Гальванические (электрохимические) покрытия

Если в водный раствор соли осаждаемого металла (электролит) ввести предварительно очищенную и подготовленную деталь, подлежащую покрытию, а затем пропустить через электролит электрический ток, то анод (осаждаемый металл) растворяется в электролите и ионы его переносятся на катод (деталь) и осаждаются на нем, образуя гальваническое (электрохимическое) покрытие (рис. 4.5)

 

Способ позволяет осаждать широкий спектр металлов, сплавов, композиционных материалов (железо, никель, кобальт, медь, хром, цинк, легкоплавкие, благородные металлы и их сплавы).

Он нашел широкое распространение в промышленности развитых стран. Общая площадь ежегодно наносимых гальванических покрытий достигает 1 млрд. м².

Преимуществами способа являются простота процесса электроосаждения, низкая себестоимость, доступность контроля и автоматизации, практически неограниченные возможности варьирования свойств осаждаемых покрытий, простота и равнотолщинность.

Основные недостатки – низкая скорость осаждения покрытий, экологические проблемы, связанные с дополнительными затратами на очистку и обезвреживание стоков и отработанных электролитов, наводораживание, многостадийность.

Гальванические покрытия имеют следующие основные области применения:

-восстановление размеров стальных, чугунных деталей с износом десятых долей миллиметра (клапаны, поршневые пальцы, шатуны, отверстия под подшипники в корпусных деталях и др.) и повышение износостойкости (Fe, Cr, Ni, Cu, композиционные покрытия на их основе), коррозионной стойкости (Cr, Zn, Cd и т.п.);

-придание защитно-декоративных (Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn, Pb) и антифрикционных свойств (Fe, Cu, Zn, Sn, композиционные покрытия на их основе);

-защита от цементации (медь);

-повышение теплостойкости (хром);

-придание поверхностному слою специальных свойств – электро-, теплопроводности и др. (медь и др.)

Технологический процесс нанесения гальванических покрытий содержит три основных блока операций: подготовительные (очистка, промывка, обезжиривание), осаждение металла, обработка после нанесения покрытий (промывка, нейтрализация, сушка).

Наибольшее распространение для восстановления стальных и чугунных деталей (шеек коленчатых и распределительных валов, крестовин, головок шатунов, гильз цилиндров, поршневых колец, пальцев и т.п.) получило железнение. Зачастую его называют «осталиванием», поскольку твердость осадков находится на уровне твердости закаленной стали. Производительность железнения максимальна (в 10 раз выше, например, чем при хромировании).

Толщина покрытий достигает 3 мм на сторону. При этом выход по току максимальный – 80-96%, плотность тока 0,1…50 А/дм², температура электролита 20…100 °С, используются в основном хромистые (FeCl₂, FeCl₃), сульфатные, бористые электролиты.

В Республике Беларусь наиболее значимых успехов в разработке прогрессивных технологий нанесения гальванических покрытий достигли в ИФХП БГУ под руководством академика НАН Беларуси Ивашкевича О.А., а в области железнения в БНТУ.

Весьма перспективно развитие градиентных композиционных гальванических покрытий с добавками микро- и наночастиц различной природы (карбидов, оксидов, боридов, алмазов и др.)

 

Химические покрытия

Металлические покрытия (никеля, меди, кадмия, олова и др.) можно осадить на восстанавливаемые детали из водных растворов их хлоридов. Процесс никелирования, например, ведут при температуре 45…99 °С. Скорость осаждения весьма низкая(при 50 °С около 2 мкм/ч). Нанесение наиболее распространенных никель-фосфорных покрытий ведут из кислых и щелочных растворов.

Осаждение олова (приработочное покрытие) идет с большей скоростью (до 5 мкм за 3…5 мин при температуре раствора 50…60 °С).

Применяют в практике и нанесение цинк-фосфатных, фосфатных, оксидных неметаллических покрытий до 50 мкм, однако пока эти технологии не находят широкого распространения прежде всего в силу низкой производительности и неэкологичности.

Диффузионные покрытия

Их получают, как правило, химико-термической обработкой (ХТО), сочетающей тепловое воздействие с диффузионным насыщением поверхности металлов и сплавов одним или несколькими химическими элементами. Это позволяет получать в поверхностном слое детали сплав практически любого состава (твердые растворы, карбиды, бориды, нитриды, силициды и т.п.) с комплексом необходимых свойств (твердостью, износо-, жаро- и коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами).

В зависимости от того, каким или какими химическими элементами насыщают материал различают широкую гамму одно- и многокомпонентных процессов ХТО: науглероживание, азотирование, азотонауглероживание, борирование, хромирование, алитирование, борохромирование и др.

Диффузионное насыщение при нагреве возможно только в тех случаях, когда насыщающий или насыщаемый компоненты взаимодействуют, т.е. образуют твердые растворы или химические соединения. Наиболее распространены в практике процессы науглероживания (цементации), азотирования, нитроцементации, борирования.

Технологически ХТО осуществляют в твердых, жидких, газообразных средах, иногда с применением интенсифицирующих воздействий (ионного, лазерного, электронно-лучевого, воздействия электромагнитных полей и т.п.)

Наиболее простыми являются процессы ХТО в твердых средах. Например при борировании обрабатываемые детали помещают в металлический контейнер из нержавеющей стали, засыпают порошковой боросодержащей смесью (аморфный бор, или карбид бора, или алюминотермическая смесь) с добавлением 1…1,5 % активатора (галоидные соли), засыпают легкоплавким порошком (битое стекло или борный ангидрид), служащий плавким затвором. Затем контейнер помещают в печь и выдерживают при температуре 800…950 °С в течение 1…5 часов. После извлечения и охлаждения из печи контейнер распаковывают. В итоге на поверхности стальной или чугунной детали формируется весьма твердый (до 2100 HV) слой боридов FeB и Fe₂B толщиной до 0,2 мм, которые значительно (в 2 и более раз) повышают износостойкость деталей и инструмента (формы для обработки кирпича, бурильный, штамповый, режущий инструмент и т.п.), особенно работающих в условиях интенсивного изнашивания, например абразивного.

