Гальваника – это отделочный процесс, при котором металл наносится на поверхность. Покрытие производилось сотни лет; это также имеет решающее значение для современных технологий. Покрытие используется для украшения предметов, для ингибирования коррозии, для улучшения паяемости, для закалки, 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 ювелирных изделиях обычно используется покрытие, придающее серебряный или золотой оттенок.
Нанесение тонких пленок позволяет покрывать объекты размером с атом, [1] поэтому покрытие находит применение в нанотехнологиях .
Существует несколько способов покрытия и множество вариаций. В одном методе твердая поверхность покрывается металлическим листом, а затем для их сплавления применяется тепло и давление (разновидность этого — пластина Шеффилда ). Другие методы нанесения покрытия включают гальваническое покрытие , осаждение из паровой фазы в вакууме и напыление . В последнее время под гальваническим покрытием часто подразумевают использование жидкостей. Металлизация – это нанесение металла на неметаллические предметы.
При гальванике ионный металл снабжается электронами , образуя неионное покрытие на подложке. Обычная система включает в себя химический раствор с ионной формой металла, анод ( положительно заряженный), который может состоять из покрываемого металла (растворимый анод ) или нерастворимый анод (обычно углеродный, платиновый, титановый, свинцовый или стальной). ) и, наконец, катод (отрицательно заряженный), куда подаются электроны для создания пленки неионного металла.
Химическое осаждение , также известное как химическое или автокаталитическое покрытие , представляет собой метод негальванического покрытия, который включает в себя несколько одновременных реакций в водном растворе , которые происходят без использования внешней электрической энергии. Реакция завершается, когда водород высвобождается восстановителем, обычно гипофосфитом натрия (Примечание: водород уходит в виде гидрид-иона) или тиомочевиной , и окисляется, создавая тем самым отрицательный заряд на поверхности детали. Наиболее распространенным методом химического осаждения является химическое никелирование , хотя таким способом также можно наносить слои серебра, золота и меди, как в технике ангельского золочения .
Позолота – это метод нанесения тонкого слоя золота на поверхность стекла или металла, чаще всего меди или серебра.
Покрытие золотом часто используется в электронике для создания коррозионностойкого электропроводящего слоя на меди, обычно в электрических разъемах и печатных платах . При прямом нанесении покрытия золотом на медь атомы меди имеют тенденцию диффундировать через слой золота, вызывая потускнение его поверхности и образование оксидно-сульфидного слоя. Поэтому на медную подложку необходимо нанести слой подходящего барьерного металла , обычно никеля, образуя сэндвич медь-никель-золото.
Металлы и стекло также могут быть покрыты золотом в декоративных целях, используя ряд различных процессов, обычно называемых золочением .
Сапфиры, пластмассы и углеродное волокно — это некоторые другие материалы, на которые можно наносить покрытие с использованием передовых технологий. Субстраты, которые можно использовать, практически безграничны. [2]
Посеребрение использовалось с 18 века для создания более дешевых версий предметов домашнего обихода, которые в противном случае были бы сделаны из чистого серебра, включая столовые приборы , сосуды различных видов и подсвечники. В Великобритании пробирные палаты , а также торговцы серебром и коллекционеры используют термин «серебряная пластина» для предметов, изготовленных из чистого серебра, который произошел задолго до того, как было изобретено серебряное покрытие, от испанского слова, обозначающего серебро «плата», изъятого серебра с испанских кораблей. перевозка серебра из Америки, которая в то время была крупным источником серебра. Это может вызвать путаницу при разговоре о серебряных изделиях; пластинчатый или позолоченный. В Великобритании запрещено называть посеребрённые изделия «серебряными». Называть посеребренные изделия «серебряными тарелками» не является противозаконным, хотя это и неграмматично.
Самой ранней формой серебрения была пластина Шеффилда , где тонкие листы серебра сплавлялись со слоем или сердцевиной основного металла, но в 19 веке были введены новые методы производства (включая гальваническое покрытие). Металл Британия — это сплав олова, сурьмы и меди, разработанный в качестве основного металла для покрытия серебром.
Другой метод, который можно использовать для нанесения тонкого слоя серебра на такие предметы, как стекло, состоит в том, чтобы поместить реагент Толленса в стакан, добавить глюкозу/декстрозу и встряхнуть бутылку, чтобы ускорить реакцию.
