Гальваническое покрытие металла: виды, методы, описание процесса

Гальваническое покрытие металла – электрохимический метод защиты от неблагоприятных внешних воздействий. Тонкая металлическая пленка защищает детали от действия химических веществ и влаги, продлевает срок службы и улучшает внешний вид.

Технология нанесения гальванических покрытий отличается простотой и экономичностью, благодаря чему получила большое распространение в различных сферах:

• Строительстве. Гальванический способ используется для покрытия металлических конструкций, эксплуатирующихся под открытым небом.
• Авиа- и машиностроении. Для защиты деталей, от воздействия неблагоприятных факторов.
• Приборостроении и электронной промышленности гальваническое покрытие используется для защиты контактов из активных металлов.
• Медицине. Применяется в производстве медицинских и хирургических инструментов.
• Химической промышленности. Для изготовления лабораторной посуды.
• Производстве товаров народного потребления, в том числе сантехники, посуды, предметов интерьера, мебели и т.д.

Принцип

Схема, по которой реализуется гальваническое покрытие металла, довольно проста. В нее входит изделие, на которое наносится защитное покрытие, емкость с раствором электролита, куда помещается изделие. Третьим участником процесса является металлическая пластина, на которую подается положительный заряд тока, она выполняет функции анода, помещенное в раствор изделие становится катодом, куда подается отрицательный заряд.

При замыкании электрической сети металл анода (пластины) растворяется в электролите и под действием тока устремляется к отрицательно заряженному изделию (катоду), тем самым создавая прочное покрытие. Электролит является проводящим раствором для перемещения металлов с анода на катод. Размер емкостей (ванн) с электролитом бывает разным, в зависимости от производственных задач.

Изделия больших размеров размещают на подвесах, через которые пропускают отрицательный заряд, конструкция удерживается на весу в объеме ванной. Мелкие изделия получают гальваническое покрытие в ваннах барабанного типа, где одновременно гальванизируется большое количество продукции. В этом случае отрицательный заряд подается на барабан, вращающийся в емкости с электролитом, куда заведен анод.

Существуют колокольные наливные ванны, где гальваническое покрытие одновременно наносится на большое количество очень мелких деталей, например на метизы. В емкости засыпают продукцию, заливают электролитный состав и устанавливают анод. Ваннам придается медленное вращение, в процессе которого изделия равномерно покрываются защитным металлом.

Алюминий и его сплавы.

Алюминий — один из основных видов конструкционных материалов, широко применяемый в электротехнике, приборо-, машино- и авиастроении. Алюминий легок и коррозионно-устойчив в атмосфере за счет присутствующей на его поверхности тончайшей пассивной пленки в несколько нанометров. Алюмииний хорошо проводит электричество и тепло. Цена алюминия ниже, чем других цветных металлов, а природные запасы огромны. Однако алюминий имеет и ряд недостатков. Он паяется хуже, чем олово, не обладает износостойкостью, его практически невозможно заполировать до зеркального блеска. В солевой среде, щелочах, соляной кислоте и ряде других реагентов алюминий активно корродирует. При контакте с медными деталями или нержавеющей сталью алюминий образует коррозионно-активную гальванопару. Поэтому поверхность алюминия часто требуется модифицировать гальваническими или химическими покрытиями.

Среди покрытий на алюминии можно выделить две группы: оксидные и металлические. Химическое и анодное оксидирование алюминия не представляет больших трудностей при отработанной технологии производства. В то же время нанесение металлических покрытий требует серьезной подготовки поверхности и обязательного нанесения одного-двух технологических подслоев. Это связано (как и в случае с нержавеющей сталью или титаном) со способностью алюминия почти мгновенно пассивироваться. Пассивная пленка легко восстанавливается на влажной детали после травления и препятствует дальнейшему сцеплению покрытия и основы. Более того, при плохой подготовке алюминия после металлизации могут образовываться скрытые дефекты и покрытие может «вспузыриться» при хранении даже через несколько месяцев или при пайке. По этой причине все металлические покрытия на алюминии должны в 100% случаев проверяться на адгезию как минимум двумя методами по ГОСТ.

Разделение алюминиевых сплавов на деформируемые и литейные обусловлено особенностями формовки из них полуфабрикатов и готовых изделий.

Деформируемые сплавы алюминия предназначены в первую очередь для последующей токарной, фрезерной обработки, экструзии и т.п. Они отличаются по составу от литейных отсутствием или незначительным содержанием в них кремния. При травлении деформируемых сплавов на их поверхности образуется шлам из легирующих добавок и интерметаллидов, который во время последующей обязательной операции осветления легко удаляется обычной азотной кислотой и не препятствует покрытию. В процессе анодирования такой шлам растворяется в электролите и также не скапливается на поверхности. Присутствие кремния в алюминиевом сплаве (а как следствие — в травильном шламе) сделало бы процессы оксидирования и металлизации алюминия гораздо более сложными. Таким образом, покрытие деформируемых сплавов алюминия проще, чем литейных.

Литейные сплавы алюминия- одни из основных конструкционных материалов, широко применяемых в электротехнике, приборо- и авиастроении. Литейные сплавы алюминия отличаются высоким содержанием кремния, что сопряжено с высокой сложностью подготовки их поверхности перед покрытиями. Любое покрытие литейного алюминия — сложный процесс, ввиду присутствия на его поверхности оксидной пленки и образовании на поверхности порошка кремния при травлении. Все это препятствует прочному сцеплению покрытия с основой. Данная проблема решается применением специальных операций предварительной подготовки.

Методы

Гальванический метод покрытия изделий позволяет создать стойкое защитное покрытие на металлах, изолируя детали от агрессивного воздействия рабочих сред. Изоляция может быть создана из различных металлов, нанесение осуществляется анодным и катодным напылением.

Катодное покрытие характеризуется тем, что при малейшем нарушении целостности нанесенного слоя металл под ним разрушается более интенсивно, чему способствует сама технология покрытия. Примером быстрой эрозии служат изделия из луженого металла, где изоляционным слоем служит олово.

Анодное нанесение гальванических покрытий имеет иные характеристики. При возникновении условий угрозы коррозии разрушению подвергается гальваническая изоляция, металл длительное время остается нетронутым. Анодированные изделия надежно защищены от агрессивных сред, механических повреждений. Наиболее распространенный вид изоляции – цинкование. Метод позволяет сохранить все характеристики обрабатываемого изделия, его внешний вид, форму и размеры.

Цели

Гальванические покрытия разделяются на несколько видов в зависимости от целей применения изделия:

• Защитно-декоративные. Целью нанесения является получение высоких эстетических характеристик и защита продукции от разрушающих факторов.
• Защитные. Изолируют металлические детали от действия агрессивных сред, механических повреждений.
• Специального назначения. Гальваническое покрытие наносится для получения новых свойств – повышенной износостойкости, увеличения характеристик твердости, получения магнитных, электроизоляционных свойств готового изделия. В некоторых случаях гальванизацию используют для восстановления первоначального вида изделия или после длительной эксплуатации.

Виды покрытий

Гальванический способ покрытия реализуется нанесением различных металлов на изделие, каждый из них имеет свои особенности и цели в дальнейшей эксплуатации детали или предмета:

• Серебрение – увеличивает эстетическую ценность, защищает от коррозии, улучшает отражающие, токопроводящие характеристики. Вид нанесения востребован при производстве статических реле, контакторов, электромагнитных реле, электромагнитных пускателей, микросхем и другой электронной продукции.
• Никелирование – наиболее востребованное гальваническое покрытие стали, медных и алюминиевых изделий. Никелевый слой надежно защищает изделия или детали машин от ржавчины, образующейся под воздействием внешней среды, а также от видов коррозии, возникающих вследствие загрязнения агрессивными средами рабочей среды – щелочами, кислотами, солями. Никелированные изделия демонстрируют высокую устойчивость к сильным механическим повреждениям, истиранию.
• Хромирование – увеличивает износостойкость, твердость анодированных поверхностей, позволяет улучшить внешний вид, восстановить поврежденные детали до первоначальных параметров. В зависимости от изменений технологического режима получают гальваническое покрытие с различными параметрами и свойствами – серое матовое (увеличение твердости, но низкая износоустойчивость), блестящее (высокие показатели износостойкости, твердости), молочное пластичное (эстетичность, высокая степень антикоррозионной защиты, низкая твердость), цинкование – антикоррозионная обработка цельных стальных листов, частей автомобилей, строительно-отделочных материалов.