Получаемые ХТО карбидные покрытия на основе хрома, титана значительно повышают как износо- так и жаро- и коррозионную стойкость.

Цементация, нитроцементация, азотирование в сочетании с термической обработкой весьма эффективны для повышения износостойкости зубчатых колес автомобилей, тракторов, приборов (более 90% зубчатых колес в мире подвергаются ХТО).

Ведущей организацией в Беларуси в области исследований и разработки перспективных технологий ХТО является БНТУ.

Весьма интересны процессы ХТО микрообъектов (порошков, проволоки, лент, различных мелких деталей) также разрабатываемые в БНТУ.

 

Полимерные покрытия

Получают их различными путями (осаждения из взвешенных порошков, суспензий, растворов, распыления, прикатки ленты, пленок и др.) нанося на подготовленную поверхность детали, последующей обработкой для улучшения адгезии и монолитизации слоя.

Полимерные покрытия повышают коррозионную стойкость, износостойкость, антифрикционность, диэлектрические, электроизолирующие, декоративные, оптические свойства металлов и сплавов.

Порошковые полимерные покрытия являются особенно эффективной заменой в последнее время традиционным лакокрасочным покрытиям ввиду явных преимуществ (коэффициент использования материалов 97…98 %, взамен 85%, однослойность при толщине 120…250 мкм взамен четырех-, восьмислойности, экологичность, меньшая трудоемкость и стоимость, меньшая пористость и в 2…6 раз большая долговечность). В целом полимерные покрытия из порошковых красок на 30% экономичнее традиционных красок и в 2…4 раза гальванических.

В машиностроении, радиопромышленности, строительстве порошковые полимерные покрытия эффективны для защиты металлов и неметаллов (электроприборы, трубы, кузова и кабины автомобилей и т.п.) от коррозии.

Основными технологиями нанесения полимерных покрытий из порошковых материалов являются следующие.

1) Переведенные во взвешенное состояние вихревым, вибрационным, вибровихревым, механическим, электростатическим, комбинированным способами порошки полиолефинов, поливинилбутираля, пенопласта, полиамидов, фторопласта и др. осаждаются на поверхность предварительно нагретой выше температуры плавления полимера деталь, оплавляются и дополнительно термообрабатываются для монолитизации слоя.

2) Полимерные частицы вводят в газовый поток и напыляют в оплавленном состоянии на деталь (пламенный, плазменный способы) или оплавляют осажденные на деталь частицы полимера (струйный, электростатический способы).

3) Нанесение порошка полимера на деталь с помощью сит, центробежных сил (на внутренние поверхности) или прокатка по слою порошка с последующей его монолитизацией.

4) Покрытия толщиной до 100 мкм получают из растворов, суспензий, паст окунанием, поливом, распылением.

5) Тонкие (до 10 мкм) покрытия получают из разбавленных растворов или из газовой фазы (адсорбированием молекул мономера на поверхности и их полимеризацией потоками электронов, ионов либо термическим разложением (пиролизом) полимеров концентрированными потоками энергии (электронно-лучевым, ионным, лазерным и т.п.)

В Беларуси ведущими в области нанесения полимерных покрытий являются ученые Института механики металлополимерных систем НАН Беларуси, БелГУТа и ГТУ.

 

Вакуумные покрытия

Наносят их в вакууме в результате образования газовой фазы (генерация паров, летучих продуктов), переноса атомов и частиц газовой фазы на покрываемую поверхность, взаимодействия газовой фазы с поверхностью и образования покрытия.

Покрытия формируются из распыленных или испаренных частиц.

Различают: резистивное испарение (газовая фаза образуется в результате нагрева при пропускании электрического тока через резистивный элемент или испаряемое вещество); электронно-лучевое испарение; лазерное испарение; электродуговое испарение; индукционное испарение.

Распыление возможно ионно-лучевым, ионно-плазменным, плазменным способами.

Вакуумный метод позволяет получать широкий спектр покрытий для повышения защитных свойств металлов и сплавов (из кадмия, алюминия, цинка, титана и др.), износостойкости (из нитридов, карбидов, алмазоподобные покрытия и др.), антифрикционных свойств (покрытия меди, кадмия, оксидов и др.), получать покрытия на полимерных материалах.

В течении 1…2 часов получают покрытия от нескольких мкм до 40 мкм.

Углеродистые алмазоподобные покрытия обладают уникальными свойствами (высокими твердостью, теплопроводностью, износостойкостью и низким коэффициентом трения) и формируются термическими или плазмохимическими методами с использованием различных вакуумных установок (например, УВ-НИПА-1-001).

Перспективными являются реактивные способы нанесения покрытия из химических соединений (нитридов, карбидов металлов) для упрочнения режущего инструмента (толщина покрытий до 10…12 мкм).

Весьма продуктивно в направлении создания вакуумных покрытий в Беларуси работают коллективы ученых ФТИ, ОИМ, НПО порошковой металлургии НАН Беларуси, БГУИР, ГТУ, БГУ, БелГУТ.

В заключение следует отметить, что в данном кратком обзоре приведена лишь краткая информация по наиболее перспективным современным способам нанесения покрытий, активно разрабатываемым учеными Республики Беларусь.