Нанесение металлических покрытий химическим способом

 

 

 

Кафедра xxx

 

 

 

 

Аттестационная  работа по теме:

 

 

«НАНЕСЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ»

 

на соискание  степени бакалавра по направлению xxx

«xxx»

Зав. кафедрой xxx ххх	ххх
Руководители: ххх ххх	ххх ххх
Соискатель	ххх

 

 

 

 

 

Москва 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами [1]:

• горячее покрытие – кратковременное погружение в ванну с расплавленным металлом;
• изготовление биметаллических листов (железо и медь, алюминий и дюралюминий, углеродистая сталь и нержавеющая сталь и т.п.);
• гальваническое покрытие – электроосаждение из водных растворов электролитов;
• металлизация – напыление [2, 3];
• диффузионное покрытие – обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане;
• с помощью газофазной реакции, например:

(в расплаве с железом).

Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий. Например, разновидностью диффузионного  способа является погружение изделий в расплав хлорида кальция, в котором растворены наносимые металлы. Для изучения экстерьерного характера применяется сусальное золочение и серебрение, наклеивание на поверхность изделия тончайших листочков золота или серебра.

Своеобразным способом нанесения металлических покрытий являются металлизация – распыление расплавленной металлической проволоки струей сжатого воздуха.

В настоящее время  широкое распространение получили новые технологии нанесения металлических покрытий за счет сверхзвукового удара частиц о поверхность [4, 5, 6]. Ускорение частиц до сверхзвуковых скоростей осуществляется сжатым воздухом. При этом обеспечивается нанесение металлических покрытий из порошковых материалов (алюминиевые, медные, цинковые, никелевые, оловянные, свинцовые, баббитовые) газодинамическим методом.

Преимущества данной технологии: – используется только сжатый воздух и электроэнергия; – нет нагрева и окисления металла частиц и подложки, деформаций, изменений структуры и фазового состава металлов; – нет вредных и агрессивных газов, веществ, излучений и других опасных факторов; – технологическая простота нанесения покрытий, – обуславливают широкое применение данного метода [6].

В крупномасштабном производстве для защиты металлов от коррозии, декоративной отделки изделий, придания поверхности изделий специальных свойств наиболее распространены покрытия, получаемые химическим или электрохимическим методами [1]. Гальванические металлопокрытия пластмасс и других диэлектриков получили широкое распространение для защитно-декоративной отделки разнообразных изделий и для технических целей при изготовлении различных машин и приборов (особенно радиотехнических и электронных). Область и масштабы применения этих покрытий с дальнейшим развитием техники постоянно увеличиваются, поскольку нанесение металлопокрытий позволяет получать материалы с очень ценным сочетанием физико-механических, химических и эксплуатационных свойств металла и диэлектрика в одной и той же детали [7].

Разнообразие  современных химических методов нанесения металлических покрытий требует целенаправленного изучения и систематизации информации, накопленной в настоящее время, для оптимизации и дальнейшего эффективного использования, поэтому целью данной работы стал обзор химических методов нанесения металлических покрытий.

 

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

 

Процесс химического  металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором  является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла и происходит именно на ней, а не в объеме раствора. В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно наносить защитное покрытие не на любой металл.

Металлические покрытия делят на две группы:

• коррозионностойкие;
• протекторные.

Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны  по отношению к железу, то есть в  электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. Они более электроотрицательны по отношению к железу.

В повседневной жизни  человек чаще всего встречается  с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а второе – на изготовление консервных банок. Впервые способ хранения пищевых продуктов в жестяных банках предложил повар Н.Ф. Аппер в 1810 году. И то, и другое железо получают, главным образом, протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла.

Металлические покрытия защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении же покрывающего слоя коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется работой гальванического элемента железо–металл. Трещины и царапины заполняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы в которых облегчают протекание электрохимического процесса (коррозии).

