5. Поверхностные металлические и неметаллические покрытия, химическая и электрохимическая обработка

5.1. Общие сведения

Все покрытия независимо от их назначения должны иметь прочное сцепление с изделиями, на которые они наносятся, и составлять с ними как бы одно целое, не отслаиваться под действием толчков, ударов, встряхивания, многократного изгиба.

Покрытия различают по основному назначению и по способу нанесения.

По основному назначению покрытия разделяют на защитные, защитно-декоративные и специальные.

Защитные покрытия служат для предотвращения коррозии металла деталей в условиях эксплуатации.

Защитно-декоративные покрытия наносят на детали, требующие декоративной отделки при одновременной защите их в процессе эксплуатации от коррозии.

Специальные покрытия предназначаются для сообщения поверхности деталей особых свойств или защиты основного металла деталей от влияния особых сред, например: серебрение применяется для повышения поверхностей электропроводности токонесущих деталей, меднение деталей — с целью их защиты от науглероживания при цементации; специальные покрытия применяют для изготовления элементов аппаратуры, таких как проволочные резисторы и др.

По способу нанесения различают покрытия металлические негальванические, неметаллические химические, металлические и неметаллические, гальванические и лакокрасочные.

Выбор покрытия детали должен быть сделан в зависимости от условий, в которых будет работать радиоаппаратура и ее отдельные детали. По этому признаку защитные покрытия разделяют на группы, соответствующие различным условиям эксплуатации.

5.2. Подготовка поверхности перед нанесением

покрытий

Высококачественное покрытие может быть, получено только в том случае, если поверхность, на которую оно наносится, достаточно гладкая и чистая, без окалин и грубых следов обработки. Поэтому почти всегда нанесению покрытия предшествует тщательная подготовка поверхности детали. Очистку и подготовку поверхностей осуществляют механическим, химическим, электрохимическим и ультразвуковым способами.

а) Механические способы

Механическая обработка поверхности применяется для удаления окалины, ржавчины, шлаковых включений, старой краски, царапин и других дефектов. Для этого поверхность детали подвергают пескоструйной, дробеструйной или дробеметной очистке, крацеванию, галтовке, шлифованию, полированию.

Гидропескоструйную и дробеструйную очистку применяют для удаления с поверхности металла грубых неровностей и очистки ее от окалины, шлаковых и других включений, имеющихся, например, на поверхности литых изделий.

Гидропескоструйную очистку производят струей пульпы — смеси просеянного кварцевого песка с водой, подаваемой с боль скоростью из специального аппарата через направляющее сопло под давлением сжатого воздуха около 4 am и выше. Частицы песка, с силой ударяясь о поверхность детали, отделяют загрязнении и матируют обрабатываемую поверхность, благодаря чему улучшаются условия ее сцепления с защитными пленками.

Обработанная песком поверхность обладает повышенной активностью, легко корродирует, особенно во влажной атмосфере, быстро адсорбирует пыль и жировые загрязнения. В этом серьезный недостаток пескоструйной обработки, поэтому поверхности, очищенные песком, рекомендуется сразу же подвергать дальнейшей обработке или же консервировать химическими растворами.

Вместо пескоструйной обработки в последнее время с успехом применяют ударную обработку мелкой стальной дробью, поток которой направляется на очищаемую деталь с помощью дробеметных аппаратов. Твердость дробинок должна превосходить твердость материала обрабатываемой детали.

Крацевание — обработка поверхности изделия вращающимися щетками из стальной, латунной или медной проволоки диаметром 0,2—0,4 мм. Крацевание применяют для удаления заусенцев, окислов, остатков жировых загрязнений (после обезжиривания), травильного шлама и других дефектов поверхности. Крацевание обычно производится мокрым способом, т. е. с применением жидкости, облегчающей работу щеток и улучшающей качество отделки поверхности. Для этой цели применяются 3— 5%-ные растворы соды, поташа или трехзамещениого фосфата натрия, мыльная вода, водная суспензия венской извести, пемзы, мела и т. д.

Крацевание применяется также для окончательной отделки покрытия, нанесенного на поверхность изделия; в этом случае, например, при отделке электролитического покрытия крацевание производят с чистой водой или сухим способом.

Изделия с полированной поверхностью обрабатывают крацеванисм вручную волосяными щетками. При этом очистку ведут Обязательно с применением жидкой смеси из мела или венской извести и воды; можно использовать также мыльную воду, слабые (2-—3%-ные) растворы соды, поташа.

