Гальваническое покрытие металла: виды, методы, описание процесса

Операция гальванического покрытия металлов заключается в нанесении на поверхность металлического изделия тонкой пленки из такого же материала с использованием электролита. В процессе обработки детали молекулы покрывающего металла переносятся токопроводящим раствором и проникают в верхний слой изделия. В итоге происходит внедрение одного металла в поверхностное пространство другого.

Как результат, такой гальванический метод позволяет металлоизделиям приобретать дополнительную твердость, устойчивость к коррозии и износостойкость. У металла с гальваническим покрытием значительно повышается декоративность.

Для проведения гальванического процесса необходима ванна, которая является основой всего оборудования. В нее заливается токопроводящий раствор, в который помещаются 2 анода.

Для гальванизации металлов существуют линии оборудования. Устанавливаются они в отдельных цехах. Поскольку работа связана с химическими реактивами, в помещении монтируется вентиляция.

Несмотря на сложность гальванического процесса, он достаточно хорошо изучен. Поэтому его можно проводить и в домашних условиях. При этом следует помнить основное правило: общая площадь анодов должна превышать этот же параметр обрабатываемой детали.

Принцип

Схема, по которой реализуется гальваническое покрытие металла, довольно проста. В нее входит изделие, на которое наносится защитное покрытие, емкость с раствором электролита, куда помещается изделие. Третьим участником процесса является металлическая пластина, на которую подается положительный заряд тока, она выполняет функции анода, помещенное в раствор изделие становится катодом, куда подается отрицательный заряд.

При замыкании электрической сети металл анода (пластины) растворяется в электролите и под действием тока устремляется к отрицательно заряженному изделию (катоду), тем самым создавая прочное покрытие. Электролит является проводящим раствором для перемещения металлов с анода на катод. Размер емкостей (ванн) с электролитом бывает разным, в зависимости от производственных задач.

Изделия больших размеров размещают на подвесах, через которые пропускают отрицательный заряд, конструкция удерживается на весу в объеме ванной. Мелкие изделия получают гальваническое покрытие в ваннах барабанного типа, где одновременно гальванизируется большое количество продукции. В этом случае отрицательный заряд подается на барабан, вращающийся в емкости с электролитом, куда заведен анод.

Существуют колокольные наливные ванны, где гальваническое покрытие одновременно наносится на большое количество очень мелких деталей, например на метизы. В емкости засыпают продукцию, заливают электролитный состав и устанавливают анод. Ваннам придается медленное вращение, в процессе которого изделия равномерно покрываются защитным металлом.

Методы

Гальванический метод покрытия изделий позволяет создать стойкое защитное покрытие на металлах, изолируя детали от агрессивного воздействия рабочих сред. Изоляция может быть создана из различных металлов, нанесение осуществляется анодным и катодным напылением.

Катодное покрытие характеризуется тем, что при малейшем нарушении целостности нанесенного слоя металл под ним разрушается более интенсивно, чему способствует сама технология покрытия. Примером быстрой эрозии служат изделия из луженого металла, где изоляционным слоем служит олово.

Анодное нанесение гальванических покрытий имеет иные характеристики. При возникновении условий угрозы коррозии разрушению подвергается гальваническая изоляция, металл длительное время остается нетронутым. Анодированные изделия надежно защищены от агрессивных сред, механических повреждений. Наиболее распространенный вид изоляции – цинкование. Метод позволяет сохранить все характеристики обрабатываемого изделия, его внешний вид, форму и размеры.

Цели

Гальванические покрытия разделяются на несколько видов в зависимости от целей применения изделия:

• Защитно-декоративные. Целью нанесения является получение высоких эстетических характеристик и защита продукции от разрушающих факторов.
• Защитные. Изолируют металлические детали от действия агрессивных сред, механических повреждений.
• Специального назначения. Гальваническое покрытие наносится для получения новых свойств – повышенной износостойкости, увеличения характеристик твердости, получения магнитных, электроизоляционных свойств готового изделия. В некоторых случаях гальванизацию используют для восстановления первоначального вида изделия или после длительной эксплуатации.

3. Чугун.

Чугун — сплав железа с большим количеством углерода (не менее 2,14%). Углерод придаёт твёрдость, но снижает пластичность. В зависимости от формы графита и количества цементита, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные сорта чугуна. Как правило, из чугуна производят изделия методом литья. Трудность в покрытии чугуна заключается в наличии литейной корки, при повреждении которой качественное покрытие получить не удается. Кроме этого, за счет высокой науглероженности чугуна, при травлении на его поверхности выступает много карбидов железа в виде порошка, усложняющих получение прочно сцепленного покрытия. Оцинковка чугуна из щелочных растворов затруднена преимущественным выделением водорода, а не цинка.

