5.5. Металлические и неметаллические гальванические покрытия
При выборе способа защиты металлических деталей от коррозии путем нанесения гальванических покрытий из других металлов исходят из электрохимических свойств металла в данной среде. Одним из этих свойств является способность металла с определенной силой переходить в раствор в указанной среде. Эта сила характеризуется электрохимическим потенциалом, выражаемым в вольтах. Чем меньше (алгебраически) электрохимический потенциал металла в данной среде, тем больше его стремление перейти в раствор. Металл с меньшим потенциалом является анодом, растворяемым электродом, и его способность перейти в раствор, т. е. разрушаться, больше, чем у электрода с большим электрохимическим потенциалом.
На металлы с отрицательным потенциалом, например цинк, алюминий, их сплавы и железо, нельзя нанести металлы с более положительным потенциалом, например медь, из простых кислых электролитов (в подобных случаях приходится прибегать к цианистым ваннам, а это связано с рядом неудобств).
Гальваническое покрытие является анодным, если в данной среде электрохимический потенциал металла покрытия меньше, чем потенциал металла детали. Защита в этом случае имеет электрохимический характер. Металл детали и металл покрытия (при наличии нарушений и пор в последнем) можно рассматривать как короткозамкнутый электрический элемент с определенной разностью потенциалов, для которого окружающая атмосфера с определенным содержанием активных газов и влаги является растворяющей средой. Поэтому анодные покрытия защищают детали в агрессивной среде даже при нарушении целостности слоя, так как металл анодного покрытия, являющийся растворяемым электродом, скорее подвергается разрушению, чем металл детали.
Покрытие называется катодным, если в данной среде электрохимический потенциал металла покрытия больше, чем потенциал металла детали. Катодные покрытия защищают металл детали только механически. При нарушении целостности слоя покрытия быстрее разрушается металл изделия.
При любом виде гальванических покрытий надо стремиться к уменьшению разности потенциалов основного металла и металла покрытия. Эта разность не должна быть более 0,5 в.
Защитные свойства и продолжительность срока службы анодных покрытий в основном зависят от их толщины, защитные же свойства катодных покрытий зависят от толщины и пористости покрытия. Пористость — один из очень существенных недостатков гальванических покрытий.
Другим большим недостатком гальванических покрытий является невозможность получения равномерного по толщине слоя пленки на всех участках поверхности сложной формы. Не рекомендуется наносить покрытия на собранные узлы, так как в местах соединений металл деталей остается непокрытым. Еще хуже то, что в этих местах могут оставаться следы кислот (из-за трудности промывки), создающие очаги коррозии.
На радиозаводах для гальванического покрытия мелких деталей применяют вращающиеся ванны (колокола) с наклонной осью вращения. Стальной корпус ванны (колокол) 1 (рис. 5.4) покрыт внутри резиной или термопластичной массой, на которую укладывают медные контактные пластины — катоды. Анодная пластина 2 крепится на штанге, удерживаемой на неподвижном кронштейне. Обрабатываемые детали насыпают на дно ванны, наполненной электролитом, они контактируют через медные пластины со стальным корпусом ванны. Перемещение деталей при вращении колокола обеспечивает равномерность покрытия. После покрытия детали вынимают, тщательно промывают проточной водой и высушивают.
Рис. 5.4. Ванна с наклонной осью вращения:
1 — колокол; 2 — анод; 3 — коническая передача; 4 — редуктор привода; 6 — электродвигатель
Крупные изделия обрабатывают в стационарных ваннах, где детали подвешивают к стержням с помощью проволочных подвесок. Для покрытия мелких изделий в стационарных ваннах применяют корзинки или ведра из металлической сетки. Стационарные ванны нередко оборудуют транспортерами, которые перемещают обрабатываемые детали в ванне параллельно анодам. Плотность тока регулируется вручную автотрансформатором или с помощью автоматического регулятора.
Основными процессами, подлежащими механизации и автоматизации в гальванических цехах, являются уже рассмотренные процессы подготовки деталей к покрытию и непосредственно процессы нанесения гальванических покрытий.
И в том и в другом случае должны быть автоматизированы процессы: загрузка деталей в ванну, их движение из этой ванны в другую через определенные промежутки времени и выгрузка, а также подача растворов, регулирование заданных режимов, плотности тока, температуры и др.
При использовании автоматов функции рабочего сводятся только к загрузке и выгрузке изделий, уже промытых и высушенных. Один рабочий может обслужить несколько гальванических автоматов, причем качество покрытия получается весьма стабильным; время выдержки деталей в электролите автоматически регулируется в зависимости от концентрации электролита, его температуры и других факторов.