Для применения в электронике серебро иногда используют для покрытия медью, так как его электрическое сопротивление ниже (см. Сопротивление различных материалов ); тем более на более высоких частотах из-за скин-эффекта . Переменные конденсаторы считаются наиболее качественными, если они имеют посеребренные пластины. Точно так же в аудиофильских приложениях ценятся посеребренные или даже цельносеребряные кабели ; однако некоторые эксперты считают, что на практике покрытие часто применяется плохо, в результате чего результат уступает медным кабелям аналогичной цены. [3]
Следует проявлять осторожность для деталей, подвергающихся воздействию среды с высокой влажностью , поскольку в таких средах, когда слой серебра является пористым или содержит трещины, лежащая под ним медь подвергается быстрой гальванической коррозии , отслаивающейся от покрытия и обнажающей саму медь; процесс, известный как красная чума . Посеребренная медь, хранящаяся в среде, свободной от влаги, не подвергается такому типу коррозии.
Меднение — это процесс электролитического формирования слоя меди на поверхности изделия. Он обычно используется как еще более дешевая альтернатива серебру, поскольку он намного дешевле серебра.
Родиевое покрытие иногда используется для белого золота, серебра или меди и их сплавов. Обычно сначала на серебро наносят барьерный слой никеля, но в этом случае он предназначен не для предотвращения миграции серебра через родий, а для предотвращения загрязнения родиевой ванны серебром и медью, которые слабо растворяются в серной кислоте, обычно присутствующей в серной кислоте . состав для 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 находящееся под ним медное покрытие позволяет никелю прилипать. Поры (крошечные отверстия) в слоях никеля и хрома уменьшают напряжение, вызванное несоответствием теплового расширения , но также ухудшают коррозионную стойкость покрытия. Коррозионная стойкость зависит от так называемого пассивационного слоя , который определяется химическим составом и обработкой и повреждается трещинами и порами. В частном случае микропоры могут помочь распределить электрохимический потенциал , ускоряющий гальваническую коррозию между слоями никеля и хрома. В зависимости от применения покрытия разной толщины потребуют разного баланса вышеупомянутых свойств. Тонкий яркий хром придает зеркальный вид таким предметам, как металлические каркасы мебели и автомобильная отделка. Более толстые отложения, размером до 1000 мкм, называются твердым хромом и используются в промышленном оборудовании для уменьшения 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 детали. Кислотный хром имеет плохую метательную способность, мелкие детали или отверстия расположены дальше и пропускают меньший ток, что приводит к плохому покрытию.
Цинковые покрытия предотвращают окисление защищаемого 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 при своем образовании. Действительно, оксид цинка, если его не трогать, может действовать как барьер для дальнейшего окисления, аналогично защите, которую обеспечивают алюминий и нержавеющие стали их оксидные слои. Большинство деталей оборудования оцинкованы, а не кадмиированы. [5]
Цинк-никелевое покрытие является одним из лучших доступных антикоррозийных покрытий, обеспечивающим более чем в 5 раз большую защиту, чем обычное цинкование, и до 1500 часов испытаний в нейтральном солевом тумане. Это покрытие представляет собой комбинацию цинк-никелевого сплава с высоким содержанием никеля (10–15% никеля) и некоторых разновидностей хромата. Наиболее распространенные смешанные хроматы включают шестивалентный радужный, трехвалентный или черный трехвалентный хромат. Это кислотное покрытие, используемое для защиты стали, чугуна, латуни, меди и других материалов, является экологически безопасным вариантом. [6] Шестивалентный хромат был классифицирован Агентством по охране окружающей среды и Управлением по охране труда США как канцероген для человека. [7] [8]
Процесс лужения широко используется для защиты поверхностей как из черных , так и из цветных металлов . Олово является полезным металлом для пищевой промышленности, поскольку оно нетоксично, пластично и устойчиво к коррозии. Превосходная пластичность олова позволяет придавать покрытому оловом листу основного металла различные формы без повреждения поверхностного слоя олова. Он обеспечивает защитную защиту меди, никеля и других цветных металлов, но не стали .
Олово также широко используется в электронной промышленности из-за его способности защищать основной металл от окисления, сохраняя при этом его паяемость. В электронных приложениях можно добавлять от 3% до 7% свинца для улучшения паяемости и предотвращения роста металлических «усов» в отложениях, напряженных сжатием, которые в противном случае могли бы вызвать электрическое короткое замыкание. Однако правила RoHS (ограничение использования опасных веществ), вступившие в силу в 2006 году, требуют, чтобы свинец не добавлялся намеренно и чтобы максимальный процент не превышал 1%. Некоторые исключения из требований RoHS были сделаны в критических электронных приложениях из-за сбоев, которые, как известно, произошли в результате образования оловянных усов.
В некоторых случаях желательно совместно осаждать два или более металлов, что приводит к получению гальванического покрытия сплава. В зависимости от системы сплавов, гальванический сплав может быть упрочнен твердым раствором или дисперсионно-твердеть путем термической обработки для улучшения физических и химических свойств покрытия. Никель-кобальт — распространенный гальванический сплав.
Композиционное покрытие с металлической матрицей может быть изготовлено путем нанесения покрытия на подложку в ванне, содержащей суспензию керамических частиц. Тщательный выбор размера и состава частиц позволяет точно настроить наплавку на износостойкость, устойчивость к высоким температурам или механическую прочность. Карбид вольфрама , карбид кремния , карбид хрома и оксид алюминия (глинозем) обычно используются в композитной гальванике.
Кадмиевое покрытие находится под пристальным вниманием из-за токсичности металлического кадмия для окружающей среды . Кадмиевое покрытие широко используется в некоторых областях аэрокосмической, военной и авиационной промышленности. Однако его постепенно прекращают использовать из-за его токсичности. [9] Производители компонентов для военной и аэрокосмической промышленности, такие как Amphenol Aerospace , недавно изучали возможность замены гальванического покрытия для использования с уже эксплуатируемым оборудованием, чтобы поддержать поэтапный 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 соленой атмосфере, мягкость и ковкость , отсутствие липких и/или объемных продуктов коррозии, гальваническая совместимость с алюминием, свобода от скачкообразного скольжения , что позволяет надежно затягивать металлизированную резьбу, может быть окрашен во многие цвета и бесцветен, обладает хорошей смазывающей способностью и паяемостью и хорошо работает как в качестве окончательной отделки, так и в качестве основы для краски. [5] [11]
Если экологические проблемы имеют значение, то в большинстве случаев кадмиевое покрытие можно напрямую заменить золотым, поскольку оно имеет те же свойства, что и материал, но золото более дорогое и не может служить основой для краски.
Никель наносят гальваническим способом с использованием ванны Уоттса , электролизера с никелевым анодом и электролита, содержащего сульфат никеля , хлорид никеля и борную кислоту . [12] Иногда вместо сульфата никеля используются другие соли никеля, такие как сульфат никеля-аммония .
Химическое никелирование, также известное как никель и NiP , имеет множество преимуществ: равномерная толщина слоя на самых сложных поверхностях, прямое покрытие черными металлами (сталью), 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 пресловутая тенденция неравномерного распределения тока благоприятствуют химическому никелированию. [13]
Химическое никелирование представляет собой самокаталитический процесс, образующийся слой никеля представляет собой соединение NiP с содержанием фосфора 7–11%. Свойства твердости и износостойкости полученного слоя сильно 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 никелируются; этот эффект успешно используется в процессах нанесения покрытия с такими частицами, как карбид кремния (SiC) или политетрафторэтилен (ПТФЭ). Несмотря на то, что он превосходит многие другие процессы нанесения покрытия, он дорог, поскольку процесс сложен. Причем процесс длительный даже для тонких слоев. Когда речь идет только о коррозионной стойкости или обработке поверхности, очень строгий состав ванны и контроль температуры не требуются, и этот процесс используется для одновременного нанесения многих тонн покрытия в одной ванне.
Известно, что слои химического никелирования обеспечивают исключительную адгезию к поверхности при правильном нанесении покрытия. Химическое никелирование немагнитно и аморфно. Слои химического никелирования плохо поддаются пайке и не схватываются с другими металлами или другой никелированной заготовкой под давлением. Этот эффект приносит пользу винтам с химическим никелированием, изготовленным из податливых материалов, таких как титан. Электрическое сопротивление выше по сравнению с покрытием из чистого металла.
{{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка )