Гальваническое покрытие металла: виды технологии, назначение, процесс нанесения

Гальваническое покрытие металла – электрохимический метод защиты от неблагоприятных внешних воздействий. Тонкая металлическая пленка защищает детали от действия химических веществ и влаги, продлевает срок службы и улучшает внешний вид.

Технология нанесения гальванических покрытий отличается простотой и экономичностью, благодаря чему получила большое распространение в различных сферах:

Строительстве. Гальванический способ используется для покрытия металлических конструкций, эксплуатирующихся под открытым небом.
Авиа- и машиностроении. Для защиты деталей, от воздействия неблагоприятных факторов.
Приборостроении и электронной промышленности гальваническое покрытие используется для защиты контактов из активных металлов.
Медицине. Применяется в производстве медицинских и хирургических инструментов.
Химической промышленности. Для изготовления лабораторной посуды.
Производстве товаров народного потребления, в том числе сантехники, посуды, предметов интерьера, мебели и т.д.

Принцип метода гальванизации

Нанесение гальванических покрытий – это процесс, в ходе которого на исходной детали образуется металлическое покрытие. Данный метод подразумевает использование электролита. Электролитический состав подбирается в соответствии с необходимым результатом и характеристиками металла, из которого выполнена заготовка.

Для запуска процесса гальваники металла необходимы два анода, соединенных с источником тока. Присоединение помещенной в электролит заготовки к «минусовому» контакту запускает гальванизацию. В данной схеме обрабатываемая заготовка является катодом.

Важный момент – на структуру формируемого покрытия напрямую влияет величина плотности тока. В данном случае она определяется как соотношение силы тока к величинам поверхности заготовки.

Цели процедуры

Методика гальванизации может быть использована для достижения различных целей. Чаще всего данная технология востребована для улучшения эстетических и эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей и конструкций. Она также может применяться в том случае, если нужно получить точные копии образцов с особо сложным рельефом – такое направление использования метода называется гальванопластикой.

Другой, не менее популярной целью использования технологии является обработка черных металлов. В отношении процедуры цинкования гальванизация представляет собой формирование цинкового гальванического покрытия на заготовках из черного металла. Такое покрытие обладает незаурядными антикоррозийными характеристиками. Заготовки (конструкции, детали), обработанные по такой методике, впоследствии могут контактировать с водой, использоваться во влажной среде в течение длительного времени, при этом сохраняя свои прочностные характеристики.

Титан и его сплавы.

Титан — важнейший конструкционный материал, обладающий целым рядом уникальных свойств. Титан легок, что обуславливается его малой плотностью (4540 кг/м3). Он легче железа почти в 2 раза, хотя и уступает по этому показателю во столько же раз алюминию. Наряду с легкостью титан высокопрочен. Уникальной является способность титана к пассивации и, как следствие, его исключительная коррозионная стойкость. Промышленные газы, соленая вода и окислители не причиняют титану никакого вреда. Однако, при всех положительных качествах титан дорог, прихотлив в обработке и формовке, имеет высокий коэффициент трения. Пайка и сварка титана сложна и трудоемка. Он в 24 раза хуже проводит электричество, чем медь, в 16 раз хуже, чем алюминий и в 4 раза хуже, чем сталь. Титан уступает по теплопроводности алюминию почти в 15 раз, стали — в 5. По температуропроводности титан хуже алюминия также в 15 раз, стали — в 3,5 раза. При высокой температуре титан активно взаимодействует с кислородом, азотом, углеродом, галогенами (хлором, бромом, йодом, фтором), а также серой. Уже при комнатной температуре титан нестоек в щелочах и перекиси водорода.