Для обработки металлов, разрушающихся в щелочных растворах, применяют кашицу из мелко раздробленного чистого мела и воды.

Обработка изделий в барабанах и колоколах имеет целью сглаживание и очистку поверхностей, главным образом мелких изделий, удаление грубых неровностей, заусенцев и пр. Детали загружают во вращающийся барабан (или колокол), где они трутся и царапают друг друга краями. При этом поверхность деталей не только выравнивается, но и очищается от ржавчины и окалины.

Иногда наряду с изделиями в барабан загружают куски железа, стекло, опилки, наждак, песок, гравий. Такая обработка изделий называется галтовкой. Для ускорения галтовки в барабан вводят также слабые растворы кислоты или- щелочи, мыльную воду и т. п., которые облегчают удаление окислов. Если на поверхности деталей имеется толстый слой окалины, то перед галтовкой их обрабатывают в кислотах.

Галтовка продолжается от 2—4 ч до нескольких дней в зависимости от состояния поверхности, веса и материала обрабатываемых изделий, скорости вращения барабана. Так, штампованные изделия обрабатываются от 2 до 8 ч, отливки из латуни — 10— 15 ч.

Очень хорошие результаты дает полирование мелких изделий шариками из закаленной стали. Загруженные вместе с изделиями в барабан шарики сглаживают мелчайшие неровности поверхности, не снимая при этом стружки. Такая обработка применяется также для отделки гальванического покрытия. При полировании стальными шариками (до блеска) в барабаны добавляют только чистую воду. Продолжительность полирования колеблется в пределах 0,5—10 ч (в зависимости от твердости материала обрабатываемых деталей).

Шлифование — это процесс обработки металлов (и неметаллов) резанием, при котором острые грани мелких зерен абразивного материала снимают с обрабатываемого металла очень тонкую стружку, обеспечивая сравнительно гладкую и ровную поверхность. Шлифование осуществляется на станках абразивными досками или кругами и во вращающихся барабанах или колоколах.

Обработка абразивными кругами — наиболее распространенный вид шлифования. По характеру обработки поверхности и степени зернистости кругов процесс шлифования делится на несколько операций или переходов (3—5) с постепенным уменьшением величины зерна. Этим достигается высокое качество отделки поверхности с наименьшими потерями обрабатываемого металла.

В цехах металлопокрытий круги для шлифования изготовляют преимущественно из эластичных материалов: войлока, кожи, фетра, ткани. Зерна абразивных материалов наклеивают с помощью связок по периферии круга.

Полирование заключается в обработке металлов (и неметаллов) с целью удаления мельчайших неровностей с поверхности детали и придания ей зеркального блеска. Полирование поверхности изделий применяется в гальванических цехах для подготовки поверхности металла и для отделки покрытия (главным образом электролитических осадков меди, никеля и хрома). Полирование производится на станках кругами из полотна, фетра, замши, шерсти и т. п. и во вращающихся барабанах. В отдельных случаях детали полируют вручную в специальных полировальных приспособлениях.

Для полирования применяют более мелкозернистые абразивные материалы, чем для шлифования, которые в смеси с другими веществами (связками) наносят на круги во время работы.

При правильном ведении процесса полирования выравнивание Поверхности детали не должно сопровождаться заметными потерями металла. Как известно, большинство металлов обладает способностью быстро окисляться на воздухе. Совершенно чистая поверхность железа на воздухе покрывается окисью в течение 0,05 сек. Этой особенностью обладают даже такие металлы, как серебро. Поэтому поверхность всех металлов на воздухе всегда бывает покрыта тончайшей пленкой окиси (толщиной около 0,0014 мкм), которая защищает металл от дальнейшего окисления. При полировании такой поверхности зерна абразива снимают только поверхностную окисную пленку, обнажая чистый металл. Но под действием кислорода воздуха обнажившаяся чистая поверхность металла вновь окисляется, и таким образом происходят как бы периодические изменения состояния наружных слоев поверхности металла, в результате чего снимаются все выступы, пока не получится совершенно гладкая, свободная от трещин и бугорков поверхность.

б) Химическая и электрохимическая обработка поверхности

К химическим и электрохимическим видам обработки поверхностей относятся обезжиривание, травление и декапирование.

Жировые вещества по своей химической природе делятся на две основные группы: омыляемые и неомыляемые. В первую группу входят все растительные и животные жиры, т. е. сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных органических кислот, чаще всего стеариновой, олеиновой, пальмитиновой. Эти жиры называются омыляемыми потому, что под действием щелочи они разлагаются, давая мыла — растворимые в воде соли жировых кислот и глицерин.

