Покрытие — это процесс отделки, при котором металл наносится на поверхность. Покрытие применяется уже сотни лет; оно также имеет решающее значение для современных технологий. Покрытие используется для украшения предметов, для предотвращения коррозии, для улучшения паяемости, для упрочнения, для улучшения износостойкости, для уменьшения трения, для улучшения адгезии краски, для изменения проводимости, для улучшения отражательной способности ИК-излучения, для защиты от радиации и для других целей. В ювелирном деле обычно используют покрытие для придания серебряного или золотого оттенка.
Методом тонкопленочного осаждения можно покрывать объекты размером с атом [1] , поэтому гальванопокрытие находит применение в нанотехнологиях .
Существует несколько методов гальванопокрытия и множество их вариаций. В одном из методов твердая поверхность покрывается металлическим листом, а затем для их сплавления применяется тепло и давление (вариант этого — пластина Шеффилда ). Другие методы гальванопокрытия включают гальванопокрытие , осаждение паров в вакууме и осаждение методом распыления . В последнее время гальванопокрытие часто относится к использованию жидкостей. Металлизация относится к покрытию металлом неметаллических предметов.
При гальванопокрытии ионный металл снабжается электронами для формирования неионного покрытия на подложке. Обычная система включает химический раствор с ионной формой металла, анод (положительно заряженный), который может состоять из покрываемого металла ( растворимый анод) или нерастворимого анода (обычно углерода, платины, титана, свинца или стали), и, наконец, катод (отрицательно заряженный), куда подаются электроны для создания пленки неионного металла.
Химическое осаждение , также известное как химическое или автокаталитическое покрытие , является негальваническим методом нанесения покрытия, который включает несколько одновременных реакций в водном растворе , которые происходят без использования внешней электрической энергии. Реакция осуществляется, когда водород выделяется восстановителем, обычно гипофосфитом натрия (Примечание: водород выделяется в виде гидрид-иона) или тиомочевиной , и окисляется, тем самым создавая отрицательный заряд на поверхности детали. Наиболее распространенным методом химического осаждения является химическое никелирование , хотя слои серебра, золота и меди также могут быть нанесены таким образом, как в технике ангельского золочения .
Золочение — это метод нанесения тонкого слоя золота на поверхность стекла или металла, чаще всего меди или серебра.
Золотое покрытие часто используется в электронике для создания коррозионно -стойкого электропроводящего слоя на меди, как правило, в электрических разъемах и печатных платах . При прямом покрытии золотом на медь атомы меди имеют тенденцию диффундировать через слой золота, вызывая потускнение его поверхности и образование оксидно-сульфидного слоя. Поэтому слой подходящего барьерного металла , обычно никеля, должен быть нанесен на медную подложку, образуя сэндвич медь-никель-золото.
Металлы и стекло также могут быть покрыты золотом в декоративных целях, используя ряд различных процессов, обычно называемых золочением .
Сапфиры, пластики и углеродное волокно — вот некоторые другие материалы, которые можно покрывать с помощью передовых методов покрытия. Подложки, которые можно использовать, практически безграничны. [2]
Посеребрение использовалось с XVIII века для создания более дешевых версий предметов домашнего обихода, которые в противном случае были бы сделаны из цельного серебра, включая столовые приборы , сосуды различных видов и подсвечники. В Великобритании пробирные палаты , а также торговцы серебром и коллекционеры используют термин «серебряная тарелка» для предметов, изготовленных из цельного серебра, произошедший задолго до изобретения серебрения от испанского слова для серебра «plata», поскольку конфискованное серебро с испанских кораблей, перевозивших серебро из Америки, было крупным источником серебра в то время. Это может вызвать путаницу, когда речь идет о серебряных предметах; пластинчатых или позолоченных. В Великобритании незаконно описывать посеребренные предметы как «серебряные». Не является незаконным описывать посеребренные предметы как «серебряная тарелка», хотя это и неграмотно.
Самой ранней формой серебряного покрытия была Шеффилдская пластина , где тонкие листы серебра сплавлялись со слоем или сердцевиной из основного металла, но в 19 веке были введены новые методы производства (включая гальванопокрытие). Металл Британия — это сплав олова, сурьмы и меди, разработанный как основной металл для покрытия серебром.
Другой метод, который можно использовать для нанесения тонкого слоя серебра на такие предметы, как стекло, заключается в помещении реагента Толленса в стакан, добавлении глюкозы/декстрозы и встряхивании флакона для ускорения реакции.