Нанесение защитно-декоративных гальванических покрытий на титан позволяет улучшить многие его свойства и нивелировать недостатки. Хромирование титана увеличивает его износостойкость и термостойкость. Для повышения электропроводимости и паяемости титана применяется оловянирование (олово-висмут), меднение и серебрение. Антифрикционные свойства улучшаются при покрытии олово-свинцом и свинцом. Никель и сплав никель-фосфор (химникель) защищает титан от воздействия щелочей при любых концентрациях и температурах. Внешний вид титана улучшается за счет блестящих хромовых, никелевых и олово-висмутовых покрытий. Для декоративной отделки титана часто применяется анодное оксидирование. При этом, в отличие от бесцветных полупрозрачных оксидов на алюминии, на титане образуется окрашенная пленка. Цвет ее зависит от приложенного на деталь напряжения, которое может доходить до 120 В. Анодированием можно окрашивать титан в светло-зеленый, темно-серый, голубой, черный, золотистый и иные цвета.

Нанесение металлических покрытий на титан требует большого опыта и сопряжено со значительными трудностями. Благодаря способности почти мгновенно пассивироваться титан всегда имеет на своей поверхности слой оксидов, который резко ухудшает адгезию покрытий. Кроме этого, в титан легко диффундирует водород при подготовке поверхности. Скапливаясь на границе основа/покрытие он также будет вызывать отслоения и ухудшать физико-механические свойства детали.

Преимущества метода гальванического покрытия

В сравнении с другими методами защиты, гальванический способ покрытия металлов обладает рядом уникальных достоинств:

Защитный слой отличается равномерной толщиной, высокой плотностью и адгезией к другим материалам.
Наносить покрытие можно на конструкции любой формы.
Метод повышает высокие антикоррозийные свойства металлов, продлевая срок их службы.
Покрытия отличаются высокой износостойкостью и устойчивостью к механическим воздействиям.
Гальванические покрытия имеют высокие эстетические характеристики, что сделало технологию популярной в дизайне.
Экономичность. Технология не требует сложного оборудования и больших затрат на организацию производства. При этом она востребована практически во всех сферах экономики, что делает ее не только перспективной, но и высокорентабельной.

Контроль качества

Требования к качеству гальванического покрытия зависят от условий эксплуатации обработанного изделия. Для оценки нанесения используются такие виды контроля:

Оценка внешнего вида детали путем визуального осмотра, сравнения с эталонными образцами (чистота поверхности, цвет, наличие или отсутствие блеска).
Определение толщины гальванического покрытия и пористость производится в лабораторных условиях (измерение).
Устойчивость к коррозии согласно ТУ или ГОСТ (испытание).
Механическая, физическая устойчивость (отражательные свойства, пластичность, износостойкость, электрическое и температурное сопротивление, твердость и пр.)

Функции

Гальванические покрытия подразделяются на несколько видов в зависимости от назначения:

Защитные. Используется для изоляции металлов от воздействия агрессивных факторов внешней среды.
Защитно-декоративные. Помимо защитной, несут эстетическую функциию.
Специального назначения. Гальванизация используется для придания изделиям новых свойств, например, улучшение эксплуатационных характеристик, восстановления начальной формы и размеров изделий.

Виды гальванических покрытий

Для защиты металлоизделий используются различные виды гальванических покрытий, в том числе из драгоценных металлов. Их используют редко, как правило, в радиотехнике, приборостроении и производстве ювелирных изделий.

Наибольшее распространение получили:

Медь. В промышленности не используется самостоятельно. Это связано с тем, что медь при взаимодействии с кислородом быстро окисляется. Чаще всего ее применяют в качестве подслоя, для улучшения качества покрытия, в сочетании с другими металлами: никелем и хромом.

Последнее время большую популярность приобрели декоративные изделия, имитирующие старинные. Медь оказалась благодатным материалом для декораторов. Она доступна, легко поддается обработке, процесс гальванического покрытия не требует больших финансовых затрат. Ее свойства позволяют подвергать гальванизации необычные материалы, например растения и создавать неповторимые украшения.