Вторую группу жиров представляют масла, состоящие из смеси углеводородов различного состава и различной консистенции (от очень легких жидкостей до твердых тел): газолин, вазелин, парафин, различные смазочные масла и т. п. Под действием щелочи жиры этой группы химически не разлагаются и поэтому называются неомыляемыми.

Как первые, так и вторые жировые вещества в воде практически нерастворимы и удаляются с поверхности металлов химической пли электрохимической обработкой.

При химическом обезжиривании применяют растворы щелочей, щелочных солей и ряд органических растворителей. Обезжиривание в щелочных растворах сводится к омылению животных и растительных жиров и эмульгированию масел. Хотя минеральные масла (неомыляемые жиры) химически не разлагаются при воздействии щелочей, они могут при известных условиях образовывать с последними эмульсии и благодаря этому сравнительно легко отделяются от поверхности металла.

В качестве эмульгаторов при химическом способе обезжиривания металлов в щелочных растворах могут служить: жидкое стекло, мыло, жирные кислоты, декстрин, клей, различные белковые вещества и др. Их добавляют в щелочной раствор в небольшом количестве (0,5—3,0 г/л). При определении концентрации эмульгатора исходят из эмульгирующей способности каждого из них, из рода и количества масляных загрязнений поверхности.

Одним из очень важных условий, гарантирующих полное удаление с поверхности изделий омыляемых и неомыляемых жиров, является повышенная температура щелочных растворов. Мыла, получающиеся в результате обезжиривания, растворяются в горячих щелочах значительно лучше, чем в холодных. Рекомендуется поддерживать температуру щелочных растворов от 70° С и выше — до кипения.

Обезжиривание в органических растворителях сводится к обычному процессу растворения как омыляемых, так и неомыляемых жиров. Для этой цели применяются керосин, бензин, толуол, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод. Наиболее эффективны действующие растворители жиров — трихлорэтилен С₂НС1₃, тетрахлорэтилен (перхлорэтилен) С₂С1₄, четыреххлористый углерод СС1₄, дихлорэтилен С₂Н₂С1₂ и дихлорэтан С₂Н₄С1₂. В отличие от бензина, бензола, керосина и толуола эти вещества не воспламеняются и позволяют производить обезжиривание при повышенной температуре. Они прекрасно растворяют жиры и масла и не оказывают разъедающего действия на металлы. Немногие металлы, с которыми реагируют некоторые растворители, особенно трихлорэтилен, — это магний, алюминий и их сплавы. Для обезжиривания магния и алюминия лучше применять тетрахлорэтилен.

Существенными недостатками органических растворителей, особенно хлорированных, ограничивающими их применение, являются ядовитость и относительно высокая стоимость. Необходимо также иметь в виду, что растворители, особенно трихлорэтилен, в присутствии влаги при высокой температуре гидролизуются с образованием небольшого количества соляной кислоты, которая может вызвать коррозию обезжириваемых деталей.

При использовании легковоспламеняющихся органических растворителей детали обезжиривают только погружением последовательно в нескольких ваннах — двух или трех (и больше) — с очисткой поверхности деталей волосяными щетками.

Обезжиривание негорючими органическими растворителями производится погружением в жидкость, обработкой парами растворителя и его распылением. Для обезжиривания в нарах применяют растворители преимущественно с относительно низкой температурой кипения.

Электрохимическое обезжиривание. Электрохимическое обезжиривание производится в щелочном растворе на катоде или на аноде. Чаще применяют катодное обезжиривание или комбинированное — сначала на катоде, затем на аноде. Эффективность электрохимического метода обезжиривания в некоторых случаях во много раз превышает эффективность обычных химических способов очистки.

В качестве электролитов для обезжиривания используют едкий натр, углекислый натрий, углекислый калий, фосфорнокислый натрий, цианистый натрий или калий и др. Иногда в эти растворы добавляют небольшое количество эмульгатора — мыла или жидкого стекла.

Одним из электродов служит обрабатываемая деталь, другим — стальные никелированные или, еще лучше, никелевые пластинки. Железо, не покрытое никелем, на аноде при катодном обезжиривании частично переходит в раствор, загрязняя его, и частично осаждается на катоде. Это особенно нежелательно при катодном обезжиривании полированных изделий непосредственно перед нанесением покрытия.

