Гальванические покрытия. Справочник по применению
Гамбург Ю.Д.
Техносфера, 2006 г.
3.2.1. Свойства и области применения медных покрытий
Медь является относительно недорогим металлом, при этом медные покрытия наносятся на многие основы, не создавая трудных технологических проблем. Поэтому медь является одним из основных компонентов двух-, трех- и полислойных покрытий. Кроме того, медь наравне с серебром применяется как электропроводящий слой.
Достоинства
1. медь очень хорошо полируется, легко деформируется, пластична, пригодна для различных видов механической обработки, переносит глубокую вытяжку и развальцовку.
2. Непосредственно после осаждения легко паяется.
3. Медные покрытия имеют высокое сцепление почти со всеми металлами.
4. Имеет самую высокую, наряду с серебром, удельную электропроводность и теплопроводность, пригодна для изготовления печатных плат и волноводов.
5. Как локальное покрытие предохраняет сталь от науглероживания при цементации.
6. Незаменима в качестве компонента многослойных покрытий, особенно медь—никель—хром.
7. Имеет низкие внутренние напряжения, допускает получение очень толстых ненапряженных покрытий, например для гальванопластики.
Недостатки
1. Покрытия химически малостойки, в том числе в обычной атмосфере, не обеспечивают электрохимической защиты; в качестве самостоятельного защитно-декоративного покрытия медь может применяться только с последующим нанесением лака.
2. Мало подходит для герметичных соединений, например для покрытия сварных швов.
3. Легко диффундирует в другие металлы, требует нанесения барьерных слоев, особенно при эксплуатации в условиях высоких температур.
4. Покрытия, хотя и пригодны под пайку, с припоями могут образовывать интерметаллиды, ухудшающие паяемость.
5. медь нестойка в контакте со многими органическими веществами.
В соответствии с этими свойствами медные покрытия наиболее широко используют как подслой для нанесения других металлов и как материал для гальванопластики. Кроме того, медь (около 10 мкм) наносят на стальные изделия перед их механической вытяжкой для увеличения пластичности. В полиграфической промышленности покрывают медью валы для глубокой печати, в электротехнике медь наносят на углеграфитовые электроконтактные щетки. При производстве печатных плат медь применяется как основной токонесущий слой.
3.3.1. Свойства и области применения покрытий серебром
Серебро используется и как функциональное покрытие, и как ювелирное. Оно обладает красивым белым цветом, имеет самый высокий коэффициент отражения света и самую высокую электропроводность, работает в качестве контакта в условияхтрения при давлении на контакт 0,25-2,5 Н и токах до 20 А. Будучи значительно дороже меди, в ряде случаев может быть ею заменено.
Достоинства
1. Самая высокая электропроводность и теплопроводность, самое низкое переходное сопротивление.
2. Пригодно для изготовления волноводов, печатных плат, электрических приборов в технике как слабых, так и сильных токов, паяется.
3. Химически стойко в средах, не содержащих серы и некоторых органических соединений, в том числе в органических кислотах, разбавленных неорганических кислотах, щелочных растворах, пероксидных расплавах.
4. Имеет самую высокую отражательную способность в области видимого света, пригодно для зеркал и отражателей.
5. Имеет низкие внутренние напряжения, допускает получение толстых слоев, в том числе для гальванопластики.
6. Пластично, выдерживает механическую обработку.
7. Пригодно в качестве антифрикционного материала для условий вакуума.
Недостатки
1. Нестойко и образует на поверхности темные пленки в атмосфере сероводорода и его производных, особенно в присутствии влаги. Тускнеет в атмосфере озона, нестойко в атмосфереаммиака и концентрированных кислот.
2. Имеет невысокую износостойкость (повышается у сплавов с никелем, кобальтом, сурьмой), недостаточно хорошо работает в условиях трения, склонно к эрозии.
3. Имеет очень высокую диффузионную подвижность, склонно к «переползанию» по поверхности.
4. В контактах чистое серебро имеет склонность к залипанию и свариванию, особенно при повышенных токах и повышенных механических контактных нагрузках.
