Нанесение покрытий электрохимическим способом

Способы нанесения гальванических покрытий

Гальваника — это технологический процесс получения металлических покрытий путем осаждения требуемого элемента на поверхность детали из раствора солей.

Гальванические покрытия могут быть получены химическим и электрохимическим способом. Электрохимическим называется способ получения металлического неорганического покрытия в электролите под действием электрического тока от внешнего источника. Химическим называется способ получения металлического неорганического покрытия в растворе солей без наложения на него электрического тока.

Электрохимический процесс

Электрохимический процесс, протекающий на электродах при прохождении через электролит электрического тока, называется электролизом. Устройства, в которых за счет внешней электрической энергии совершаются химические превращения веществ, называются электролизерами или электролитическими (гальваническими) ваннами 1 (рис. 5.1). При гальваническом покрытии деталей в качестве электролита 2 применяют обычно раствор соли осаждаемого металла (в электролит вводят также некоторые компоненты, улучшающие свойства покрытий и увеличивающие электрическую проводимость электролита и т.д.). Анодами 3 служат пластины из осаждаемого металла, а катодами 4 — предварительно очищенные и подготовленные детали, подлежащие покрытию.

Процесс электролиза состоит из следующих этапов:

• получение в электролите ионов осаждаемого металла;
• перенос полученных ионов к детали-катоду;
• переход ионов металла в атомарное состояние;
• осаждение атомов на поверхности детали;
• формирование кристаллической решетки.

Рис. 5.1. Схема стационарной гальванической ванны:
1 — ванна; 2 — электролит; 3 — аноды; 4 — деталь.

Электролиз может проводиться с применением растворимых и нерастворимых анодов. В случае проведения электролиза с растворимым анодом, изготовленным из осаждаемого на поверхности детали металла, он постепенно растворяется в электролите, образуя новые ионы металла взамен выделившихся на катоде, тем самым поддерживая требуемую концентрацию металла в растворе. В тех случаях, когда происходит нанесение покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрических деталей малого диаметра и большой длины, допускается применение нерастворимых анодов. Нерастворимые аноды изготавливаются из металла или сплава, который в данном электролите не растворяется (чаще всего используется свинец), или из графита. При осаждении металлов из цианистых электролитов в качестве нерастворимых анодов используют стальные аноды, а в кислых — освинцованную проволоку. На нерастворимых анодах при электролизе обычно выделяется кислород.

Выбор электролитов

Режим электролиза при заданном составе электролита характеризуется тремя основными показателями:

• кислотностью электролита, выраженной в граммах на литр, или в единицах рН;
• температурой электролита;
• катодной плотностью тока в амперах на квадратный дециметр.

В зависимости от кислотности электролиты можно разделить на две группы: щелочные и кислые электролиты. По составу входящих в них соединений электролиты бывают простые и сложные, в состав которых входят комплексные соединения.

Качество гальванических покрытий определяется их внешним видом, прочностью сцепления с основным металлом, толщиной и пористостью. Допускается наличие рисок, царапин, отдельных шероховатостей и несквозных пор, легко устраняемых при последующем полировании. Допустимыми дефектами являются также высохшие подтеки воды и разные оттенки.

Виды ванн

В зависимости от размеров детали конструкция гальванической ванны существенно различается. Нанесение гальванических покрытий может проводиться:

• в стационарных емкостях с вращением детали и без него;
• в струйных ваннах;
• в переносных ваннах;
• электролизом во внутренних полостях деталей без использования гальванической ванны;
• в барабанах и колоколах.

Рис. 5.2. Установка для покрытия наружной поверхности цилиндрических деталей:
1 — катодная шина со скользящим контактом; 2 — покрываемая деталь; 3 — цилиндрический корпус гальванической ванны; 4 — цилиндрический анод; 5 — подпятник из пластмассы; 6 — станина; 7 — электродвигатель с редуктором.

Процесс получения гальванических покрытий в стационарных емкостях представлен выше (см. рис. 5.1). Вращение детали вокруг своей оси в течение всего времени осаждения позволяет формировать более ровные по толщине гальванические покрытия. Вращение детали также применяют для покрытия наружной поверхности цилиндрических деталей. Как видно из рис. 5.2, деталь помещена вертикально в центре цилиндрического анода, установленного также в цилиндрической стационарной ванне, и получает вращение от электродвигателя с редуктором. Для питания током к детали подведен скользящий контакт. Вращение детали позволяет применять высокие плотности тока и поэтому покрытия получаются гладкими и равномерными.

Использование для нанесения покрытий струйных ванн повышает производительность процесса. Постоянная смена электролита, контактирующего с поверхностью детали, предотвращает его обеднение ионами осаждаемого металла. Возможность регулировки размеров ванны для струйного нанесения позволяет создавать гальванические покрытия на отдельных участках длинномерных деталей (рис. 5.3).

Применение переносных ванн целесообразно для создания местных покрытий на крупногабаритных деталях. В переносных ваннах деталь не погружают в электролит целиком, а наоборот, пристраивают ванну к тому участку детали, на котором необходимо сформировать гальваническое покрытие (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Схема установки для струйного нанесения покрытий:
1 — анод; 2 — верхняя часть гальванической ванны; 3 — деталь; 4 — раздвижная кассета; 5 — нижняя часть гальванической ванны; 6 — электролит; 7 — подогреватель; 8 — насос.

Рис. 5.4. Схема установки переносной ванны:
1 — деталь; 2 — анод; 3 — электролит; 4 — гальваническая ванна; 5 — клеевой слой.

Создание гальванических покрытий на внутренних поверхностях в деталях, имеющих закрытые внутренние полости, может осуществляться без использования емкостей для электролита. Роль такой емкости выполняет сама деталь (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Монтаж внутренних электродов для создания покрытий на внутренних поверхностях трубчатых деталей:
1 — анод; 2 — центрирующая втулка; 3 — деталь.

В центре наращиваемой детали помещают свинцовый анод, а деталь служит катодом. При монтаже внутренних анодов в трубчатых деталях диаметр анодов должен составлять от 0,3 до 0,5 внутреннего диаметра труб. Внутренние аноды должны быть строго центрированы по отношению к стенкам трубы, что достигается установкой центрирующих втулок из пластмассы. Если диаметр анода велик, то его изготовляют полым внутри, а для снижения его массы и увеличения активной поверхности сверлят ряд отверстий в стенках. Полые трубчатые аноды особенно удобны, когда электролит во время процесса необходимо нагревать или охлаждать. Часто через полые трубчатые аноды производят прокачивание электролита для улучшения или ускорения процесса. При большой длине труб или при использовании гибких проволочных анодов на них через равные промежутки длины надевают центрирующие изоляторы в форме равностороннего плоского треугольника с отверстием в центре для пропускания анода. В качестве материала для изолятора применяют листовой целлулоид, винипласт и прочие химические стойкие пластмассы.

При этом деталь устанавливают на резиновый лист рядом с емкостью для удаления в процессе нанесения покрытий промывающей и охлаждающей жидкости. Резиновый лист покрывают целлулоидом, так как резина может растворяться в горячем электролите.

Для массового осаждения покрытий на крепежных или мелких деталей используют ванны с вращающимися барабанами. Барабан изготовляют шестигранного сечения, из листового железа, с задвижной дверцей для загрузки и выгрузки деталей и с шестерней для вращения, закрепленной по оси на одном из торцов. Диаметр с барабана обычно принимают равным 500-600 мм при длине 600-800 мм. Частота вращения не выше 15-5 об/ч. Загрузка барабана составляет 40-50 кг деталей.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

Источник

Электрохимические композиционные покрытия.

Возрастающий уровень развития промышленности предъявляет все новые разносторонние требования к гальваническим покрытиям для придания поверхности специальных свойств, улучшения коррозионных и механических характеристик («Перспективы развития гальванотехники. Часть1»).

В случае, когда металлические покрытия не отвечают необходимым техническим требованиям, применяют композиционные покрытия, которые по своим свойствам значительно их превосходят, сохраняя основное назначение металлических покрытий.

Принцип получения электрохимических композиционных покрытий (КЭП) основан на том, что вместе с металлами из электролитов – суспензий соосаждаются дисперсионные частицы различных размеров и видов. Включаясь в покрытие, частицы существенно улучшают его эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические).

Соосаждение дисперсной фазы может изменять свойства гальванических покрытий: механическое упрочнение покрытия, повышение антикоррозионных свойств, термостойкости, износостойкости и др. («Влияние гальванических покрытий на свойства стали»).

При этом свойства электрохимических композиционных покрытий зависят от их структуры и морфологии поверхности. Основными параметрами, влияющими на структуру и морфологию композиционного покрытия являются условия электролиза, плотность тока, характеристика дисперсной фазы (концентрация, размер, форма, дисперсность в электролите).

При включении электрического тока на покрываемой поверхности осаждается металл (первая фаза или матрица) и механически – частицы порошка (вторая фаза), которая цементируется матрицей.

Процесс осаждения электрохимических композиционных покрытий обычно проводят при непрерывном или периодическом перемешивании суспензии, при этом частицы второй фазы постоянно находятся во взвешенном состоянии. Размер частиц 0,1 – 3 мкм, количество их может быть ≈10 7 на 1 см 2 поверхности.

Суспензии могут быть созданы не только введением высокодисперсных частиц, но и путем химической реакции непосредственно в электролите, например, введением хлорида бария с образованием нерастворимого мелкодисперсного осадка BaSO₄.

