Гальванические покрытия Справочник Ю.Д.Гамбург 2006-600, страница 3

На поверхности нерастворимого анода обычно происходит выделение кислорода, образуемого из молекул воды. Рнс. 1.1. Схема процесса электро- осаждения: 1 — анод(растворяется); 2 — катод (ослжлается металл). Схема процесса в целом показана на рис. 1.1. Когда покрытие наносится без внешнего источника тока, в большинстве случаев процесс все равно имеет электрохимическую природу только источником электронов является какое-либо вещество в растворе («восстановитель»), Вещество восстановителя в таких случаях попадает в состав покрытия, поэтому, например, никель, восстановленный гипофосфитом, содержит фосфор. 1.23 ю р р р г ~9) Некоторые покрытия образуются в результате химических процессов с участием самого материала поверхности или за счет злектрохимических реакций на аноде.

Примером может служить оксидирование алюминия или фосфатирование стали. Подробно электрохимическая сторона процессов изложена в гл. 2. Условия проведения процессов. Электрическое напряжение, которое при атом обычно применяется, составляет всего несколько вольт. Величина тока зависит от размера покрываемого изделия.

д мк Если площадь покрываемой г поверхности составляет около ме 1 квадратного метра, то требуется ток в сотни ампер. От б плотности тока зависит скорость нанесения покрытия. На рис. 1.2 показана зависимость ю толщины покрытия от времени при различных плотностях тока. Процессы проводят обыч- 20 40 бе 80 100 г, мяя Рис. 1.2. Толщина серебряного покрытия получаемого при плотности тока (АГл~').

котемпературные процессы. л 1, б — 2, и — 3, г -- 4. При повышенной температуре осадки получаются более крупнокристаллическими, шероховатыми, при понижении температуры возрастают внутренние напряжения, ухудшается адгезия (при случайном снижении температуры следует несколько снизить величину тока). Часто используется перемешивание раствора или движение (например, качание) катода. Длительность получения покрытия может составлять от нескольких секунд до нескольких часов, чаще всего от нескольких минут до десятков минут.

В гл. 2 показано, как выполняется расчет толщины покрытия, полученного за данное время, либо расчет длительности осаждения покрытия нужной толщины. Состав растворов. Растворы почти всегда используются водные. Кроме основного вещества — источника осаждаемого материала, в них вводят много вспомогательных, каждое из которых выполняет какую- либо специальную функцию, например улучшает злектропроводность раствора, способствует получению блестящей поверхности, препятствует выпадению нежелательного осадка и т.д. Процедура приготовления злектролита всегда очень подробно описывается и должна неукоснительно соблюдаться, причем крайне желательно пользоваться максимально чистыми реактивами. Каждый тип растворов имеет свой список особо нежелательных загрязнений.

В процессе работы состав раствора изменяется и должен периодически корректироваться. При случайном попадании в раствор некоторых примесей ход процесса осаждения может резко нарушиться, и тогда необходима либо тщательная очистка, либо полная замена раствора. В литературе состав электролитов приводят обычно или в граммах на литр всего раствора (не растворителя!) (г(л), или в молях на литр (М) . Это связано с методом приготовления растворов: обычно берут воду в количестве 0,5 — 0,7 от общего нужного объема раствора и последовательно растворяют в ней рассчитанные количества веществ (некоторые вещества растворяют отдельно и вводят уже в виде растворов).

Во многих случаях доводят до необходимого уровня кислотность (рН) раствора. Последней операцией является доведение общего объема водой до необходимой величины. В гл. 3 описаны как составы растворов, так и процедуры их приготовления. Подготовка поверхности основы. Это один из важнейших моментов при нанесении покрытий. Успех всего процесса в первую очередь зависит от того, насколько хорошо подготовлена поверхность основы к нанесению покрытия (основу называют также «подложка» или «субстрат»), Если на поверхности останутся следы неметаллических или органических веществ даже в виде очень тонких пленок, то это резко ухудшит сцепление покрытия с основой.

В результате покрытие во время эксплуатации (или даже сразу после нанесения) начнет отслаиваться (отшелушиваться) от поверхности. Порядок подготовки различен для разных металлов основы и разных металлов покрытий, но главным является удаление всевозможных загрязнений, т.е, различных органических и неметаллических пленок на поверхности, которые появляются в результате термической обработки, смазки, в процессе шлифовки и лругой механической обработки изделий перед нанесением покрытия и тд. Для этого поверхность сначала обрабатывают распюрителями, подвергают щелочной очистке, декапированию (удалению оксидов), травлению, наконец тщательно промывают водой, а в некоторых случаях наносят промежуточное покрытие (подслой).

Подробно эти вопросы рассмотрены также в гл. 3. Равномерность толщины покрытия. Эта проблема является одной из наиболее трудных при нанесении самых разнообразных покрытий. Необходимая толщина покрытий может составлять от О,! до 40 мкм (чаще всего от 3 до 30 мкм), в зависимости от назначения покрытия, хотя иногда используются как более тонкие, так и более толстые покрытия. Однако приведенные величины — средние для каждого случая, так как на разных участках поверхности толщина осадка оказывается разной.

