Получение и свойства гальванопокрытий
Общие сведения
Гальваническими покрытиями (гальванопокрытиями) называются тонкие металлические слои, наносимые на поверхность различных изделий методом электролиза. Толщина таких покрытий варьируется в пределах от одного до ста микрометров, что составляет десятые и сотые доли миллиметра. Процесс нанесения гальванического покрытия осуществляется в специализированных электролизерах, называемых гальваническими ваннами. Основу установки составляют два электрода, погруженные в раствор электролита.
В качестве катода (отрицательно заряженного электрода) всегда выступает само обрабатываемое изделие, на поверхность которого необходимо нанести покрытие. В процессе электролиза на катоде происходит реакция восстановления: положительно заряженные ионы металла из раствора присоединяют электроны и в виде нейтральных атомов осаждаются на поверхности изделия, формируя сплошную металлическую пленку. Анодом (положительно заряженным электродом), как правило, служит пластина из того же металла, который осаждается на катоде.
Классификация
Процессы гальваностегии классифицируются по нескольким фундаментальным признакам. В первую очередь их разделяют по типу используемого анода на процессы с растворимыми и нерастворимыми анодами. Электролиз с растворимым анодом считается наиболее оптимальным и технологически выгодным, поскольку в такой системе равновесные потенциалы анода и катода практически одинаковы, а напряжение электролиза зависит преимущественно от величины поляризации. Процессы с нерастворимыми анодами применяются в тех случаях, когда материал анода склонен к чрезмерно быстрому химическому растворению, что может привести к перенасыщению или порче электролита. В таких системах на аноде происходит реакция окисления воды с выделением газообразного кислорода.
Вторая классификация базируется на химической природе используемых электролитов. Выделяют процессы, протекающие в кислых средах (например, сульфатные электролиты, содержащие серную кислоту), и процессы, протекающие в щелочных цианистых средах. Выбор типа электролита напрямую определяет кинетику осаждения металла, равномерность получаемого покрытия, а также требования к технике безопасности на производстве.
Способы получения
Для получения качественного гальванопокрытия требуется тщательная подготовка поверхности изделия. Перед погружением в ванну детали подвергаются обязательному обезжириванию и тщательной промывке в воде. Это необходимо для обеспечения надежного сцепления (адгезии) осаждаемого металла с поверхностью основы.
Состав растворов для получения гальванических покрытий представляет собой сложную многокомпонентную систему. Основным компонентом является соль осаждаемого металла. Для повышения электрической проводимости раствора в него вводят фоновые электролиты, такие как серная кислота, сульфат или хлорид натрия. Обязательным компонентом выступают буферные добавки, предназначенные для строгой регулировки водородного показателя (pH) среды. Особую роль играют специальные модифицирующие добавки, в том числе поверхностно-активные вещества, которые увеличивают катодную поляризацию, а также блескообразователи, способствующие получению гладких, полированных осадков.
При обработке изделий сложной геометрической формы возникает проблема неравномерного распределения тока: на выступающих участках детали плотность тока значительно выше, чем во впадинах и углублениях, что ведет к неравномерному осаждению металла. Для решения этой проблемы технологи искусственно повышают катодную поляризацию путем введения поверхностно-активных веществ. Величина поляризации возрастает с увеличением плотности тока, поэтому на выступающих участках возникает дополнительное электрическое сопротивление, что заставляет ток перераспределяться во впадины, обеспечивая равномерное покрытие по всей площади изделия.
Каждый вид гальванопокрытия имеет свои технологические особенности получения. Никелирование осуществляется в растворах, содержащих сульфат никеля, хлорид натрия и борную кислоту. Борная кислота поддерживает необходимую слабую кислотность среды, предотвращая выпадение гидроксида никеля, который может испортить покрытие. Хлорид натрия вводится для активации никелевых анодов: хлорид-ионы адсорбируются на поверхности металла и препятствуют его пассивации.
Меднение проводится в сернокислых или цианистых растворах. В сернокислом электролите серная кислота повышает электропроводность и подавляет гидролиз солей меди, обеспечивая высокую скорость протекания процесса. Использование цианистых растворов, несмотря на их крайнюю токсичность и необходимость строжайших мер безопасности, оправдано тем, что медь в них находится в виде прочных комплексных ионов. Это снижает концентрацию свободных ионов меди и делает электродный потенциал более отрицательным, чем у железа, что позволяет осаждать медь непосредственно на стальные детали без контактного вытеснения.
Цинкование также может проводиться в сульфатных электролитах (содержащих сульфаты цинка, натрия и алюминия) или в цианистых ваннах, которые обеспечивают идеальное макрораспределение металла по сложнопрофильным деталям. Хромирование является специфическим процессом, который ведут в растворе оксида хрома шестивалентного и серной кислоты с использованием нерастворимых свинцовых анодов. Особенностью хромирования является крайне низкий выход по току (около десяти-двадцати процентов), так как основная часть электрической энергии расходуется на побочную реакцию выделения газообразного водорода.
Свойства
Физические и химические свойства гальванических покрытий определяют их эксплуатационную ценность. Данные покрытия характеризуются высокой адгезией к материалу основы, которая достигается за счет правильной предварительной подготовки и контроля катодной поляризации. Гальванически осажденные металлы обладают мелкокристаллической структурой, что придает им особые механические свойства.
Хромовые покрытия отличаются исключительной твердостью и высокой износостойкостью, что делает их незаменимыми для трущихся деталей машин. Золотые, серебряные и медные осадки обладают выдающейся электрической проводимостью, необходимой для контактов в радиоэлектронике. Покрытия из серебра, палладия, родия и хрома характеризуются превосходной отражательной способностью.
Сплавы на основе олова и свинца (лужение) обладают специфическим свойством значительно улучшать способность изделий к пайке. Некоторые комбинированные осадки, например, покрытия системы железо-никель, обладают ферромагнитными свойствами и способны формировать магнитные пленки. Кроме того, гальванопокрытия способны радикально снижать коэффициент трения деталей, улучшая кинематические характеристики механизмов.
Применение
Широкий спектр полезных свойств обуславливает массовое применение гальванопокрытий во всех отраслях современной промышленности. Основным назначением цинкования является надежная антикоррозионная защита изделий из черных металлов, используемых в строительстве и машиностроении. Хромирование, серебрение и золочение активно применяются в декоративных целях для придания изделиям эстетически привлекательного внешнего вида.
В электротехнической, электронной и приборостроительной промышленности меднение, серебрение и золочение контактов и печатных плат являются стандартом для обеспечения надежной электропроводности и предотвращения окисления. Лужение широко используется при производстве электронных компонентов для обеспечения качественной и быстрой пайки. Нанесение износостойких хромовых покрытий применяется для восстановления изношенных деталей двигателей, валов и режущего инструмента, что позволяет многократно увеличить срок их службы.