Перемешивание производят воздушным или эжекторным способом, либо с помощью механических мешалок. Кроме того, рекомендуется проводить горизонтальное покачивание катодных штанг.

Назначение дисперсных материалов заключается в придании электрохимическим композиционным покрытиям ценных свойств, не характерных для металла покрытия. Влияние их на металл может быть разнообразно.

В качестве дисперсной фазы могут использоваться порошки корунда, карбида кремния, бора, нитриды, салициды и др.

Об особенностях получения электрохимических композиционных покрытий расскажет к.т.н. Исаев Александр Валерьевич.

Возможность образования покрытий заданного состава зависит от многих условий:

природы электролита (ионный состав, pH, наличия ПАВ, природа металла и частиц), условий электролиза (величина тока, температура, скорость движения суспензии), а также природы металла и частиц.

Сравнительно легко образуются электрохимические композиционные покрытия с частицами различной природы из электролитов никелирования и железнения («Железнение и не только. Часть1»).

В настоящее время широко востребовано покрытие «сил-никель», которое наносится вторым слоем для повышения коррозионной стойкости блестящего никеля при последующем нанесении хрома.

Деталь с композиционным покрытием сил-никель.

В качестве второй фазы используется мелкодисперсный порошок каолина (силикат алюминия) или другие частицы, например, аэросил, представляющий собой порошок белого цвета диоксида кремния с размером частиц 5 – 40 нм.

Толщина сил-никелевого слоя от 1 до 3 мкм.

Классический состав одного из таких электролитов :

Сульфат никеля 250 – 300 г/л

Хлорид никеля 50 – 60 г/л

Кислота борная 25 – 40 г/л

1,4 – Бутиндиол 0,12 – 0, 2 мл/л

Каолин КРХС 1,0 – 5,0 г/л

Аэросил А-380 0,1 – 0,5 г/л

Температура 55 – 65ºС

Катодная плотность тока 4 – 5 А/дм 2 .

Аноды из электролитического никеля.
Покачивание катодных штанг в горизонтальном направлении.

Труднее образуются электрохимические композиционные покрытия на основе серебра и хрома. Вероятно, это связано с тем, что при хромировании на катоде выделяется много больше водорода, чем в других электролитах.

При меднении частицы корунда соосаждаются легче из щелочных комплексных электролитов, чем из кислых. Однако, электропроводящие частицы (W, Cu, графит) соосаждаются с никелем легче при низких значениях pH.

Воздействие поверхностно-активных растворимых добавок на образование электрохимических композиционных покрытий связано с изменением поверхностного натяжения электролита.

Физические и химические свойства частиц влияют на их адгезию к катоду и зарастаемость осадком. Незначительное растворение частиц в ванне приводит к изменению ионного состава электролита.

Для стимулирования соосаждения определенных веществ с металлом и улучшения свойств электрохимических композиционных покрытий прибегают к изменению природы поверхности частиц.

Использование ультрадисперсных алмазов (УДА), имеющих сверхмалые размеры (4 – 8 нм), с развитой удельной поверхностью 200 – 450 м 2 /г, эффективность которых базируется на принципах дисперсного упрочнения и усиления свойств покрытий, открыло одно из самых перспективных направлений в создании тонкостуктурированных композиционных покрытий, обладающих лучшими качествами алмаза – твердостью, стабильностью, устойчивостью к различным агрессивным средам и многими другими.

Добавление в электролит серебрения УДА в количестве 1 – 10 г/л, позволяет повысить микротвердость и износостойкость покрытия.

Состав электролита серебрения с УДА:

Калия дицианоаргентат 74 – 92 г/л

Калий роданистый 200 – 250 г/л

Калий углекислый 20 – 40 г/л

Концентрация УДА 1 – 10 г/л

Температура 18 – 25ºС; рН = 9 – 10; Дк = 1 А/дм2;
Постоянное перемешивание.

Структура серебряного композиционного покрытия с УДА.

Недостаток электрохимического получения композиционных покрытий заключается в неравномерном распределении покрытий на деталях сложной конфигурации и невозможности соосаждения дисперсных материалов, не стойких к воздействию раствора электролита. Также вызывают вопросы методы анализа концентрации дисперсной фазы, добавляемой в электролит.

К преимуществам электрохимической металлизации дисперсных материалов относится экономичность, низкая температура процесса (18 – 60ºC), высокая скорость осаждения металла (1 – 20 мкм/мин и более). Существует возможность металлизации как металлических порошков, так и неметаллической поверхности после соответствующей подготовки; толщина слоя металла может быть заданной; возможна металлизация частиц как электрохимически осаждаемыми металлами, сплавами и электрохимическими композиционными покрытиями, так и многослойными покрытиями.

Получение электрохимических композиционных покрытий с заданными свойствами – перспективное направление, возможности которого в настоящее время недостаточно изучены.

Источник