Широко распространенный электрохимический способ имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение. К ним относятся неравномерность распределения покрытия на деталях сложного профиля, трудности при нанесении покрытия на узлы, элементы которых изготовлены из различных металлов и неметаллов Химический способ нанесения покрытий лишен указанных недостатков наиболее распространенным способом нанесения покрытий, а также химическому меднению, являющемуся основным процессом при металлизации пластмасс. В последнее время практическое применение получили химическое кобальтирование и осаждение некоторых драгоценных металлов. Существуют также многочисленные рекомендации составов растворов для нанесения химических покрытий олова, хрома, свинца и некоторых сплавов.

2.1. Подготовка поверхности изделий перед нанесением покрытий

 

Подготовка поверхностей перед нанесением металлопокрытий  состоит в удалении окалины, жиров, оксидов и заусенцев, облоя и других поверхностных дефектов механическими, химическими и электрохимическими методами, а также включает активацию поверхности различными способами. Таким образом, можно выделить следующие этапы подготовки изделия: механическая подготовка, обезжиривание, предтравление, травление, обезвреживание и активирование [7]. От тщательности проведения этих операций зависит качество покрытия, и в первую очередь сцепление его с основой. Рассмотрим каждый из этапов.

2.1.1. Механическая подготовка.

 

Механическая подготовка крупных и средних деталей, осуществляемая для получения микрошероховатости поверхности, часто заключается в мокрой или сухой абразивной обдувке сжатым воздухом давлением 0,1 — 0,6 МПа или обработке абразивными кругами и лентами на шлифовально-полировальных станках. Мелкие детали массового производства галтуют с абразивом во вращающихся барабанах или колоколах. Один из современных способов подготовки поверхности изделий – вибрационная обработка (виброгалтовка или виброполировка) – механический или химико-механический процесс сглаживания микронеровностей и съема мельчайших частиц с обрабатываемой поверхности частицами рабочей среды, осуществляющей в процессе работы колебательное движение [8, 9]. Наиболее эффективна виброхимическая обработка [10]. В последнее время в оптической и некоторых других отраслях промышленности находит широкое применение процесс сатинирования – обработки деталей стеклянной пульпой (взвесь стеклянного порошка в  воде) в специальных автоматических установках, в результате которого получается матовая, бархатистая поверхность [11].

Обработку производят всухую или в жидкой среде, содержащей раствор щелочи, кальцинированной соды или мыла. Вид обработки зависит от типа обрабатываемой поверхности. Так, в случае диэлектриков в качестве абразива используют кварцевый песок, наждачный порошок, электрокорунд, пемзу и другие материалы. В условиях единичного или опытного производства для обработки применяют шлифовальную шкурку, пемзу, абразивную пасту, стальные щетки и т.п. [7]. В случае металлической поверхности выбирают раствор для обработки в зависимости от типа металла по справочным данным [1].

2.1.2. Обезжиривание.

 

Способ очистки деталей  от жировых загрязнений определяется их природой [12]. Жиры растительного или животного происхождения практически не растворяются в воде, но взаимодействует с растворами щелочей или солей щелочных металлов, образуя растворимые в воде мыла. Жиры минерального происхождения, к которым относятся минеральные масла, консистентные смазки, полировочные пасты и др. в воде также не растворяются. Поэтому для их удаления используют водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) или специальные органические растворители. Органические растворители могут быть токсичны, а некоторые из них пожароопасны [13, 14]. После удаления основного количества жировых загрязнений и удаления следов ПАВ или растворителя детали дочищают химическим или электрохимическим способом в щелочных растворах. Под воздействием горячего щелочного раствора, содержащего эмульгаторы и вещества, понижающие межфазное натяжение на границе водный раствор-жир и водный раствор – металл, происходит разрыв жировой пленки, уменьшение ее толщины, образование отдельных капель масла и отрыв их от поверхности металла. При этом одновременно удаляются и мелкие механические загрязнения. Введение в щелочные растворы поверхностно-активных веществ усиливает их эмульгирующее действие и тем самым активно влияет на удаление жировых загрязнений. Современные синтетические ПАВ разделяются на катионоактивные, анионоактивные, неиногенные [15]; к катионоактивным ПАВ относятся соли первичных, вторичных и третичных аминов, четвертичные аммониевые основания и некоторые другие соединения. Они не обладают достаточно хорошими моющими средствами, токсичны и применяются в промышленности ограниченно. К катионоактивным ПАВ относится ОС-20. После обработки деталей в щелочных растворах, содержащих ПАВ, их тщательно и щедро промывают большим количеством воды. Труднее всего смываются растворы кальцинированной соды и едкого натра, затем растворы силикатов и легче всего растворы фосфатов.