Хром. Хромирование широко применяется в промышленности для снижения трения в механизмах, повышения износостойкости и устойчивости к коррозии. Используется не только для защиты, но и для восстановления металлических деталей, а также в декоративных целях, поскольку покрытие имеет красивую зеркальную поверхность.
Цинк. Цинкование – одна из самых востребованных технологий. Гальваническое покрытие обладает высоким защитным действием, что позволяет продлить срок службы металлических изделий на десятки лет. Оцинкованные предметы стали популярными в среде декораторов и с успехом используются для оформления интерьеров.
Никель. Характеризуется прочностью и высокими эстетическими свойствами. Покрытие никелем используется во многих сферах: производстве сантехники, строительстве, машиностроении, химической промышленности, медицине, производстве товаров народного потребления. Никель часто выступает в качестве подслоя при хромировании. Активно применяется для создания декоративных изделий поскольку может использоваться на неметаллических поверхностях, например стекле, керамике и т.д.

Совместимость обрабатываемых металлов

При использовании метода гальваники (в выборе контактируемых металлов) необходимо учитывать их гальванические свойства. Это касается и любых производств, где изготавливаются изделия из разных металлов. Дело в том, что взаимодействие разнородных металлов приводит к такому явлению, как контактная коррозия – к примеру, использование заклепок из меди для скрепления алюминиевых листов приведет к созданию гальванической пары и как следствие, к сильной коррозии.

У каждого из указанных металлов есть свой электродный потенциал. При контакте с электролитическим составом, один из них становится анодом, а другой – катодом. В процессе реакции анодом является алюминий. Медь, в данном случае выступающая в качестве катода, способствует быстрому разрушению алюминия.

Нужно учесть, что почти все разнородные металлы, которые взаимодействуют друг с другом, не могут быть гарантированно защищены от коррозии. Причина в том, что при контакте металлов электролитом может стать даже влага, находящаяся в воздухе: её частицы вполне способны запустить процесс гальванизации.

В данной таблице представлены данные о совместимости гальванических пар:

Характеристики гальванических покрытий

Оценка результатов гальванизации деталей производится путем контроля свойств полученного покрытия. Оно обладает следующими свойствами:

Электрические параметры покрытия. В изготовлении токопроводящих компонентов эта характеристика гальванического покрытия изделий является ключевой;
Фактурность. В зависимости от выбранной методики гальванизации покрытие может обладать разной степенью шероховатости поверхности;
Твердость. Эта характеристика покрытия оценивается при помощи специализированного измерительного оборудования.

Нержавеющая сталь.

Нержавеющая сталь — сплав железа с углеродом, преимущественно легированный большим количеством хрома и никеля. Из названия этого конструкционного материала понятно, что он находит основное применение в средах, вызывающих активную коррозию обычной стали. Так, нержавейка устойчива в промышленной атмосфере и воде, хорошо сопротивляется воздействию серной кислоты. В тоже время нержавеющая сталь плохо паяется, обладает достаточно низким коэффициентом трения, слабо проводит электрический ток, боится щелочей (в отличие от углеродистой стали) из-за присутствия в ней хрома. Однако все эти недостатки эффективно устраняются гальваническими покрытиями.

Трудность покрытия нержавейки связана с наличием на поверхности деталей тончайшей прочной пассивной пленки из оксидов хрома и никеля, не позволяющей покрытию хорошо сцепиться с основой после обычной технологии подготовки. Эта пленка легко стравливается, но почти мгновенно образуется вновь на воздухе. Поэтому для гальванопокрытия нержавеющей стали применяются более сложные, чем при обработке обычной стали, методы.

Применяя такие методы нержавеющую сталь можно хромировать, лудить, никелировать, меднить и т.д. Никель применяют для усиления блеска сложнопрофильной поверхности вместо механической или электрохимической полировки. Также благодаря никелю детали из нержавейки полностью защищаются от воздействия щелочей. Хром повышает износо- и термостойкость. Для защиты от появления коррозионно-активной гальванопары при сопряжении с алюминием применяется сплав олово-висмут. Медь придает искрозащитные свойства, облегчает свинчиваемость, защищает от задиров и повышает электропроводность. Черное цинковое покрытие является декоративным. Общую коррозионную стойкость нержавеющей стали можно повысить путем химической пассивации.

Преимущества:

Высокая атмосферная коррозионная стойкость;
Устойчивость в смеси крепких кислот, содержащих несколько процентов HNO3, но в отсутствии HCl и HF;
Устойчивость при температуре 300° С в H2O, HNO3 и органических кислотах;
Приемлемая свариваемость.

Недостатки:

Высокая стоимость;
Повышенная хрупкость в зонах сварных швов.

Используемые материалы и оборудование

Чтобы нанести гальваническое покрытие, необходимы определенные материалы и оборудование. Для нанесения хромированной поверхности, цинка и иных металлов на заготовки применяется стандартное оснащение для гальванизации – разница при использовании перечисленных видов обработки будет в составе электролита, плотности используемого тока и режимах процедуры.

Формирование покрытия из металлов производится с использованием следующего оснащения и материалов:

гальванические ванны – ёмкости для электролита (раствора, обеспечивающего запуск гальванизации);
система нагрева (нужна для нагревания электролита до нужной температуры);
устройство, обеспечивающее подачу постоянного тока (необходимое условие — наличие регулятора напряжения).

Этапы процесса гальванизации

Процесс нанесения гальванизации состоит из нескольких стадий:

Подготовка детали к обработке. Самый длительный и трудоемкий этап, т.к. качество поверхности оказывает решающее влияние на степень адгезии слоев. Подготовка заключается в чистке с использованием различных приспособлений и механизмов, шлифовке, обработке детали от загрязнений и жира.
Подготовка гальванического раствора. Его состав подбирается в зависимости от назначения и используемых материалов. После раствор наливается в емкость или гальваническую ванну. В жидкий электролит помещается пластилина из металла, которая выполняет роль анода, несущего положительный заряд. В роли катода выступает изделие, подвергающееся обработке.
Гальванизация – основной этап. Электрическая сеть замыкается. Положительно заряженные частицы анода устремляются в направлении катода, осаждаясь на его поверхности. В результате получается прочное, устойчивое к воздействиям покрытие. Продолжительность воздействия зависит от используемых материалов и толщины защитного слоя, которую необходимо получить.

Алюминий и его сплавы.

Алюминий — один из основных видов конструкционных материалов, широко применяемый в электротехнике, приборо-, машино- и авиастроении. Алюминий легок и коррозионно-устойчив в атмосфере за счет присутствующей на его поверхности тончайшей пассивной пленки в несколько нанометров. Алюмииний хорошо проводит электричество и тепло. Цена алюминия ниже, чем других цветных металлов, а природные запасы огромны. Однако алюминий имеет и ряд недостатков. Он паяется хуже, чем олово, не обладает износостойкостью, его практически невозможно заполировать до зеркального блеска. В солевой среде, щелочах, соляной кислоте и ряде других реагентов алюминий активно корродирует. При контакте с медными деталями или нержавеющей сталью алюминий образует коррозионно-активную гальванопару. Поэтому поверхность алюминия часто требуется модифицировать гальваническими или химическими покрытиями.

Среди покрытий на алюминии можно выделить две группы: оксидные и металлические. Химическое и анодное оксидирование алюминия не представляет больших трудностей при отработанной технологии производства. В то же время нанесение металлических покрытий требует серьезной подготовки поверхности и обязательного нанесения одного-двух технологических подслоев. Это связано (как и в случае с нержавеющей сталью или титаном) со способностью алюминия почти мгновенно пассивироваться. Пассивная пленка легко восстанавливается на влажной детали после травления и препятствует дальнейшему сцеплению покрытия и основы. Более того, при плохой подготовке алюминия после металлизации могут образовываться скрытые дефекты и покрытие может «вспузыриться» при хранении даже через несколько месяцев или при пайке. По этой причине все металлические покрытия на алюминии должны в 100% случаев проверяться на адгезию как минимум двумя методами по ГОСТ.