На рис. 5.5 показана схема транспортирующего устройства гальванического автомата. Колокола 1 прикреплены к бесконечной цепи 2, которая периодически перемещается с шагом, равным расстоянию между колоколами. При передаче из одной ванны в другую колокола поднимают, чтобы не задеть за стенки ванны. При перемещении цепи в направлении, указанном стрелкой, ролик 5 встречает кулачок 3, скользя по которому приподнимает колокол и удерживает его в таком положении до тех пор, пока ось колокола не будет находиться против середины ванны. В этом положении ролик соскакивает с кулачка, и колокол опускается в ванну. Положение погруженного колокола определяется винтом 4, в который при опускании колокола упирается червячное колесо 6, служащее для вращения колокола в ванне. Стенки корпуса колокола изготовляют из пластмассы или покрывают резиной; в ряде случаев колокола выполняют из медной сетки, дно которой служит катодом, а стержень 7 анодом. Необходимо отметить, что на радиозаводах подобные транспортирующие устройства и автоматы применяются для гальванических покрытий как мелких, так и крупных деталей, транспортируемых на индивидуальных подвесках.
Рис 5.5. Схема транспортирующего устройства автомата для гальванических покрытий
Для поддержания заданных режимов в ваннах применяются автоматические регистрирующие устройства и измерительные приборы.
Одним из наиболее важных параметров, подлежащих автоматическому регулированию, является плотность тока. Регулирование плотности тока, как известно, производится изменением напряжения на штангах ванны, поэтому важным является выбор источников постоянного тока и регуляторов, обеспечивающих плавное регулирование напряжения. Для автоматического регулирования требуется, чтобы регулятор напряжения просто и надежно сочленялся с исполнительным механизмом реверсивного действия.
В зависимости от материала верхнего слоя покрытия различают цинкование, кадмирование, меднение, латунирование, никелирование, хромирование, покрытие сплавами олово—свинец (электролитическое лужение), серебрение и золочение.
Цинкование — это типичное анодное покрытие, применяемое почти исключительно для защиты черных металлов. Цинковое покрытие имеет среднюю твердость, выдерживает развальцовку и изгибы, плохо паяется и сваривается, не поддается облуживанию. В сухом воздухе цинковое покрытие устойчиво. В присутствии влаги при нормальной температуре образуется окисная пленка толщиной 5—10А, обладающая защитными свойствами. Во влажной среде при 60—80° С цинк быстро коррозирует. Морская вода и кислоты особенно быстро разрушают цинковое покрытие.
Для цинкования применяют кислые и цианистые электролиты. Цианистые электролиты позволяют получить более высокое качество покрытия, поэтому их используют при сложной форме изделия. Однако цианистые ванны ядовиты, и эксплуатация их требует надежной вытяжной вентиляции. Кислые электролиты применяются для цинкования изделий несложной формы.
Кадмирование применяется для защиты от коррозии черных металлов. По своим свойствам кадмий очень близок к цинку. Кадмиевое покрытие имеет приятный серебристо-стальной цвет; со временем блеск покрытия теряется. В химическом отношении кадмий более стоек, чем цинк, В атмосфере влажного воздуха он покрывается тонкой пленкой окиси, приобретающей при 200° С соломенно-желтый цвет и предохраняющей металл от дальнейшего разрушения.
Защитные свойства кадмия, так же как и цинка, зависят от толщины покрытия, которая составляет 10—15 мк для мягких условий и 25 мк — для защиты от сильнодействующих корродирующих агентов. Считают, что кадмий защищает черные металлы от воздействия атмосферного воздуха неограниченное время. В атмосфере, загрязненной сернистыми газами, кадмиевое покрытие быстро разрушается. Кадмий значительно хуже цинка растворяется в минеральных кислотах и совершенно нерастворим в щелочах. Он хорошо заполняет все углубления и поэтому применяется для покрытия резьбовых деталей; кадмием можно покрывать детали, подвергающиеся в дальнейшем развальцовке, вытяжке и гибке.
Высокая стоимость и дефицитность кадмия ограничивают его использование.
Меднение как самостоятельный вид покрытия деталей из черных металлов не применяется, так как медь легко окисляется на воздухе и темнеет. Оно используется для образования подслоя перед нанесением никеля, хрома, олова, серебра и золота, а также перед окраской и лакированием. Толщина подслоя меди для хромирования, никелирования и серебрения 3—25 мк.
Меднение часто применяют для увеличения электропроводности и для защиты поверхности детали от науглероживания при цементации, а также для покрытия медью деталей из черных металлов перед пайкой, лужением или сваркой (в этом случае толщина слоя меди 20 мк).
Для меднения применяют кислые или цианистые электролиты. Кислые электролиты не обеспечивают хорошего сцепления слоя меди с поверхностью изделий из черных металлов. Цианистые электролиты дают более прочное покрытие на черных металлах. Если меднение используют в качестве подслоя под никель или хром, то вначале наносят тонкий слой меди в цианистом электролите, а затем толщину слоя увеличивают в кислой ванне.
Латунирование — это процесс электрохимического осаждения сплава меди с цинком. Латунные покрытия обладают прочным сцеплением с различными металлами; хорошо полируются; их используют в качестве подслоя на сталь перед серебрением, лужением, свинцеванием. Для защиты черных металлов от коррозии латунирование не применяется. Толщина латунных покрытий обычно не превышает 3—5 мк. Допускается использование латунирования как декоративного покрытия при работе изделия в легких условиях.
Никелирование дает покрытия, обладающие высокой твердостью и применяемые главным образом как защитно-декоративные. Для декоративных и антикоррозионных целей используют тонкослойные покрытия с подслоем меди, никеля—меди и меди—никеля (с последующим хромированием).
Общая толщина двухслойного покрытия из меди и никеля на стальных деталях, работающих на воздухе, принимается не менее 25 мк, в закрытых помещениях — 13 мк; при защите латунных и медных деталей толщина слоя никеля составляет: для деталей, работающих на воздухе — 13 мк, в помещении — 6 мк. На воздухе никелевое покрытие изменяется незначительно, тем не менее оно не имеет особых преимуществ по сравнению с цинковыми или другими покрытиями. Поэтому в радиоаппаратуре никелирование следует применять только для деталей, находящихся снаружи (например, на лицевых панелях), где требуются декоративно-защитные покрытия.
Хромирование используют для защиты от коррозии стальных, медных, алюминиевых деталей и никеля, а также для повышения отражательной способности поверхностей деталей, износоустойчивости, жаростойкости и твердости. Покрытие может быть блестящим или матовым. Осажденный на полированную поверхность хром имеет зеркальный блеск с высоким коэффициентом отражения (около 70%). В многослойных покрытиях хром осаждается очень тонким слоем толщиной 0,5—0,6 мк. Хромовые покрытия обладают высокой стойкостью при работе на трение. Эти покрытия хорошо полируются и не тускнеют при нагревании до 300° С. Однако они имеют трещины и поры, поэтому требуют наличия подслоя из других металлов (меди, никеля), без которого они не могут надежно защищать стальные детали от коррозии. На воздухе хром не изменяет своего цвета, на него не действуют сероводород и сернистые соединения. Недостатком хромового покрытия является неравномерное распределение его на поверхности, что затрудняет хромирование деталей сложной конфигурации.
Покрытие сплавами олово—свинец (электролитическое лужение) применяется для защиты деталей из стали, меди и ее сплавов от коррозии, а также для подготовки поверхности к пайке. Луженые поверхности хорошо противостоят воздействию паров серы. Электролитические покрытия из сплавов олово—свинец (толщина слоя 10—30 мк) обладают хорошим сцеплением с металлом детали, выдерживают изгибы и вытяжку.
Серебрение и золочение применяют лишь в случаях, когда никакие другие виды покрытий не удовлетворяют требованиям к коррозионной защите деталей; серебрение используют также для повышения электропроводности поверхностных слоев токоведущих деталей и элементов радиоаппаратуры, а золочение — для электрических контактов, где недопустимо повышение или вообще изменение переходного сопротивления. Эти покрытия наносятся на медь, ее сплавы и др.
Наиболее распространены серебряные покрытия, применяемые в декоративных и антикоррозионных целях, а также для подготовки поверхности к пайке, для уменьшения электрического сопротивления и повышения отражательной способности поверхностей. Серебро не окисляется, но легко реагирует с галоидами; при действии на него сероводорода и сернистых соединений образуется сернистое серебро черного цвета. Механическая прочность серебра невысока, поэтому для защиты от истирания (например, в резонаторах с плунжерной настройкой) на серебряное покрытие наносят слой родия толщиной 0,2—0,4 мк. Родий защищает серебряное покрытие и от действия сернистых соединений. Серебро хорошо полируется, но обладает высокой степенью пористости, из-за чего на сверхвысоких частотах применение такого покрытия не всегда позволяет снизить потери в волноводных трак~ тах и резонаторах.
Серебрению подвергаются детали из меди и ее сплавов, Стальные детали покрывают серебром с предварительным нанесением подслоя меди. Серебрение производится в цианистых электролитах. Для прочного сцепления покрытия с металлом изделий их перед серебрением амальгамируют путем кратковременного погружения в водный раствор цианистой ртути (5—10 г/л) и цианистого калия (10—15 г/л).
Покрытие из золота отличается высокой химической стойкостью, не окисляется и не тускнеет, но оно очень мягко, вследствие чего не может применяться для защиты трущихся поверхностей. При необходимости повысить твердость применяют золочение с добавкой 0,17% никеля. Толщина слоя золотых покрытий составляет 3—5 мк. Золочение производится в цианистых ваннах. В качестве анода используют пластинки из золотой фольги толщиной 0,2—0,3 мм.
Из числа неметаллических покрытий в производстве аппаратуры широко применяются анодирование (электрохимическое оксидирование) и фосфатное электрохимическое оксидирование алюминия.