Неравномерность распределения металла по поверхности покрываемого изделия тесно связана с тем, что именно таковы законы распределения электрического тока: он концентрируется в тех местах, которые ближе к аноду, а также на выступающих частях (выпуклостях или ребрах) поверхности. Поэтому и толщина осадка оказывается выше там, где больше плотность тока (т.е. отношение силы тока к площади поверхности).

Электролиты, однако, обладают свойством, которое называется «рассеивающая способность (РС). Под этим подразумевается способность раствора улучшать равномерность распределения металла. Такая способность связана с наличием пограничного скачка потенциала на границе катода с раствором. Разные растворы обладают различной РС; эта величина зависит от электропроводности электролита и еше от одного свойства электрохимической системы, называемого поляризуемостью. Этот вопрос более подробно рассмотрен в гл. 2.

Здесь мы отметим только, что на практике удается достичь хорошей равномерности по толщине с помощью специальных приемов (дополнительные аноды, экраны и т.д.). Простейший пример: для нанесения покрытия на обе стороны плоского листа достаточно поместить два анода по обе его стороны (в случае одного анода сторона листа, обращенная в противоположную сторону, будет покрыта значительно более тонким слоем, чем обращенная к аноду). Осложнения и трудности.

Процессы нанесения покрытий сопровождаются осложнениями: вместе с металлом на катоде часто выделяется газообразный водород, металл неравномерно распределяется по поверхности, не всегда хорошо сцепляется с поверхностью, имеет темные пятна, растрескивается и т.д. Некоторые неполадки такого рода связаны с попаданием в растворы посторонних веществ, изменением их состава при эксплуатации и т.д. Поскольку сейчас достигнуто довольно глубокое понимание сущности процессов, происходящих на электродах и в растворах, то на этой основе созданы весьма сложные по составу ванны, которые обеспечивают высокую скорость осаждения, хорошее и воспроизводимое качество поверхности, высокую рассеивающую способность„т.е. равномерность распределения металла по толщине.

Но и работа с ними требует жесткого контроля и тщательного соблюдения технологических условий. Все вопросы этого типа, включая состав растворов, их приготовление, корректирование, подготовку поверхности, устранение неполадок и т.д., рассмотрены в гл.

2 и 3, !.3. Выбор материалов и процессов Выбор материала (или материалов), нз которого (которых) наносится покрытие, основывается прежде всего на требованиях, которые предьявляются к покрытию; иногда выбор однозначен, иногда имеются альтернативы. Далее производится выбор толщины покрытия и технологического процесса для его нанесения. Таблица 1,1 Свойства чистых отомжениых металлов прп 20 'С Сим- Мольи. объем, см'/моль Атом- ная масса Плот- Уд. ность, электрог/смз сопр., мкОм см Т-ра плавления, ОС Твердость, МПа Металл Предел прочности, МПа А1 26,98 Алюминий 9,99 660 2,65 160 50 Висмут В1 208,9 21,3 9,80 107 271 90 % !83,85 Вольфрам 9,50 3420 19 35 5 6 2100 720 1,096 Ге 55,85 Железо 1539 7,87 500 170 Ац 196,97 !и 114,8 1063 Золото Индий 10,20 19,32 2,25 180 50 15,73 7,30 157 22 1г 192,2 22,65 5,4 8,49 2447 Иридий 1600 220 Кадмий Сд 112,41 13,00 8,65 160 321 7,6 60 Со 58,93 Мп 54,94 6,67 Кобальт Марганец 1200 1494 8,84 5,5 240 7,36 7,46 150 1245 Сц 63 546 7,11 450 Медь 1,68 1084 200 Молибден Мо 95,94 9,39 2620 10,22 5 2 1500 !ч! 58,69 бп 118,7 Никель Олово 6,59 1000 8,91 6 84 1455 240 16,26 7,30 12,8 50 232 Оз 190,2 22,61 9,7 Осмий 8,41 3030 3500 Рб 106,4 8,85 300 12,02 10,2 120 1551 Платина Рений Р! 195,1 Вс 186,2 9,09 21,46 300 1772 1!О 9,9 8,85 3190 21,03 17,2 !300 Родий ВЬ 102,9 540 8,30 1963 12,4 4,0 Н8 200,6 14,77 — 39 13 58 95 Рутений Свинец Вп 101,07 РЬ 207,2 8,!7 2250 12,37 7,4 11,34 20 !800 !8,27 40 327 Серебро А8 107,87 10,28 962 10,49 1 68 260 65 С ьма $Ь 121,15 630 6,69 40 18,20 50 7,23 Хром Цинк Сг 52,00 Хп 65,39 1890 7,19 1060 170 !5 9,17 360 419 7,13 5,45 120 Важнейшие характеристики и физические свойства металлов, применяемых в гальванотехнике, приведены в табл.