный слой, при электролитическом осаждении меди на сталь не удается обнаружить промежуточный диффузионный слой. Прочность сцепления между основным металлом и покрытием при этом приближается по величине к прочности связи между отдельными атомами в твердом металле.

При защитно-декоративном хромировании стальных и цинковых деталей роль медного слоя сводится к экономии никеля при сохранении защитных свойств суммарных покрытий (Сu + Ni + Cr) и снижению трудоемкости операций механической подготовки поверхности стальных деталей.

Медное покрытие обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, выдерживает глубокую вытяжку, развальцовку, хорошо полируется, облегчает приработку, притирку и свинчивание; в свежеосажденном состоянии хорошо паяется. С низкотемпературными припоями образует интерметаллические соединения, резко ухудшающие паяемость и прочность паяного соединения. Допустимая рабочая температура покрытия - 300℃, твердость покрытия - 590...1470 МПа (60...150 кгс/мм²).

Никелирование

Никелирование получило в гальванике наиболее широкое применение. Широкое распространение объясняется ценными физико-химическими свойствами электролитически осажденного никеля. Никель является достаточно стойким против атмосферного воздуха, щелочей и некоторых кислот. По отношению к железу никель имеет менее электроотрицательный потенциал, следовательно, никель защищает от коррозии лишь при отсутствии пор в покрытии. Чаще всего при никелировании преследуют две цели: защиту основного металла от коррозии и декоративную отделку поверхности. Покрытия применяют для наружных частей автомобилей, велосипедов, различных аппаратов, приборов, хирургических инструментов, предметов домашнего обихода.

Пример записи на чертеже: Нб.15 (никелевое толщиной 15мкм, блестящее, получаемое из электролита с блескообразователем).

Электроосаждение кобальта и его сплавов

Для электроосаждения кобальта применимы те же электролиты, что и для никелирования-сульфатные, хлоридные, фторборатные, сульфаматные.

Покрытия из сплавов кобальта имеют более широкое применение, чем чисто кобальтовые покрытия из-за технических и экономических соображений. Промышленное применение получил богатый кобальтом сплав с вольфрамом и фосфором, поскольку такие сплавы сохраняют свою твердость при высокой температуре.

Электролитическое осаждение железа

Сравнительно широкое применение находит электролитическое производство железного порошка для металлургических целей. В зависимости от назначения можно осаждать твердое и хрупкое железо, которое в результате термообработки становится мягким и ковким, или мягкое и пластичное железо, которое в результате цементации, цианирования и азотирования приобретает поверхностную твердость. Электроосажденное железо вследствие высокой степени чистоты относительно лучше сопротивляется коррозии. Оно хорошо противостоит действию расплавленной щелочи и водных ее растворов.

Для железнения применяются такие электролиты, как сульфатные, хлористые и фторборатные.

Хромирование

Установки для хромирования имеются на всех крупных машиностроительных и приборостроительных заводах. Главными достоинствами электролитического хрома являются высокая химическая стойкость и сопротивление механическому износу.

Органическая и азотная кислота на него не действуют. В атмосфере воздуха хром совершенно не меняет цвета. В противоположность серебру на него не действует сероводород. Осажденный на предварительно отполированную поверхность хром имеет зеркальный блеск и серебристый с синеватым отливом цвет. Хромовые отложения жароустойчивы и начинают изменять свой цвет при 480-500℃.

Осадить электролитическим путем хром можно почти на все металлы. Хромирование проводят с двумя основными целями: сохранить красивый блестящий вид поверхности и повысить сопротивление механическому износу.

Несмотря на высокую химическую стойкость, хром не обеспечивает надежной защиты железа от коррозии. Хром широко применяют вместо серебра в производстве, имея более низкий коэффициент отражения, чем серебро, хром имеет перед ним то преимущество, что он не тускнеет со временем.

Большой эффект дает хромирование штампов и матриц при изготовлении различных изделий из резины, кожи и пластических масс.

Для защиты от механического износа трущихся поверхностей хромирование широко применяют в машиностроении, авиамоторостроении, на транспорте. Хромированию успешно поддаются цилиндры двигателей внутреннего сгорания и поршневые кольца.

С большим успехом хромирование применяется для предельных калибров. Срок службы при этом увеличивается в 5-10 раз. Калибры предварительно соответствующим образом обрабатывают, причем при доводке размеров учитывают наращивание определенной толщины хромового слоя.

В инструментальном деле хромирование приобретает все большее и большее значение. Хромируют: сверла, метчики, развертки. Пример записи на чертеже: Хд36 (Хромовое двухслойное толщиной 36мкм).

Серебрение

Серебрение в промышленных масштабах осуществляется только из цианистых электролитов. Его применяли для декоративной отделки столовых приборов, предметов искусства и в ювелирном деле. В радиотехнике серебрение широко применяется благодаря высокой электропроводности и низкому контактному электросопротивлению. Главными компонентами серебряной цианистой ванны являются комплексная серебряная соль и свободный цианид. Комплексная соль может быть получена растворением в цианистом калии цианистого или хлористого серебра по реакциям:

При растворении хлористого серебра в цианиде в электролите образуется эквивалентное серебру количество хлористого калия. Для приготовления электролитов серебрения потребное количество цианида растворяется в половинном объеме воды в стальной или керамической ванне. Затем при осторожном помешивании добавляют цианистое серебро. Остальные соли растворяются таким же методом в цианиде калия. Затем электролит отфильтровывают в рабочую ванну и добавляют воду до нужного объема.

Золочение

Золочение широко применяют в гальванотехнике, по своим декоративным свойствам золоченые изделия не имеют себе подобных. Золото отличается высокой химической стойкостью оно не тускнеет под действием сероводорода и других сернистых соединений и не растворяется ни в какой минеральной кислоте кроме царской водки. Золочение преимущественно применяется в ювелирном и часовом производстве. Ценное качество золотых покрытий - возможность сообщить им различные оттенки путем введения в электролит малых количеств солей металлов, ионы которых разряжаются совместно с ионами золота. Золото образует с германием и кремнием легкоплавкую эвтектику, что обусловливает широкое применение процесса золочения в производстве полупроводниковых приборов.

Золото легко осаждается на меди, никеле, серебре и при соответствующей подготовке поверхности на молибдене, вольфраме, алюминии, титане, кремнии и германии.

Золочение применяют в электронной промышленности, в производстве электронно-вычислительных устройств и многочисленных деталей к ним. При этом, конечно, имеют в виду не декоративную отделку, а более ценные свойства золотых покрытий:

Выше были перечислены свойства золота и, следовательно, поверхностные свойства золоченых изделий. Однако золотые покрытия в электронике должны отвечать определенным требованиям по электропроводности, сопротивлению коррозии и паяемости.

Палладиевое покрытие

Палладиевое покрытие является катодным по отношению к покрываемым металлам, обладает высокой стойкостью в атмосферных условиях и при воздействии сернистых соединений, высоким сопротивлением механическому износу. Покрытие рекомендуется применять для снижения переходного сопротивления контактирующих серебряных поверхностей, повышения их поверхностной твердости, износостойкости, при необходимости сохранения постоянства электрического сопротивления.

Покрытие обладает высокой износостойкостью и хорошей электропроводностью, стабильным во времени контактным сопротивлением. Электропроводность почти в семь раз ниже, чем у серебряного покрытия. Покрытие не рекомендуется применять в контакте с органическими материалами и резинами, а также в замкнутом пространстве при наличии указанных материалов. Покрытие не допускается применять в среде водорода.

Твердость покрытия - 1960...2450 МПа (200...250 кгс/мм²); удельное сопротивление при температуре 18℃ - 10,8...10^-8 Ом·м; внутренние напряжения достигают 686 МПа (70 кгс/мм²).

Родиевое покрытие

Родиевое покрытие является катодным по отношению к покрываемым металлам. Покрытие рекомендуется применять для обеспечения стабильных электрических параметров деталей контактных устройств, повышения отражательной способности поверхности. Покрытие обладает высокими износостойкостью, электропроводностью, отражательной способностью. Коэффициент отражения - 76...81%.

Покрытие не подвержено свариванию, стойко в большинстве коррозионно-активных сред, в том числе в сероводороде, не окисляется до температуры 500℃. Покрытие при толщине 1,0 мкм практически не имеет пор, при толщине более 3 мкм склонно к образованию микротрещин.

Твердость покрытия - 3920...7840 МПа (400...800 кгс/мм²); удельное сопротивление при температуре 18℃ - 4,5...10^-8 Ом·м; внутренние напряжения достигают 1670 МПа (170 кгс/мм²).

Как вам статья, понравилась? Если остались вопросы задавайте их тут. Подписывайтесь на наш youtube канал, комментируйте и ставьте лайки.