• Гальваническое золотое покрытие – используется в ювелирном деле, электронной промышленности и других сферах. Слой золота придает деталям высокие отражающие свойства, эстетичность, защиту от коррозии, повышает токопроводящие качества.
• Омеднение – часто используется для покрытия металла в целях защиты от коррозии, медь повышает токопроводящие качества, металл с таким покрытием часто используются для производства электропроводников, эксплуатируемых на открытом воздухе.
• Латунирование – используется для защиты от коррозионного повреждения сталей, алюминия и сплавов. Слой латуни обеспечивает необходимую адгезию металлических деталей с резиной.
• Родирование – специальное покрытие, наносимое для придания деталям высокой устойчивости в химических агрессивных средах, получения дополнительной механической износоустойчивости. Также покрытие родием придает изделиям декоративность, бережет серебряные предметы от окисления, тусклости.

Регуляция качества и технологических процессов гальванического покрытия происходит с помощью ГОСТ 9.301-78.

Виды гальванических покрытий

Для защиты металлоизделий используются различные виды гальванических покрытий, в том числе из драгоценных металлов. Их используют редко, как правило, в радиотехнике, приборостроении и производстве ювелирных изделий.

Наибольшее распространение получили:

• Медь. В промышленности не используется самостоятельно. Это связано с тем, что медь при взаимодействии с кислородом быстро окисляется. Чаще всего ее применяют в качестве подслоя, для улучшения качества покрытия, в сочетании с другими металлами: никелем и хромом.

Последнее время большую популярность приобрели декоративные изделия, имитирующие старинные. Медь оказалась благодатным материалом для декораторов. Она доступна, легко поддается обработке, процесс гальванического покрытия не требует больших финансовых затрат. Ее свойства позволяют подвергать гальванизации необычные материалы, например растения и создавать неповторимые украшения.

• Хром. Хромирование широко применяется в промышленности для снижения трения в механизмах, повышения износостойкости и устойчивости к коррозии. Используется не только для защиты, но и для восстановления металлических деталей, а также в декоративных целях, поскольку покрытие имеет красивую зеркальную поверхность.
• Цинк. Цинкование – одна из самых востребованных технологий. Гальваническое покрытие обладает высоким защитным действием, что позволяет продлить срок службы металлических изделий на десятки лет. Оцинкованные предметы стали популярными в среде декораторов и с успехом используются для оформления интерьеров.
• Никель. Характеризуется прочностью и высокими эстетическими свойствами. Покрытие никелем используется во многих сферах: производстве сантехники, строительстве, машиностроении, химической промышленности, медицине, производстве товаров народного потребления. Никель часто выступает в качестве подслоя при хромировании. Активно применяется для создания декоративных изделий поскольку может использоваться на неметаллических поверхностях, например стекле, керамике и т.д.

Совместимость обрабатываемых металлов

При использовании метода гальваники (в выборе контактируемых металлов) необходимо учитывать их гальванические свойства. Это касается и любых производств, где изготавливаются изделия из разных металлов. Дело в том, что взаимодействие разнородных металлов приводит к такому явлению, как контактная коррозия – к примеру, использование заклепок из меди для скрепления алюминиевых листов приведет к созданию гальванической пары и как следствие, к сильной коррозии.

У каждого из указанных металлов есть свой электродный потенциал. При контакте с электролитическим составом, один из них становится анодом, а другой – катодом. В процессе реакции анодом является алюминий. Медь, в данном случае выступающая в качестве катода, способствует быстрому разрушению алюминия.

Нужно учесть, что почти все разнородные металлы, которые взаимодействуют друг с другом, не могут быть гарантированно защищены от коррозии. Причина в том, что при контакте металлов электролитом может стать даже влага, находящаяся в воздухе: её частицы вполне способны запустить процесс гальванизации.

В данной таблице представлены данные о совместимости гальванических пар:

Характеристики гальванических покрытий

Оценка результатов гальванизации деталей производится путем контроля свойств полученного покрытия. Оно обладает следующими свойствами:

• Электрические параметры покрытия. В изготовлении токопроводящих компонентов эта характеристика гальванического покрытия изделий является ключевой;
• Фактурность. В зависимости от выбранной методики гальванизации покрытие может обладать разной степенью шероховатости поверхности;
• Твердость. Эта характеристика покрытия оценивается при помощи специализированного измерительного оборудования.

Подготовительный этап

Нанесение гальванического покрытия – это многоуровневый технологический процесс, реализуемый в три основных этапа (подготовка, нанесение покрытия, заключительная обработка готового изделия).

Подготовка поверхностей для дальнейшей гальванизации – наиболее трудоемкий и ответственный этап всего процесса. От правильности и достаточности его проведения зависит качество полученного защитного покрытия. При наличии на поверхности металла малейших следов жира и оксидной пленки получение однородной сплошной защитной пленки будет невозможно – покрытие не сможет проникнуть в слои основного металла, могут образоваться пузыри, разрывы и т. д.

Дефекты могут возникнуть на местах, где остались заусенцы, неровности поверхности, в местах плохо отшлифованных спаев, недостаточно очищенных от пыли местах. Гальваническое покрытие требует низкой шероховатости поверхности, тщательного очищения после шлифовки и обязательной обработки обезжиривающими средствами.

Цинк-алюминий-медные сплавы (ЦАМ).

ЦАМ — сплав цинка с алюминием и медью. Данный материал легко и с высокой точностью льется. Особенностью покрытия данного материала является наличие на его поверхности литейной корочки и скрытых микропор. Ввиду этого, возникает большая опасность появления «пузырей» на покрытии. Кроме того, цинковый сплав прекрасно поглощает водород, образующийся при выполнении гальванических операций. Водород сорбируется при нанесении покрытия и частично десорбируется при хранении. При этом он также может способствовать образованию «пузырей». Для получения качественного покрытия, прочно сцепленного с поверхностью ЦАМ, необходимо применение специализированных технологий.

Виды обработки деталей

Механическая обработка и достижение идеальной гладкости металлических деталей достигается в домашних условиях шлифованием поверхности наждачной бумагой и другими абразивами, в промышленных масштабах используются пескоструйные, химические, автоматизированные методы достижения результатов. На подготовительном этапе проводят изоляцию деталей или отдельных мест, не подлежащих гальванизации.

В зависимости от вида наносимого металла проводят различную подготовку. Перед цинкованием или кадмированием поверхность защищаемой детали обезжиривают и протравливают. Хромирование и никелирование предваряют механической шлифовкой, обезжириванием, удалением оксидной пленки. Обезжиривание проводится в два этапа – стартовые работы и полное обезжиривание.

Предварительно детали промывают растворителями – уайт-спиритом, бензином, специальными органическими смесями и т. д. Окончательную обработку реализуют при помощи щелочных растворов или электрохимическим методом. После чего детали промывают горячей водой, проводят активацию и легкое протравливание металла для удаления мельчайших пленок окислов, что улучшает адгезию поверхности детали с гальваническим покрытием металла.

Как реализуется процесс

Осаждение защитного слоя металла на изделиях проводится при помощи специального оборудования. Различия нанесения видов гальваники отражены в рецептуре используемого электролита.

Гальванический метод покрытия металлов и других материалов происходит следующим образом:

• Гальванические ванны заполняются электролитическим раствором. В них помещают аноды и обрабатываемые изделия. Размер и вид ванны зависят от величины деталей, требующих покрытия.
• Нагревательное устройство доводит температуру электролитического состава до нужного технологически обоснованного значения.
• В конструкцию подается ток от источника, оснащенного регулятором напряжения.
• Процесс гальванического покрытия занимает определенное время, его величина обуславливается размером детали, достижением необходимой толщины защитного слоя.

Особенности процесса

В некоторых случаях при гальваническом методе покрытия обрабатываемые детали навешивают на катодную штангу, расположенную в ванной, а на анодной штанге размещают пластины металла, который будет покрывать изделия. Для получения определенных характеристик покрытия в электролит могут вводиться соли металлов, органические соединения, блескообразователи и т. д.

Для ускорения процесса перенесения металлов электролит перемешивают, что дает возможность применять большую плотность тока. Реверсирование направления тока позволяет получать гладкую поверхность.

Точное время длительности гальванического процесса покрытия устанавливается опытным путем – нанесением защитного слоя на деталь, измерением толщины получаемого слоя за определенный отрезок времени при заданных условиях технологического процесса. Особое внимание на этапе приладки уделяют толщине слоя в углублениях и полостях обрабатываемой опытной детали.

Толщина слоя

Толщина гальванического покрытия определяется согласно данным о средних толщинах наносимого слоя, зависит от условий, в которых будет эксплуатироваться деталь. Они делятся на группы:

• Легкие условия (ЛС) – детали используются в закрытых отапливаемых помещениях с относительно сухой атмосферой, или изделие будет эксплуатироваться в течение непродолжительного срока во внешней среде, где нет активных коррозионных агентов. Толщина однослойного покрытия составляет около 7 мк, многослойного – 15 мк.
• Средние условия (СС) – детали будут использоваться в среде со средней влажностью, загрязнением, небольшими количествами топливных, промышленных выбросов или испарений морской воды. Толщина однослойного покрытия составляет 15 мк, многослойного – 30 мк.
• Жесткие условия (ЖС) – предусматривают эксплуатацию деталей в условиях высокой влажности, повышенного уровня загрязнений промышленными газами, отходами топлива, твердыми веществами, пылью. Толщина однослойного покрытия – 30 мк, многослойного – 45.

Данные о толщине гальванического покрытия деталей одним слоем содержит ГОСТ 2249-43. Сюда относятся цинковые покрытия. Контролирует многослойное нанесение гальванического покрытия ГОСТ 3002-45 (никелевые покрытия). Толщина слоя может быть изменена по конструктивным требованиям или в тех случаях, когда обрабатываемая деталь рассчитана на короткий срок эксплуатации. Срок службы цинкования – до 5 лет, для остальных видов покрытий – до 3 лет.

Титан и его сплавы.

Титан — важнейший конструкционный материал, обладающий целым рядом уникальных свойств. Титан легок, что обуславливается его малой плотностью (4540 кг/м3). Он легче железа почти в 2 раза, хотя и уступает по этому показателю во столько же раз алюминию. Наряду с легкостью титан высокопрочен. Уникальной является способность титана к пассивации и, как следствие, его исключительная коррозионная стойкость. Промышленные газы, соленая вода и окислители не причиняют титану никакого вреда. Однако, при всех положительных качествах титан дорог, прихотлив в обработке и формовке, имеет высокий коэффициент трения. Пайка и сварка титана сложна и трудоемка. Он в 24 раза хуже проводит электричество, чем медь, в 16 раз хуже, чем алюминий и в 4 раза хуже, чем сталь. Титан уступает по теплопроводности алюминию почти в 15 раз, стали — в 5. По температуропроводности титан хуже алюминия также в 15 раз, стали — в 3,5 раза. При высокой температуре титан активно взаимодействует с кислородом, азотом, углеродом, галогенами (хлором, бромом, йодом, фтором), а также серой. Уже при комнатной температуре титан нестоек в щелочах и перекиси водорода.

Нанесение защитно-декоративных гальванических покрытий на титан позволяет улучшить многие его свойства и нивелировать недостатки. Хромирование титана увеличивает его износостойкость и термостойкость. Для повышения электропроводимости и паяемости титана применяется оловянирование (олово-висмут), меднение и серебрение. Антифрикционные свойства улучшаются при покрытии олово-свинцом и свинцом. Никель и сплав никель-фосфор (химникель) защищает титан от воздействия щелочей при любых концентрациях и температурах. Внешний вид титана улучшается за счет блестящих хромовых, никелевых и олово-висмутовых покрытий. Для декоративной отделки титана часто применяется анодное оксидирование. При этом, в отличие от бесцветных полупрозрачных оксидов на алюминии, на титане образуется окрашенная пленка. Цвет ее зависит от приложенного на деталь напряжения, которое может доходить до 120 В. Анодированием можно окрашивать титан в светло-зеленый, темно-серый, голубой, черный, золотистый и иные цвета.

Нанесение металлических покрытий на титан требует большого опыта и сопряжено со значительными трудностями. Благодаря способности почти мгновенно пассивироваться титан всегда имеет на своей поверхности слой оксидов, который резко ухудшает адгезию покрытий. Кроме этого, в титан легко диффундирует водород при подготовке поверхности. Скапливаясь на границе основа/покрытие он также будет вызывать отслоения и ухудшать физико-механические свойства детали.

Обработка готового изделия

Гальваническое покрытие деталей завершается этапом дополнительной обработки. В этом процессе реализуются следующие операции:

• Осветление.
• Окраска лакокрасочными составами.
• Пассивирование.
• Обезводороживание.
• Промасливание или полировка.
• Выполнение серебрения составами против тусклости.

Осветление и пассивирование повышают антикоррозионные свойства оцинкованных изделий и кадмиевых покрытий. Процесс пассивирования – это погружение изделий в специальный раствор, образующий на поверхности детали защитную пленку толщиной до 1 мкм.

Изделия из стали, меди с гальваническим покрытием дополнительно обрабатывают маслами – промасливают. Это делается в целях улучшения защитных качеств металлической изоляции и способствует повышению антикоррозионной устойчивости.

Оборудование и материалы

Для проведения работ связанных с гальваническим покрытием используется следующее оборудование:

• гальванические ванны, выполненные из материала стойкого к электролитам;
• устройства нагрева;
• источник постоянного электрического тока;
• система крепления электродов: анода и катода (с учётом того, что катодом является обрабатываемая деталь);
• оборудование для предварительной подготовки детали.

Собранная установка может применяться как в промышленных условиях, так и домашней мастерской. Для проведения гальванопластики в условиях домашней лаборатории или мастерской необходимо точно рассчитать ожидаемый расход необходимых материалов и время нахождения детали в растворе электролита.

В качестве расходных материалов гальванизация требует выбора соответствующего электролита и анодов. Они используются в зависимости от способа обработки детали. В настоящее время разработано большое количество электролитов для проведения гальванической обработки. Например, цианистый натрий или калий, углекислый раствор натрия или калия, гипосульфит. Применение различных металлов или смесей в соляном растворе позволяет подобрать необходимые свойства поверхностного слоя обрабатываемой детали. Кроме жидких растворов применяется холодная суспензия. Она применяется для проведения процесса холодного цинкования. Её непосредственно наносят на поверхность детали.

Контроль качества

Требования к качеству гальванического покрытия зависят от условий эксплуатации обработанного изделия. Для оценки нанесения используются такие виды контроля:

• Оценка внешнего вида детали путем визуального осмотра, сравнения с эталонными образцами (чистота поверхности, цвет, наличие или отсутствие блеска).
• Определение толщины гальванического покрытия и пористость производится в лабораторных условиях (измерение).
• Устойчивость к коррозии согласно ТУ или ГОСТ (испытание).
• Механическая, физическая устойчивость (отражательные свойства, пластичность, износостойкость, электрическое и температурное сопротивление, твердость и пр.)

Преимущества

К преимуществам данного метода защиты металлических изделий относятся:

• Высокие антикоррозионные качества.
• Стойкость к механическим и физическим повреждениям.
• Сопротивляемость агрессивным средам природного и промышленного происхождения.
• Низкая пористость покрытия.
• Твердость, износостойкость.
• Возможность регулировать толщину наносимого покрытия в процессе нанесения.

К недостаткам метода относится большой расход электроэнергии, экологические угрозы, высокая стоимость очистных мероприятий.

Углеродистая сталь.

Углеродистая сталь — один из основных видов конструкционных материалов в современной промышленности, является сплавом железа, углерода и относительно небольшого количества легирующих добавок. Железо не пассивируется на воздухе (в отличие от других металлов своей подгруппы, например никеля), поэтому главным его недостатком является низкая коррозионная стойкость. При коррозии железо соединяется с кислородом и превращается в оксиды FeO, Fe2O3 и Fe3O4, покрывающие сталь пористым слоем полностью проницаемым для внешней среды. Этот слой нисколько не препятствует дальнейшему разрушению металла. Процесс коррозии стали самопроизвольно не затухает и может длиться годами вплоть до полного уничтожения изделий. Поэтому сталь без покрытия, электрохимической защиты или легирования никелем и хромом не следует применять ни в атмосферных условиях, ни в агрессивных средах. Чаще всего для защиты стали от коррозии применяют гальваническое цинкование и химическое фосфатирование (с промасливанием или хроматированием).

Преимущества:

• Низкая стоимость;
• Хорошая свариваемость;
• Относительно высокая твердость;
• Устойчивость к динамическим нагрузкам;
• Отсутствие отпускной хрупкости.

Недостатки:

• Низкая атмосферная коррозионная стойкость;
• Подверженность сильному охрупчиванию при низких температурах.