Перемешивание электролита интенсифицирует процесс обезжиривания. Повышенная температура раствора (60—70° С) при электрохимическом обезжиривании оказывает примерно такое же влияние, как и при химической обработке. Повышение температуры растворов, как известно, увеличивает их электропроводность, что позволяет понизить (при равной плотности тока) напряжение на зажимах электродов. Следовательно, при электрохимическом обезжиривании повышенная температура уменьшает расход электроэнергии. Это особенно важно, когда в качестве электролита употребляются слабопроводящие соли и электролиз производится при высокой плотности тока.

Обычно при химическом обезжиривании температуру электролита поддерживают в пределах 60—80° С.

Плотность тока при обезжиривании должна быть такой, чтобы количество выделяющихся пузырьков газа было достаточным и для механического отделения капелек масла с поверхности обрабатываемой детали, и для перемешивания раствора. Повышение плотности тока, следовательно, должно оказывать большое влияние на скорость обезжиривания. Обычно плотность тока при электрохимическом обезжиривании равна 3—10 а/дм².

Напряжение на зажимах электродов при обезжиривании в обычных растворах едких щелочей и их солей колеблется в зависимости от состава и концентрации раствора, плотности тока, температуры и расстояния между электродами в пределах 3—12 в, а иногда и выше. Расстояние между электродами при обезжиривании определяется главным образом величиной и формой изделий, а также соображениями наибольшей экономии электроэнергии и оставляет обычно 5—15 см.

Травление — это процесс удаления окислов с поверхности металлов путем обработки изделий в растворах кислот и кислых солей или щелочей. Травление производится как химическим, так и электрохимическим способом. Выбор способа травления зависит от природы металла, характера и толщины слоя покрывающих его окислов, а также от характера предварительной (механической) и дальнейшей его обработки, а выбор травильного раствора определяется прежде всего его химическим взаимоотношением с окислами данного металла. Травление протекает успешно только в том случае, если поверхность изделия предварительно очищена от жировых загрязнений, поэтому оно должно следовать, как правило, после операции обезжиривания. Исключение представляет травление в щелочном растворе (химическое и электрохимическое), применяемое для металлов, легко растворяющихся в щелочах.

Химический способ травления состоит в погружении изделий в выбранный раствор кислоты или щелочи, реагирующей с окислами данного металла. На практике для травления пользуются растворами кислот.

Электрохимическое травление производится на аноде или на катоде. Анодное травление основано на электролитическом растворении металла и механическом отрывании окислов выделяющимся кислородом. На катоде при этом происходит бурное выделение водорода. В качестве электролита применяют растворы кислот или раствор соли соответствующего металла. Электродами служат: анодом — изделие, подлежащее травлению, катодом — свинец, медь, железо и др. Плотности тока обычно высокие: 5—10 а/дм² и выше.

Катодное травление происходит в результате восстановления и механического отрывания окислов металла выделяющимся водородом. В качестве электролита берут раствор кислоты или соли, обладающий хорошей электропроводностью. Наилучшими электролитами при катодном травлении являются растворы, содержащие смесь серной и соляной кислот. Анодом служит свинец, сплав свинца с сурьмой или кремнистый чугун. Плотность тока при катодном травлении такая же, как и при анодном.

Декапирование — еще один вид химической обработки изделий, несколько отличающийся от обычного процесса травления металлов. Оно производится непосредственно перед погружением изделий в гальванические ванны. Эта операция необходима прежде всего для быстрого удаления легкого налета окисла, образующегося очень часто на поверхности очищенных изделий при их транспортировке или во время хранения.

Для химического декапирования применяются более слабые травильные растворы, чем для обычного травления. Во избежание разрушения поверхности изделия операция декапирования длится очень недолго — от нескольких секунд до 1 мин. Чаще всего для химического декапирования железа и стали применяют 3—5%-ныйi раствор серной или соляной кислоты. Изделия из меди и ее сплавов декапируют в 5—10%-ном растворе серной кислоты и в разбавленных растворах смеси фосфорной и соляной кислот. Цинк и алюминий декапируют в 3%-ном растворе соляной кислоты; хорошие результаты получаются также при обработке цинка и его сплавов в 3—5%-ном растворе серной кислоты или в 5—10%-ном растворе фосфорной кислоты при комнатной температуре. Кроме того, для обоих металлов применяют декапирование в разбавленных растворах щелочей (5—10%-ном КОН или NaOH) при температуре 20-60° С.