Разделение алюминиевых сплавов на деформируемые и литейные обусловлено особенностями формовки из них полуфабрикатов и готовых изделий.

Деформируемые сплавы алюминия предназначены в первую очередь для последующей токарной, фрезерной обработки, экструзии и т.п. Они отличаются по составу от литейных отсутствием или незначительным содержанием в них кремния. При травлении деформируемых сплавов на их поверхности образуется шлам из легирующих добавок и интерметаллидов, который во время последующей обязательной операции осветления легко удаляется обычной азотной кислотой и не препятствует покрытию. В процессе анодирования такой шлам растворяется в электролите и также не скапливается на поверхности. Присутствие кремния в алюминиевом сплаве (а как следствие — в травильном шламе) сделало бы процессы оксидирования и металлизации алюминия гораздо более сложными. Таким образом, покрытие деформируемых сплавов алюминия проще, чем литейных.

Литейные сплавы алюминия- одни из основных конструкционных материалов, широко применяемых в электротехнике, приборо- и авиастроении. Литейные сплавы алюминия отличаются высоким содержанием кремния, что сопряжено с высокой сложностью подготовки их поверхности перед покрытиями. Любое покрытие литейного алюминия — сложный процесс, ввиду присутствия на его поверхности оксидной пленки и образовании на поверхности порошка кремния при травлении. Все это препятствует прочному сцеплению покрытия с основой. Данная проблема решается применением специальных операций предварительной подготовки.

По каким нормативам оценивается качество готового покрытия

Требования к параметрам гальванического покрытия отражены в ГОСТ 9 301-86.

В отношении толщины слоя в указанном нормативном документе приводятся следующие указания:

Возможно отклонение от максимальной толщины покрытия в том случае, если это отклонение не оказывает влияние на рабочие характеристики изделия. Для деталей со сложным рельефом, в местах изгиба допускается уменьшение толщины слоя до 50%.

предлагает услуги гальванизации металлоизделий в любых объемах. Узнать подробности, сделать заказ или купить продукцию компании можно позвонив по телефону, указанному на сайте.

Толщина слоя

Толщина гальванического покрытия определяется согласно данным о средних толщинах наносимого слоя, зависит от условий, в которых будет эксплуатироваться деталь. Они делятся на группы:

Легкие условия (ЛС) – детали используются в закрытых отапливаемых помещениях с относительно сухой атмосферой, или изделие будет эксплуатироваться в течение непродолжительного срока во внешней среде, где нет активных коррозионных агентов. Толщина однослойного покрытия составляет около 7 мк, многослойного – 15 мк.
Средние условия (СС) – детали будут использоваться в среде со средней влажностью, загрязнением, небольшими количествами топливных, промышленных выбросов или испарений морской воды. Толщина однослойного покрытия составляет 15 мк, многослойного – 30 мк.
Жесткие условия (ЖС) – предусматривают эксплуатацию деталей в условиях высокой влажности, повышенного уровня загрязнений промышленными газами, отходами топлива, твердыми веществами, пылью. Толщина однослойного покрытия – 30 мк, многослойного – 45.

Данные о толщине гальванического покрытия деталей одним слоем содержит ГОСТ 2249-43. Сюда относятся цинковые покрытия. Контролирует многослойное нанесение гальванического покрытия ГОСТ 3002-45 (никелевые покрытия). Толщина слоя может быть изменена по конструктивным требованиям или в тех случаях, когда обрабатываемая деталь рассчитана на короткий срок эксплуатации. Срок службы цинкования – до 5 лет, для остальных видов покрытий – до 3 лет.