Применение
В соответствии с перечисленными свойствамисеребро используют как электропроводящие и отражающие слои, для гальванопластического производства элементов волноводов, как химически стойкое в ряде сред, как электроконтактный материал. В связи с низкой твердостью серебра очень часто осаждают его сплавы, например с сурьмой. Для борьбы с потемнением (потускнением) поверхности серебра разработаны несколько методов, из которых наилучший заключается в нанесении гидрофобизирующих пленок (например, жирных кислот); в отсутствие влаги процесс потемнения резко замедляется. Существенно медленнее темнеют и сплавы серебра с палладием или никелем. Обычная толщина серебряных покрытий от 3 до 30 мкм.
3.4.1. Свойства и области применения золотых покрытий
Золотые гальванопокрытия относятся к довольно распространенным, что связано как непосредственно с тем, что это драгоценный металл, так и с его важными техническими характеристиками.
Достоинства
1. Очень высокая электропроводность (выше только у серебра и меди), низкое контактное (переходное) сопротивление.
2. Очень высокая пластичность, отсутствие напряжений, возможность деформации без нарушения сплошности.
3. Очень высокая коррозионная стойкость в различных средах, возможность длительной эксплуатации. Низкая пористость в довольно тонких слоях, что обеспечивает коррозионно-защитную способность по отношению к нижележащим слоям.
4. Привлекательный внешний вид.
Недостатки
1. С точки зрения использования в защитных и функциональных целях недостатком является высокая стоимость самого металла.
2. Золото мало пригодно для пайки, так как с обычными припоями (олово—свинец) оно образует хрупкие и растрескивающиеся интерметаллиды, притом растворимые в ПОС-61.
3. Чистое Золото (обычно 99,9%) обладает склонностью к залипа-нию (при работе трущихся пар). В этом смысле имеют преимущество сплавы на основе золота.
4. Невысокая твердость и износостойкость. Здесь также преимущество имеют сплавы, которые, кроме того, обладают меньшей пористостью. Сплавы, однако, имеют более высокое переходное сопротивление.
5. Низкая стойкость в азотной кислоте, расплавах соды, щелочей и селитры.
В соответствии с этим золотые покрытия (включая сплавы) применяются:
а) для электрических контактов, работающих при слабых токах и напряжениях, обеспечивая низкое и стабильное во времени переходноеэлектросопротивление при невысоких контактнь давлениях;
б) для создания высокой проводимости вдоль поверхности;
в) как антифрикционное износостойкое покрытие, в том числе в условиях вакуума;
г) для термокомпрессионной сварки;
д) для обеспечения высокой коррозионной стойкостиповерхности в различных средах, в том числе в присутствии органических соединений;
е) для декоративных целей и для ювелирных изделий. Толщина покрытий в зависимости от поставленной цели составляет 0,15—15 мкм.
3.5J. Свойства и области применения цинковых покрытий
Цинковые покрытия, будучи довольно дешевыми, занимают одно из ведущих мест в практике нанесения гальванопокрытий. Наибольший процент (около 3/4) из всех цинковых покрытий приходится на стальные листы, полосы, трубы и проволоку и лишь около 1/4 на различные изделия и детали.
Цинк является относительно легкоплавким диамагнитным металлом. Из механических свойств можно отметить сравнительно высокую хрупкостьцинка технической чистоты и низкую ударную вязкость. Цинк образует практически ценные сплавы с медью, никелем, магнием и алюминием, в то время как сплавы с оловом и свинцом технического значения не имеют.
В химическом отношении Цинк довольно активен, растворяется в кислотах и щелочах, в соединениях двухвалентен.
Достоинства
1. стойкость в сухой атмосфере, содержащей СО, С02, Cl2, NH3, в среде сухого сероводорода и других сернистых соединений (в том числе содержащихся в нефти и жидком топливе), во многих органических жидкостях (спиртах, эфирах, бензоле, хлор-производных и т.д.). В этих условиях на поверхностиметалла возникают тонкие пленки из оксида, сульфида и других малорастворимых соединений, которые замедляют процесс коррозии. Скоростькоррозиицинка при этом составляет всего от 1 (и ниже) до 6 мкм в год, причем основное влияние на эту скорость оказывает влажность атмосферы. Пригодность для работы при температурах до 300 °С.
2. Обеспечение электрохимической защиты стали, так как по отношению к железу и его сплавам в обычных условиях цинковые покрытия являются анодными (см. гл. 1).
3. Пригодность для осаждения на резьбовые соединения и для развальцовки (благодаря достаточно хорошей пластичности чистого цинка).