Электрохимический способ декапирования заключается в том, что деталь (анод) перед покрытием обрабатывают в чистых растворах серной, фосфорной и хромовой кислот, а также в растворах кислых сернокислых солей при комнатной температуре. Очень хорошие результаты получаются при анодном декапировании изделий из стали в растворе, содержащем 60—84% серной кислоты; начинать работу нужно при высокой концентрации серной кислоты. Температура раствора 15—25° С; анодная плотность тока 5—10 а/дм²; напряжение 10—12 в. Продолжительность процесса около 1 мин.

в) Ультразвуковая очистка

Сравнительно недавно для очистки поверхности изделий от загрязнений стали использовать метод возбуждения жидкости энергией звуковых колебаний высокой частоты с помощью магнитострикционных и других вибраторов. При этом происходит так называемая кавитация, иначе говоря, «захлопывание» пузырьков газа, образующихся при периодическом сжатии и расширении жидкости под действием знакопеременного давления.

Механизм кавитации состоит в том, что при воздействии ультразвуковой энергии на жидкость в ней возникают очень высокие мгновенные гидростатические и гидродинамические давления. Если сумма гидродинамического и гидростатического давлений достигает некоторого критического значения, пузырьки газа и пара, обычно присутствующие в жидкости, приобретают способность к неограниченному росту. При увеличении давления сверх критического значения пузырьки сокращаются и исчезают. Сокращение пузырьков происходит с очень большой скоростью и сопровождается своего рода гидравлическими ударами, вызывающими предельно высокие местные давления. Как правило, кавитация сопровождается разрушением поверхности твердого тела, находящегося в жидкости, и сопровождается отрывом прилипших к поверхности изделия частиц загрязнений, а также разрушением окислов. Явления, происходящие на загрязненной поверхности при очистке в жидкости, возбуждаемой ультразвуковыми колебаниями, включают несколько процессов, протекающих одновременно и определяемых частотой колебаний.

При низких ультразвуковых частотах преобладает механическое действие кавитационных ударов, нарушающих сцепление между частицами загрязнений и поверхностью очищаемой детали, в результате чего загрязнения отделяются, а затем эмульгируются или диспергируют в рабочей жидкости (растворителе). Химическое воздействие растворителя на загрязнения усиливается интенсивным движением жидкости.

При высоких частотах важную роль играет повышение температуры в поверхностном слое благодаря поглощению энергии ультразвуковых колебаний и превращению их в тепло.

Обычно очистка мелких и очень мелких деталей производится на предельно высоких частотах (до 1 Мгц), а очистка крупных деталей, особенно если в них имеются пустоты, — на низких (20—40 кгц). При очистке гладких поверхностей точных изделий (например, полированных легких металлов) использование очень низких частот нежелательно, так как можно повредить их поверхность. Изделия из пластмасс, сильно нагревающиеся на высоких частотах из-за интенсивного поглощения колебаний, также обрабатывают на низких частотах.

Ультразвуковую очистку ведут в различных средах, в том числе в воде или водных растворах солей, которые иногда эффективно заменяют сравнительно дорогие органические растворители. Применяют щелочные растворы с рН от 7,5 до 13 и концентрацией от 7,5—15 г/л до 120—240 г/л. в зависимости от природы и степени загрязнения изделий. Температура этих растворов должна быть 54—65° С. Растворы низких концентраций используют для очистки деталей от полировочных паст, средних концентраций — для очистки цветных металлов от жировых загрязнений, высоких — для очистки стальных деталей от паст и красок. При некоторых концентрациях возможно удаление окалины и ржавчины. Кислые растворы с температурой 54—71° С применяются при концентрациях 5—50% для удаления окалины, ржавчины и нагара.

Из органических растворителей для ультразвуковой очистки наиболее распространен трихлорэтилен. Он обладает хорошей растворяющей способностью, относительно безвреден и недефицитен и характеризуется более низкой, чем у водных растворов, температурой возникновения кавитации (32—50° С).

Некоторые растворители, например бензол и сероуглерод, сильно поглощают ультразвуковую энергию; выделяющиеся при этом пузырьки, скапливаясь у излучающей поверхности преобразователя, снижают эффективность его работы.

Ультразвуковая очистка эффективна только при хорошем смачивании поверхности изделий растворителем. Поэтому для удаления с поверхности очищаемых деталей пузырьков воздуха и газов и устранения воздушных мешков в каналах и отверстиях в процессе очистки детали встряхивают, а для лучшего смачивания в состав растворителя вводят поверхностно-активные вещества, понижающие поверхностное натяжение