При выборе ПАВ необходимо учитывать возможность его обезвреживания в сточных водах. В отличие от биологически жестких ПАВ, выведение которых из стоков затруднено или невозможно (алкил-сульфонаты, ОП-7, ОП-10, сульфонол, НП-1, контакт Петрова) биологически мягкие ПАВ (например, синтанол ДС-10) хорошо поддаются обезвреживанию [12]. После предварительного обезжиривания перед гальваническими операциями детали обычно подвергаются электрохимическому обезжириванию. Эффективность очистки поверхности металла в этом случае определяется электрохимическими процессами при электролизе. Процессы обезжиривания могут быть интенсифицированы применением вибрации, перемешивания, струйной или ультразвуковой обработки [1, 11, 15, 16]. Струйная обработка особенно рекомендуется для очистки крупногабаритных деталей. Эффективность действия ультразвукового поля основана на явлении кавитации [12]. Однако обработка ультразвуком требует значительных мощностей, специального оборудования и дополнительных затрат, что не всегда экономически целесообразно. При этом достигается высокое качество очистки поверхности от химических и механических загрязнений [11].

Используемые при обезжиривании органические растворители можно разделить на две группы – горючие и негорючие. К первой группе относятся нефтяные фракции (нефрасы), бензин, керосин, Уайт-спирит, толуол. Ко второй хлорированные и фторированные углеводороды – трихлорэтилен, тетрахлорэтилен (перхлорэтилен), четыреххлористый углерод, хладоны (в частности фреон-113 – трифтор трихлорэтан). Если применение растворителей первой группы крайне нежелательно по причине их пожароопасности, то растворители второй группы характеризуются еще и значительно лучшим обезжиривающим действием. Обработка органическими растворителями реализована в настоящее время в современном обезжиривающем оборудовании [12].

Распространен метод одновременного обезжиривания и травления, что  достигается одновременным введением  в растворы для травления ПАВ, которые эмульгируют жировые отложения  на поверхности металла [1], что экономически целесообразно, особенно при работе на автоматических линиях [11].

2.1.3. Предтравление.

 

Непосредственно перед травлением в некоторых случаях выполняют операцию предтравления, которая включает обработку поверхности диэлектрика органическими растворителями, их смесями или эмульсиями, растворами кислот, щелочей, солей. К предтравлению относят также термообработку, облучение, обработку ультразвуком и другие виды воздействия. Предтравление способствует улучшению травимости материала, что приводит к увеличению прочности сцепления его с покрытием, равномерности ее распределения по всей поверхности, уменьшению влияния режима переработки материала в детали. Одновременно снижаются продолжительность (иногда в несколько раз) и (или) температура травления, удлиняется период эксплуатации раствора. Для предтравления полимеров используют отдельные растворители и чаще всего двух- или трехкомпонентные их смеси, в которых хотя бы один растворяет полимер или вызывает его набухание, а другие не взаимодействуют с ним и являются растворителями. Для металлов нет необходимости проводить предтравление [1, 7].

 

2.1.4. Травление.

 

Является  очень важным этапом при подготовки материала к нанесению металлического покрытия. Механизм травления зависит от типа подготавливаемой поверхности. Так, в случае диэлектриков при травлении изменяются структура и химические свойства поверхности. При этом ей придают требуемые шероховатость, гидрофильность и способность к реакции при выполнении последующих операций нанесения покрытий. В случае металлической поверхности, в зависимости от природы металла, в результате воздействия окружающей среды, а также под влиянием различных обработок в процессе изготовления — механической, термической и так далее, возникают оксидные пленки. Оксидные пленки с металлической поверхности уделяются как химическим, так и электрохимическим способами. Выбор способа и условий травления зависит от природы обрабатываемого металла, толщины и характера пленки, а также от типа обработки изделия до и после травления [1].