Методы нанесения покрытий
|
Старейшим, достаточно распространенным и в настоящее время методом нанесения металлических покрытий является так называемый горячий, т. е. метод погружения покрываемых изделий в расплавленный металл. Поверхность изделий предварительно освобождают от жиров и окислов, затем удаляют влагу в слое флюса и погружают изделия на короткое время в расплавленный металл. Этот метод может быть эффективно использован только в том случае, когда покрываемый металл образует с металлопокрытием в результате реактивной диффузии промежуточный сплав типа интерметаллида и когда температура плавления металлопокрытия значительно ниже температуры плавления покрываемого металла. При рассмотрении поперечного шлифа образца с покрытием, полученным погружением в расплавленный металл, например цинк, между основным металлом и покрытием обнаруживают ряд промежуточных сплавов. Аналогичную картину можно обнаружить на шлифе горячолуженого или алюминированного железа. Именно из-за того, что железо или медь не образуют со свинцом сплавы с общей кристаллической решеткой, их нельзя свинцевать методом погружения в расплавленный свинец, который не смачивает железо и с него стекает. Толщина промежуточного сплава в значительной степени зависит от температуры расплавленного металла, от времени выдержки в нем покрываемых изделий и других факторов. При большой толщине промежуточного сплава сильно снижается пластичность покрытых изделий, поэтому во многих случаях прибегают к специальным методам, замедляющим скорость реактивной диффузии. К преимуществам горячих методов нанесения покрытий относят их большую производительность и сравнительную простоту. Эти методы имеют неоспоримые преимущества при необходимости нанесения толстых покрытий. Горячие методы для нанесения покрытий на резьбовые детали, а также на другие изделия сложного профиля с большими углублениями возможны с последующим центрофугированием. К недостаткам горячих методов следует отнести также трудность регулирования толщины покрытия и нанесения тонких покрытий. По своему строению к покрытиям, полученным горячим методом, близко стоят покрытия, полученные диффузионным методом. Покрываемые изделия приводят в контакт с тонкоизмельченным металлом, его окислами, сплавами или солями в восстановительной или нейтральной атмосфере при температуре несколько ниже температуры плавления и выше температуры рекристаллизации. В результате взаимной диффузии образуются покрытия, толщина которых определяется температурой и продолжительностью обработки, а химический состав и структура — соответствующей диаграммой состояния реагирующих металлов. Как и при погружении в расплавленный металл, покрытия, полученные диффузионным методом, имеют переменный состав: поверхность покрытия состоит из чистого металла и по мере удаления от поверхности имеет переменный химический состав с постепенным убыванием процентного содержания того металла, которым покрывают. В том случае, когда основной металл и покрытие образуют непрерывный ряд твердых растворов, например медь—никель, железо—хром и др., наблюдается постепенное изменение химического состава, а если эти металлы образуют между собой химическое соединение, то состав поверхностного сплава изменяется скачкообразно. Такое явление наблюдается при диффузионном методе покрытия железа цинком и алюминием, меди алюминием и др. Диффузионный метод имеет сравнительно небольшое распространение, но для некоторых видов металлопокрытий он успешно конкурирует с другими. Так, покрытие стальных изделий алюминием для защиты от коррозии при высоких температурах осуществляется преимущественно диффузионным методом (этот процесс известен под названием «калоризация»). В некоторых случаях диффузионным методом получают хромовые, кремниевые и другие покрытия. Покрытие методом распыления (металлизация). Сущность метода заключается в направлении при помощи сжатого воздуха или инертного газа струи расплавленного (под воздействием ацетилено-кислородного пламени или электрической дуги) металла или сплава на предварительно подготовленную поверхность металлических или неметаллических изделий. От рассмотренных выше этот метод отличается применяемой аппаратурой и строением образующихся покрытий; никаких промежуточных сплавов между основным металлом и покрытием при металлизации не образуется. Покрытие осуществляется при помощи портативного аппарата-пистолета (металлизатора) весом приблизительно 1,5 кг. Через центральную часть аппарата с регулируемой скоростью подают проволоку из распыляемого металла. Через концентрическую трубку, окружающую центральную, пропускают газовые смеси — водород или ацетилен с кислородом или воздухом, которые сгорают у отверстия насадки и расплавляют проволоку. Сквозь наружную концентрическую трубку пропускают сжатый воздух или инертный раз для распыления расплавленного металла. В России широко используют электрометаллизаторы, конструкция которых разработана советскими исследователями Е.М. Линником и Н.В. Катцом. При этом методе отпадает необходимость в расплавлении металлической проволоки — для этой цели можно использовать металлические отходы. Прочность сцепления распыленного покрытия определяется подготовкой поверхности. Лучшие результаты достигаются при подготовке поверхности пескоструйной обработкой. В более ответственных случаях при нанесении толстых покрытий на поверхности покрываемых изделий рекомендуется тем или иным способом сделать насечку, так как сцепление между покрытием и основным металлом происходит за счет механического прилипания. Рекомендуется также нагрев покрываемых изделий примерно до 200° С. Достоинство метода металлизации — возможность его использования для собранных конструкций больших размеров, например мостов, гидротехнических сооружений и т. п. К недостаткам относят большую пористость покрытий и повышенный расход цветного металла. Электролитический или гальванический метод нанесения металлических покрытий был принципиально разработан в середине XIX столетия, но не сразу получил сколько-нибудь значительное промышленное применение — этому препятствовало отсутствие мощных источников постоянного тока. Сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий или полуфабрикатов (листов, ленты, проволоки) в водный раствор электролита, главным компонентом которого являются соли или другие растворимые соединения — металлопокрытия. Покрываемые изделия контактируются с отрицательным полюсом источника постоянного тока, т. е. являются катодами. Анодами обычно служат пластины или прутки из того металла, которыми покрывают изделия. Они контактируются с положительным полюсом источника постоянного тока и при прохождении электрического тока растворяются, компенсируя этим убыль ионов, разряжающихся на покрываемых изделиях. Такая классическая схема, подчиняемая закону Фарадея, практически далеко не всегда соблюдается вследствие побочных процессов, протекающих на электродах. В некоторых случаях по техническим или экономическим соображениям процесс осуществляют с нерастворимыми анодами из металла, сплава или другого токопроводящего материала, устойчивого в данном электролите. В этих случаях приходится непрерывно или периодически вводить в электролит соли или другие соединения, содержащие металл, которым покрывают изделия. Большое развитие электролитический метод нанесения металлопокрытий получил в годы второй мировой войны и в послевоенные годы. Это неразрывно связано с настоятельной необходимостью экономного расходования стратегических цветных металлов, например олова, в процессе лужения жести, необходимостью увеличения срока службы трущихся деталей, например, путем износостойкого хромирования цилиндров двигателей или поршневых колец в авиации и других видах транспорта, необходимостью освоения новых видов металлопокрытий в радиоэлектронике, а также электронной и оборонной технике. По сравнению с другими методами нанесения металлических покрытий электролитический метод имеет ряд преимуществ, хотя и не лишен определенных недостатков. В отличие от горячих методов (погружения в расплавленный металл и диффузионного метода) электролитические покрытия не образуют с основным металлом промежуточного сплава, по крайней мере, без дополнительного нагрева покрытых изделий. При нанесении покрытий из металлов с высокой температурой плавления — меди, никеля, хрома, а также серебра, золота, платины, родия — электролитический метод практически единственный. Покрытия, полученные электролитическим методом, имеют более тонкую структуру и часто весьма ценные физические свойства — повышенную твердость, отражательную способность и др. Так, микротвердость электроосажденного при определенных условиях хрома достигает 1000 кГ/мм2, в то время как в отожженном состоянии только 70 кГ/мм2. Большая разница в твердости электроосажденных металлов и в отожженном состоянии наблюдается также для железа, никеля и металлов платиновой группы. К ценным свойствам электролитического метода следует отнести возможность регулирования толщины покрытия, в особенности в тонких слоях, вплоть до долей микрона. К недостаткам электролитического метода следует отнести некоторое снижение механических свойств покрытых изделий, особенно тонкостенных, вследствие возникающих в них внутренних напряжений. Ограниченность электролитического метода осаждения металлов из водных растворов вытекает прежде всего из относительных значений потенциалов разряда ионов металла и водорода с учетом перенапряжения водорода на данном металле. Так, если в электролите отсутствуют примеси, снижающие перенапряжение водорода, электролитическое цинкование протекает с выходом по току, приближающимся к теоретическому. В последнее время разработан промышленный процесс электроосаждения марганца, но из водных растворов нельзя электролитически осаждать алюминий и более электроотрицательные металлы. До сих пор не разработан электролитический метод осаждения молибдена и вольфрама — их можно соосаждать только с другими металлами, например железом, никелем, кобальтом. В слоях, имеющих какое-либо промышленное значение, не удается осаждать электролизом водных растворов титан и другие редкие металлы—тантал, цирконий, ниобий. Наряду с электрохимическим методом катодного осаждения металлов широкое применение находят и анодные методы электрохимической обработки поверхности металлов. К ним следует отнести широко применяемое электрохимическое оксидирование (анодирование) алюминия, а также электрохимический (анодный) метод получения тончайшей (2—5 мкм) проволоки из молибдена и вольфрама, электрохимическое (анодное) травление и полирование металлов. В последнее время все большее промышленное применение находит химический метод покрытия металлами без электрического тока. Имеющиеся в электролите ионы, например никеля, восстанавливаются до металла восстановителем (гипофосфитом). Нанесение металлических покрытий (меди, серебра и др.) на неметаллические изделия издавна осуществляют химическим методом, т. е. с помощью восстановителя. |