Для применения в электронике серебро иногда используется для покрытия меди, так как его электрическое сопротивление ниже (см. Удельное сопротивление различных материалов ); тем более на более высоких частотах из-за скин-эффекта . Переменные конденсаторы считаются наиболее качественными, если у них есть посеребренные пластины. Аналогично посеребренные или даже цельные серебряные кабели ценятся в аудиофильских приложениях; однако некоторые эксперты считают, что на практике покрытие часто реализуется плохо, что делает результат хуже, чем у медных кабелей аналогичной цены. [3]
Следует проявлять осторожность при работе с деталями, подверженными воздействию высокой влажности , поскольку в таких условиях, когда слой серебра пористый или содержит трещины, лежащая под ним медь подвергается быстрой гальванической коррозии , отслаивая покрытие и обнажая саму медь; этот процесс известен как красная чума . Посеребренная медь, хранящаяся в среде без влаги, не будет подвергаться этому типу коррозии.
Меднение — это процесс электролитического формирования слоя меди на поверхности предмета. Его обычно используют как еще более дешевую альтернативу серебрению, поскольку оно намного дешевле серебра.
Родиевое покрытие иногда используется на белом золоте, серебре или меди и ее сплавах. Обычно сначала на серебро наносится барьерный слой никеля, хотя в этом случае он не препятствует миграции серебра через родий, а предотвращает загрязнение родиевой ванны серебром и медью, которые слабо растворяются в серной кислоте, обычно присутствующей в составе ванны. [4]
Хромирование — это финишная обработка с использованием электролитического осаждения хрома . Наиболее распространенной формой хромирования является тонкий, декоративный блестящий хром , который обычно представляет собой слой толщиной 10 мкм поверх нижележащей никелевой пластины. При нанесении покрытия на железо или сталь, нижележащее медное покрытие позволяет никелю прилипать. Поры (крошечные отверстия) в слоях никеля и хрома работают над смягчением напряжения, вызванного несоответствием теплового расширения , но также ухудшают коррозионную стойкость покрытия. Коррозионная стойкость зависит от так называемого пассивирующего слоя , который определяется химическим составом и обработкой и повреждается трещинами и порами. В особом случае микропоры могут помочь распределить электрохимический потенциал , который ускоряет гальваническую коррозию между слоями никеля и хрома. В зависимости от применения покрытия разной толщины потребуют разного баланса вышеупомянутых свойств. Тонкий, блестящий хром придает зеркальную отделку таким предметам, как металлические каркасы мебели и автомобильная отделка. Более толстые покрытия, до 1000 мкм, называются твердым хромом и используются в промышленном оборудовании для снижения трения и износа.
Традиционный раствор, используемый для промышленного твердого хромирования, состоит из примерно 250 г/л CrO 3 и примерно 2,5 г/л SO 4 − . В растворе хром существует в виде хромовой кислоты, известной как шестивалентный хром . Используется сильный ток, отчасти для стабилизации тонкого слоя хрома (+2) на поверхности покрытой детали. Кислотный хром имеет плохую рассеивающую способность, мелкие детали или отверстия находятся дальше и получают меньше тока, что приводит к плохому покрытию.
Цинковые покрытия предотвращают окисление защищенного металла, образуя барьер и действуя как жертвенный анод, если этот барьер поврежден. Оксид цинка представляет собой мелкую белую пыль, которая (в отличие от оксида железа ) не вызывает нарушения целостности поверхности подложки по мере ее формирования. Действительно, оксид цинка, если его не трогать, может действовать как барьер для дальнейшего окисления, аналогично защите, которую обеспечивают алюминию и нержавеющей стали их оксидные слои. Большинство деталей оборудования оцинкованы, а не кадмированы. [5]
Цинк-никелевое покрытие является одним из лучших доступных коррозионно-стойких покрытий, предлагая защиту в 5 раз большую, чем обычное цинкование, и до 1500 часов испытаний в нейтральном солевом тумане. Это покрытие представляет собой комбинацию сплава цинка и никеля с высоким содержанием никеля (10–15% никеля) и некоторых вариаций хромата. Наиболее распространенные смешанные хроматы включают шестивалентный радужный, трехвалентный или черный трехвалентный хромат. Используемое для защиты стали, чугуна, латуни, меди и других материалов, это кислотное покрытие является экологически безопасным вариантом. [6] Шестивалентный хромат был классифицирован как канцероген для человека EPA и OSHA. [7] [8]
Процесс лужения широко используется для защиты как черных, так и цветных металлов. Олово является полезным металлом для пищевой промышленности, поскольку оно нетоксично, пластично и устойчиво к коррозии. Превосходная пластичность олова позволяет формировать покрытый оловом лист основного металла в различные формы без повреждения поверхностного слоя олова. Он обеспечивает жертвенную защиту для меди, никеля и других цветных металлов, но не для стали .
Олово также широко используется в электронной промышленности из-за его способности защищать основной металл от окисления, тем самым сохраняя его паяемость. В электронных приложениях от 3% до 7% свинца может быть добавлено для улучшения паяемости и предотвращения роста металлических «усов» в отложениях, подверженных сжатию, которые в противном случае могли бы вызвать электрическое замыкание. Однако правила RoHS (Ограничение опасных веществ), принятые с 2006 года, требуют, чтобы свинец не добавлялся намеренно, и чтобы максимальный процент не превышал 1%. Были выданы некоторые исключения из требований RoHS в критических электронных приложениях из-за сбоев, которые, как известно, произошли в результате образования оловянных усов.
В некоторых случаях желательно совместное осаждение двух или более металлов, что приводит к осаждению гальванического сплава. В зависимости от системы сплава гальванический сплав может быть упрочнен твердым раствором или упрочнен дисперсионным твердением путем термической обработки для улучшения физических и химических свойств покрытия. Никель-кобальт является распространенным гальваническим сплавом.
Металломатрица композитного покрытия может быть изготовлена, когда подложка покрывается в ванне, содержащей суспензию керамических частиц. Тщательный выбор размера и состава частиц может точно настроить покрытие на износостойкость, высокотемпературные характеристики или механическую прочность. Карбид вольфрама , карбид кремния , карбид хрома и оксид алюминия (глинозем) обычно используются в композитном гальванопокрытии.
Кадмиевое покрытие находится под пристальным вниманием из-за токсичности кадмия для окружающей среды. Кадмиевое покрытие широко используется в некоторых областях аэрокосмической, военной и авиационной промышленности. Однако его постепенно выводят из эксплуатации из-за его токсичности. [9] Производители военных и аэрокосмических компонентов, такие как Amphenol Aerospace , в последнее время изучают возможность замены гальванопокрытия на готовое для использования в уже эксплуатируемом оборудовании, чтобы поддержать отказ от опасного покрытия. [10]
Кадмиевое покрытие (или кадмирование ) предлагает длинный список технических преимуществ, таких как отличная коррозионная стойкость даже при относительно небольшой толщине и в соляной атмосфере, мягкость и пластичность , отсутствие липких и/или объемных продуктов коррозии, гальваническая совместимость с алюминием, отсутствие прерывистого скольжения , что обеспечивает надежное затягивание гальванизированных резьб, может быть окрашено во многие цвета и прозрачно, имеет хорошую смазывающую способность и паяемость, а также хорошо подходит как в качестве окончательной отделки, так и в качестве основы под краску. [5] [11]
Если экологические проблемы имеют значение, то в большинстве случаев кадмиевое покрытие можно напрямую заменить золотым, поскольку оно имеет большинство свойств материала, но золото стоит дороже и не может служить основой для краски.
Никель наносится гальваническим способом с использованием ванны Уоттса , электролитической ячейки с никелевым анодом и электролитом, содержащим сульфат никеля , хлорид никеля и борную кислоту . [12] Иногда вместо сульфата никеля используют другие соли никеля, такие как сульфат аммония никеля .
Химическое никелирование, также известное как эникель и NiP , предлагает много преимуществ: равномерная толщина слоя на самых сложных поверхностях, прямое покрытие черных металлов (стали), превосходная износостойкость и коррозионная стойкость по сравнению с гальваническим никелем или хромом. Большая часть хромирования, выполняемого в аэрокосмической промышленности, может быть заменена химическим никелированием, опять же экологические затраты, затраты на утилизацию отходов шестивалентного хрома и печально известная тенденция неравномерного распределения тока благоприятствуют химическому никелированию. [13]
Химическое никелирование является самокатализируемым процессом, полученный слой никеля представляет собой соединение NiP с содержанием фосфора 7–11%. Свойства полученного слоя, такие как твердость и износостойкость, значительно изменяются в зависимости от состава ванны и температуры осаждения, которую следует регулировать с точностью до 1 °C, обычно при 91 °C.
Во время циркуляции ванны любые частицы в ней также покроются никелем; этот эффект используется в качестве преимущества в процессах, в которых наносится гальванопокрытие с использованием частиц, таких как карбид кремния (SiC) или политетрафторэтилен (PTFE). Хотя он превосходит многие другие процессы гальванопокрытия, он дорогой, поскольку процесс сложен. Более того, процесс длительный даже для тонких слоев. Когда важны только коррозионная стойкость или обработка поверхности, очень строгий контроль состава ванны и температуры не требуется, и процесс используется для нанесения гальванопокрытия на многие тонны в одной ванне одновременно.
Известно, что слои химического никелирования обеспечивают экстремальную адгезию поверхности при правильном покрытии. Химическое никелирование немагнитно и аморфно. Слои химического никелирования нелегко паяются, и они не схватываются с другими металлами или другой заготовкой с химическим никелированием под давлением. Этот эффект выгоден для винтов с химическим никелированием, изготовленных из ковких материалов, таких как титан. Электрическое сопротивление выше по сравнению с покрытием из чистого металла.
«Алюминиевое покрытие» может относиться как к покрытию алюминия [14] , так и к покрытию алюминия другими материалами. [15]
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )