123132 (Защитные покрытия деталей РЭС-4)

Введение

В производстве РЭС существует большое разнообразие покрытий как целых устройств, так и элементов. Эти покрытия во многом определяют надежность работы РЭС. Покрытия при производстве РЭС преследуют различные цели, среди которых наиболее существенными являются: защита поверхности от коррозии; получение красивого внешнего вида; придание поверхности изделия более высокой механической прочности, высокой электропроводности.

По материалу пленок покрытия разделяются на металлические, химические и лакокрасочные.

При выборе покрытия необходимо учитывать условия работы изделия и отдельных деталей.

Легкие условия работы имеют герметизированные и теплоизолированные детали, а также детали РЭС, устанавливаемые в закрытых помещениях, в которых не содержатся промышленные газы.

Средние условия эксплуатации имеют детали негерметизированной аппаратуры, работающей в условиях наружной атмосферы при Т – 60±70^оС и относительной влажности воздуха 70÷95%.

В жестких условиях работают детали негерметизированной РЭС при непосредственном воздействии дождя и снега при температуре от -60÷+70^оС и относительной влажности воздуха до 98%, в условиях морской и тропической атмосферы, а также РЭС, установленной в местах, доступных скоплению промышленных газов.

1. Гальванические покрытия

Гальванические покрытия являются металлическими покрытиями и широко используются для защиты поверхностей деталей от коррозии и придания им красивого внешнего вида. Физической основой гальванических покрытий является процесс электрохимического осаждения, то есть такое явление, при котором постоянный электрический ток проходит через электролит и вызывает электрохимическую реакцию разложения его. При этом на катоде происходит осаждение чистого металла, а на аноде происходит реакция окисления и переход в электролит положительно заряженных ионов металла анода. В качестве электролитов используются растворы солей и кислот, тип и содержание которых определяется видом гальванического покрытия.

В зависимости от характера защиты изделия от коррозии все металлические покрытия подразделяют на анодные и катодные. Анодными называют покрытия, электрохимический потенциал металла которых в данной среде более электроотрицателен, чем электрохимический потенциал основания. Катодными называют покрытия с обратным соотношением потенциалов. На рис. 1 показана схема коррозии железа, покрытого цинковой (а) и медной (б) пленками.

Рис. 1. Схема коррозии железа, покрытого цинковой (а) и медной (б) пленками

В случае нарушения целостности цинкового слоя и заполнения трещины влагой образуется гальванический микроэлемент цинк-железо. Во внешней цепи микроэлемента потечет ток от железного к цинковому слою, так как электродный потенциал железа (-0,44 В) больше, чем у цинка (-0,76 В). Во внутренней цепи от цинковой пленки к железному основанию катионы Zn²⁺ будут перемещаться к аноду, а Н⁺ в направлении поверхности железа; пойдет реакция вытеснения водорода по схеме

Zn²⁺ + H₂O = ZnO + 2H.

Водород, выделившийся на поверхности железа в виде пузырьков газа, защищает его от химической коррозии до тех пор, пока не растворится весь цинковый слой. В этом случае цинковая пленка защищает основание от коррозии не только механически, но и электрохимически.

В случае пленки из меди, ток в микроэлементе потечет во внешней цепи от медного слоя (+0,34 В) к железу (-0,44 В). В этом случае катионы Fe³⁺ будут уходить в раствор, а Н⁺ к поверхности медной пленки. Реакция вытеснения водорода пойдет по схеме

2Fe + 3H₂O = Fe₂O₃ + 6H.

Следовательно, медная пленка не только не защищает основание от электрохимической коррозии, но и поддерживает этот процесс. В случае катодного покрытия пленка металла защищает основание механически, но не электрически.

В табл. 1 приведены значения электродных потенциалов чистых металлов.

Таблица 1

При любом виде гальванических покрытий стремятся уменьшить разность потенциала основного металла и покрытия с целью увеличения адгезии и снижения электрохимической коррозии.

Основные требования, предъявляемые к гальваническим покрытиям: высокая адгезия пленки, мелкозернистая структура, минимальная пористость, равномерная толщина покрытия.

Технология нанесения гальванических покрытий состоит из следующих основных этапов: подготовка поверхности; нанесение покрытия; промывка и сушка; контроль толщины покрытия.

Подготовка поверхности заключается в механической обработке, обезжиривании и травлении.

Механическую обработку производят с целью повышения чистоты поверхности, удаления неровностей (заусенцев, острых кромок, сварочных брызг), продуктов коррозии. Для этих целей в гальванических цехах применяют гидропескоструйную обработку, шлифование и полирование, галтовку (обработку во вращающихся барабанах с загруженными опилками, песком и т.д.), крацевание (обработку стальными, медными или латунными щетками).

Для удаления жировых загрязнений животного и растительного происхождения применяют химическое обезжиривание в водных растворах: едкого калия (КОН) или едкого натра (NaOH), кальцинированной соды (NaCO₃), жидкого стекла (NaSiO₃). Удаление загрязнений минерального происхождения (минеральных смазок, масел) производят предварительной промывкой деталей в органических растворителях (бензин, керосин), с последующей обработкой более энергичными растворителями – ацетоном (С₃H₆O), трихлорэтиленом (С₂HСl₄), четыреххлористым углеродом (ССl₄).

Хороший эффект удаления жировых загрязнений, особенно с поверхностей мелких деталей, получают при ультразвуковой очистке, которую осуществляют в специальных ваннах с водными растворами щелочей или с органическими растворителями. Кроме того, ультразвуковая очистка применяется для удаления полировочных паст после полирования.

Травление применяется для удаления с поверхности пленок и окислов обезжиренных и промытых деталей. Травление производится обычно в растворах серной, соляной и азотной кислоты. Заключительной операцией подготовки поверхности является декапирование (легкое травление), которое осуществляется погружением деталей в 5–10 процентный водный раствор серной или соляной кислоты, или их смеси.

Для гальванических покрытий мелких деталей применяют вращающиеся ванны (колокола) с наклонной осью вращения. Колокол, изготовленный из стали, внутри покрыт резиной или термопластичной пластмассой, на которые укладывают медные контактные пластины – катоды. Анодная пластина крепится на неподвижно крепящейся штанге. Детали насыпают на дно ванны, наполненной соответствующим электролитом. Во время покрытия колокол вращается, что обеспечивает равномерное осаждение металла по поверхностям всех деталей. Крупные детали покрываются в стационарных ваннах, которые оборудуются специальными транспортерами, обеспечивающими перемещение деталей параллельно анодам.

После нанесения покрытий деталей осуществляется их промывка сначала в горячей проточной воде, а затем в проточной холодной воде с последующей сушкой в струе сжатого воздуха.

Процесс гальванических покрытий производят на автоматизированных линиях, выполняющих основные операции: перемещение деталей из одних ванн в другие, подача растворов, регулирование режимов температуры, плотности тока.

Контроль качества покрытий заключается в определении прочности сцепления пленок с поверхностью материала детали и толщины пленки.

Различают качественные и количественные методы определения прочности сцепления.

К качественным относятся методы: полирования, нагрева до определенной температуры, многократного изгиба под углом 90^о. При этом не должно наблюдаться вздутий или отслаивания пленки.

Количественный метод контроля основан на определении силы, необходимой для отрыва пленки от металла детали.

Контроль толщины покрытия осуществляют химическими и физическими неразрушающими методами.

К химическим методам относится, например, метод капли, сущность которого заключается в следующем. На гальваническую пленку при помощи капельницы наносят каплю растворителя, состав которого зависит от типа покрытия, и выдерживают одну минуту. После поверхность насухо протирают и затем наносят вторую каплю и так до тех пор, пока не обнаружится поверхность металла детали. Толщину слоя в мкм (δ) определяют из соотношения δ = (N – 1) K (N – число капель, K – толщина слоя, растворяемого за 1 мин). Однако этот метод в настоящее время мало применяется из-за его трудоемкости.

Более совершенными и высокопроизводительными являются физические (неразрушающие) методы: магнитный и электромагнитный, позволяющие определять толщину немагнитных пленок, нанесенных на магнитные металлы; метод вихревых токов, который позволяет измерять толщину немагнитных и слабомагнитных пленок, нанесенных на немагнитные металлы.

В производстве радиоэлектронных средств применяются следующие гальванические покрытия.

Цинковое покрытие применяется для защиты от коррозии стали и чугуна; по стали оно является анодным. Цинковое покрытие имеет среднюю твердость, выдерживает изгибы, развальцовку, хорошо паяется мягкими припоями, сваривается. Во влажной среде на поверхности образуется окисная пленка. При температуре + 80^оС цинк быстро корродирует, морская вода разрушает его. Для цинкования применяются кислые (на основе солей ZnSO₄, Na₂SO₄) и щелочно-цианистые (ZnO, NaCN, NaOH) электролиты. Вторые позволяют получить более качественные покрытия и их применяют при покрытии сложных деталей, однако они сильно ядовиты. Процесс цинкования ведут при плотностях тока 100–200 А/м².

В настоящее время в РЭС для защиты от коррозии белые цинковые покрытия не применяются вследствие их малой стойкости. Для этого на последней операции цинкования детали подвергаются хроматированию в солях двухромового натрия. Для хроматирования детали с цинковым покрытием промывают в проточной воде, а затем переносят в хроматную ванну, где выдерживают в течение нескольких секунд. В результате этого получается цинковое радужное покрытие, более стойкое против действия агрессивных сред.

Цинковое покрытие применяется для защиты деталей, работающих в легких и средних условиях эксплуатации. Толщина покрытия составляет 6 – 30 мкм. На чертежах цинковое покрытие обозначается Ц.9.хр (цифра 9 обозначает толщину покрытия в мкм, хр – хроматирование).

Медное покрытие применяется как подслой при нанесении никеля, хрома, серебра и других металлов (медные покрытия не обладают надежными антикоррозионными свойствами), а также в технологических целях для защиты отдельных поверхностей стальных деталей от цементации, при изготовлении проводников печатных плат. Толщина пленок составляет 3 – 25 мкм. Для меднения применяются кислые (CuSO_4, H₂SO₄) или цианистые (CuCN, NaCN, NaCO₃) электролиты. Медные покрытия обозначаются – М.6 (цифра 6 обозначает толщину слоя в мкм).

Кадмиевое покрытие применяется для защиты от коррозии стали, чугуна, меди и медных сплавов, алюминия и его сплавов – в этом случае применяют многослойное покрытие. Кадмий обладает более высокой коррозийной стойкостью, чем цинк. Более стоек к действию минеральных кислот, совершенно не растворим в щелочах. Кадмиевое покрытие не разрушается при гибке, вытяжке, развальцовке, хорошо паяется. Под действием влажной атмосферы кадмиевое покрытие покрывается тонкой пленкой окиси. Если в атмосфере присутствуют сернистые соединения, то кадмиевая пленка быстро разрушается. Поэтому для увеличения стойкости против действия внешней среды кадмиевые покрытия подвергаются хроматированию. После хроматирования кадмиевые покрытия приобретают радужный оттенок.