4. Высокий выход по току электролитовцинкования (более 95%, за исключением цианидных, которые, однако, имеют наиболее высокую PC).
5. Низкие внутренние напряжения в покрытиях.
6. Невысокая стоимость.
7. Достаточное сцепление с основой из алюминия и его сплавов. Недостатки
1. Нестоек при высокой влажности атмосферы (покрывается налетом из смеси оксида, гидроксида и карбоната) и особенно при прямом контакте с водой, причем Скоростькоррозиирезко возрастает при температуре 55-75 °С.
2. Имеет невысокие декоративные свойства.
3. Процессыцинкования требуют специальных добавок.
4. сталь при ее цинковании подвергается наводороживанию.
5. Требует дополнительной обработки после нанесения покрытия (снятие наводороживания, хроматнаяобработка и др.).
6. Плохо выдерживает запрессовку.
7. Непригоден для покрытий, контактирующих с пищевыми продуктами.
В связи с указанными достоинствами и недостатками Цинк используется главным образом для нанесения коррозионно-защитных покрытий анодного типа, причем в зависимости от условий эксплуатации их толщина составляет от 6-8 мкм (в легких условиях) до 30—40 мкм (в тяжелых). Кроме того, часто производится цинкование резьбовых соединений, так как Цинк довольно надежно обеспечивает свинчивае-мость. В последнем случае толщина покрытий обычно не превышает 10 мкм (как правило, около 0,01 от шага резьбы).
Некоторые типы электролитов позволяют получать защитно-декоративные покрытия.
Сплавы цинка с никелем или кобальтом обладают значительно более высокой твердостью, антикоррозионными и декоративными качествами. Из других сплавов на основе цинка можно отметить сплавы с индием, которые наряду с коррозионной стойкостью в смазочных маслах имеют хорошие антифрикционные характеристики.
3.6.1. Свойствапокрытийоловом и области их применения
Олово является анодом по отношению к меди и ее сплавам, а по отношению к стали — катодом (в присутствии органических кислот оно оказывается анодом и по отношению к стали). Наряду с этим олово защищает медные проводники от воздействия серы, присутствующей в резиновой изоляции. В силу нетоксичности олова и его соединений оловянные покрытия широко используют для консервной тары, посуды (особенно молочной) и столовых приборов.
При нанесении на латунную основу необходим никелевый или медный подслой для предотвращения диффузиицинка в олово.
Достоинства
1. Нетоксично, пригодно для пищевой промышленности.
2. Легко паяется, особенно после оплавления, а также в виде сплавов.
3. Обеспечивает коррозионную защиту меди и ее сплавов в различных средах.
4. Хорошо сцепляется с медью и сталью.
5. Легко выдерживает механическую обработку, пластично.
6. Имеет невысокое переходное электросопротивление, пригодно для электрических контактов.
7. Пригодно для зашиты стальной основы от азотирования.
8. После оплавления практически беспористо.
Недостатки
1. Низкая твердость (около 150 МПа).
2. Обладает низкой стойкостью в морской атмосфере (точечная коррозия), при повышенной температуре (окисление). Во влажной атмосфере склонно к межкристаллитной коррозии.
3. Непригодно для работы при низкой температуре (происходит переход белого олова в серое, покрытие рассыпается).
4. При использован ии в качестве контактного материала требует сравнительно высоких механических нагрузок и выдерживает малое количество переключений.
5. Чистое олово склонно к образованию нитевидных кристаллов на поверхности (в случае сплавовпроцесс роста нитей резко замедляется).
3.6.2. Особенности
Олово можно осаждать как из кислых, так и из щелочных растворов. Кислые обладают очень низкой PC(около 5%), могут работать только в присутствии органических добавок и притом пригодны только для изделий достаточно простой формы. Чаще всего их используют при изготовлении луженой жести. Щелочные (станнатные) растворы имеют значительно более высокую PC(до 30%) и отличаются, наряду с высоким рН, валентным состоянием олова. Если в кислых растворахолово содержится в виде двухзарядных ионов Sn2+, то в щелочных — в виде анионов станната SnO^~, где олово является четырехвалентным. Поэтому теоретический расход электричества (при том же количестве выделенного металла) оказывается в щелочных растворах вдвое выше, а практический — почти втрое, так как в щелочных растворахвыход по току составляет всего около 70%. Кроме того, станнатные растворы могут работать в отсутствие органических добавок.
Оловянные покрытия толщиной 3-6 мкм после осаждения часто оплавляют, для чего их после высушивания помещают на 10—15 секунд в нагретое до 250 °С касторовое масло или глицерин. Используют также оплавление в печах (при температуре около 500 °С) после предварительного нанесения флюса (36 г/л хлоридацинка +12 г/л хлорида аммония). После оплавления паяемость покрытий сохраняется дольше.
В качестве функциональных покрытий применяют в основном не чистое олово, а сплавы на его основе.
3.7.1. Свойства и области применения покрытийникелем и его сплавами
Никелирование представляет собой один из наиболее важных и широко применяемых процессовэлектроосаждения металлов. Большая часть из всего производимого никеля используется именно в виде покрытий.
Никель — относительно недорогой металл, обладающий при этом множеством полезных свойств, основные из которых перечислены ниже.
Благодаря склонности к пассивированиюникель оказывается химически стойким во многих средах, в частности в воде, щелочах, в органических и минеральных кислотах. По отношению к железу никелевые покрытия являются катодными.
Достоинства
1. Достаточно высокая износостойкость, которая может быть еще дополнительно повышена с помощью введения мелкодисперсных наполнителей в сам никель (композиционные покрытия, КЭП), легированияпокрытий и нанесения поверх никеля тонкого слоя еще более твердого металла или сплава. Наполнители могут быть как твердыми, так и смазывающими.
2. Довольно высокая твердость, которая может быть еще повышена легированием или осаждением КЭП.
3. Сравнительно высокая пластичность, особенно при осаждении из сульфаматных растворов, в связи с чем никель хорошо полируется и может выдерживать запрессовку. В полированном виде обладает высокой отражательной способностью. Может быть получен с блестящей поверхностью непосредственно при осаждении (без механической полировки).
4. Высокие декоративные характеристикиповерхности как блестящей, так и матовой, «полуматовой», сатинированной и т.д. Возможность нанесения в качестве декоративного финишного покрытия.
5. Очень высокие антидиффузионные (барьерные) свойства, в связи с чем никель широко используется как барьерный слой, пр пятствующий диффузииметаллов (главным образом из основы в финишное, например золотое, покрытие).
6. Довольно высокая электропроводность, а также низкое контактное сопротивление. Поэтому используется для придания поверхностной электрической проводимости. С успехом может использоваться для электрических контактов в случае невысоких токовых нагрузок, в том числе при нагреве до 200 °С.
7. Сравнительно высокая собственная коррозионная стойкость в обычных средах, при повышенной влажности, в растворах щелочей и органических кислот. Коррозионно-защитная способность (в отношении нижележащих металлических слоев, например меди и ее сплавов), особенно при низкой пористости.
8. Легко поддается лужению обычными припоями; в припое почти не растворяется, обеспечивает высокую прочность пайки, причем шов может быть вакуумно-плотным. Выдерживает точечную сварку.
9. Черные никелевые покрытия обладают светопоглощающими свойствами и хорошо отдают тепло.
10. Существуют электролиты, покрытия из которых при достаточной толщине сглаживают (выравнивают) поверхность в результате постепенного заращивания царапин и тому подобных микродефектов.
11. Легко получается в виде очень толстых малонапряженных слоев, в связи с чем применяется в гальванопластике.
Недостатки
1. После нанесения покрытия на сталь могут ухудшиться механические Свойства основы (особенно в случае блестящих покрытий), в частности из-за проникновения водорода.
2. Покрытия плохо выдерживают клепку и развальцовку.
3. никель нестоек в атмосфере аммиака, серосодержащих соединений, хлора (особенно влажного). покрытие защищает сталь от коррозии только механически: в порах покрытиясталь корродирует.
4. Обладает магнитной восприимчивостью, поэтому не может применяться в случае требования немагнитное™.
5. Не всегда удается обеспечить хорошее сцепление никелевого слоя с основой (покрытие легко отслаивается), а также с последующим покрытием (покрытие пассивируется).
6. Процессы никелирования весьма чувствительны к наличию загрязнений в растворах.
Указанные достоинства и недостатки осадковникеля определяют чрезвычайно обширную сферу их использования в качестве:
а) функциональных, защитных и декоративных покрытий как в машиностроении, так и в электронике, приборостроении и в бытовой технике;