Виды покрытий

Гальванический способ покрытия реализуется нанесением различных металлов на изделие, каждый из них имеет свои особенности и цели в дальнейшей эксплуатации детали или предмета:

• Серебрение – увеличивает эстетическую ценность, защищает от коррозии, улучшает отражающие, токопроводящие характеристики. Вид нанесения востребован при производстве статических реле, контакторов, электромагнитных реле, электромагнитных пускателей, микросхем и другой электронной продукции.
• Никелирование – наиболее востребованное гальваническое покрытие стали, медных и алюминиевых изделий. Никелевый слой надежно защищает изделия или детали машин от ржавчины, образующейся под воздействием внешней среды, а также от видов коррозии, возникающих вследствие загрязнения агрессивными средами рабочей среды – щелочами, кислотами, солями. Никелированные изделия демонстрируют высокую устойчивость к сильным механическим повреждениям, истиранию.
• Хромирование – увеличивает износостойкость, твердость анодированных поверхностей, позволяет улучшить внешний вид, восстановить поврежденные детали до первоначальных параметров. В зависимости от изменений технологического режима получают гальваническое покрытие с различными параметрами и свойствами – серое матовое (увеличение твердости, но низкая износоустойчивость), блестящее (высокие показатели износостойкости, твердости), молочное пластичное (эстетичность, высокая степень антикоррозионной защиты, низкая твердость), цинкование – антикоррозионная обработка цельных стальных листов, частей автомобилей, строительно-отделочных материалов.

• Гальваническое золотое покрытие – используется в ювелирном деле, электронной промышленности и других сферах. Слой золота придает деталям высокие отражающие свойства, эстетичность, защиту от коррозии, повышает токопроводящие качества.
• Омеднение – часто используется для покрытия металла в целях защиты от коррозии, медь повышает токопроводящие качества, металл с таким покрытием часто используются для производства электропроводников, эксплуатируемых на открытом воздухе.
• Латунирование – используется для защиты от коррозионного повреждения сталей, алюминия и сплавов. Слой латуни обеспечивает необходимую адгезию металлических деталей с резиной.
• Родирование – специальное покрытие, наносимое для придания деталям высокой устойчивости в химических агрессивных средах, получения дополнительной механической износоустойчивости. Также покрытие родием придает изделиям декоративность, бережет серебряные предметы от окисления, тусклости.

Регуляция качества и технологических процессов гальванического покрытия происходит с помощью ГОСТ 9.301-78.

Виды гальванических покрытий

Процессы гальванического нанесения покрытия на металл отличаются своими особенностями в зависимости от применяемого материала. К видам гальванических покрытий относятся:

• ­ хромирование;
• ­ цинкование;
• ­ травление;
• ­ золочение и серебрение;
• ­ меднение;
• ­ латунирование;
• ­ гальваника алюминия.

Хромирование

Это процесс внедрения в поверхность металла хрома с использование электролита под воздействием тока. В результате изделие приобретает коррозионную устойчивость к агрессивной среде. Увеличивается твердость поверхностного слоя. Обработанные детали находят применение во многих отраслях промышленности.

Цинкование

При проведении цинкования металлическая поверхность покрывается слоем цинка. Образующаяся гальваническая пара хорошо работает в агрессивной среде. Продолжительность эксплуатации такого изделия зависит от времени разрушения цинка. До этих пор расположенный внутри металл не будет подвергаться коррозии.

Травление

Травление – это электролитическое снятие поверхностного слоя с изделия. Процедура проводится с целью обнаружения внутренних дефектов, устранения ржавчины или окислов. После такой операции часто детали подвергаются финишному покрытию. Обработанные поверхности заготовок хорошо сопрягаются друг с другом.

Золочение и серебрение

Золочение и серебрение применяются в ювелирном деле. Ванна заполняется электролитом, куда опускается обрабатываемое украшение. В электролите растворяются ионы серебра или золота. По окончании процедуры на поверхности изделия образуется тонкий поверхностный слой драгоценного металла.

ПОСМОТРЕТЬ чистый никель для гальванического производства на AliExpress →

Меднение

Меднение является промежуточной операцией, поскольку такая поверхность плохо противостоит коррозии. С течением времени она окисляется. В дальнейшем идет наслоение еще одного покрытия. В качестве электролитов используются щелочные и кислотные составы.

Латунирование

При работе используются цианистые электролиты меди, цинка, натрия или калия. Латунная поверхность наносится с целью улучшения декоративных качеств. Особенно это касается белого латунирования. Еще такой обработке подвергаются стальные заготовки, которые обклеиваются резиной.

Гальваника алюминия

К гальваническим покрытиям алюминия относятся сочетания:

• ­ медь – никель – хром;
• ­ никель – хром;
• ­ свинец – олово;
• ­ медь – олово;
• ­ латунирование;
• ­ цинкование.

Работа с алюминием и его сплавами сопровождается определенными трудностями. На их поверхностях присутствует окисная пленка, которая затрудняет процесс гальванизации.

Гальваническое покрытие металлических изделий проводится не только в промышленных масштабах. Домашние условия тоже позволяют заняться этим видом деятельности. Если у кого-то есть опыт проведения таких мероприятий, большая просьба поделиться им в комментариях к этой статье.

Подготовительный этап

Нанесение гальванического покрытия – это многоуровневый технологический процесс, реализуемый в три основных этапа (подготовка, нанесение покрытия, заключительная обработка готового изделия).

Подготовка поверхностей для дальнейшей гальванизации – наиболее трудоемкий и ответственный этап всего процесса. От правильности и достаточности его проведения зависит качество полученного защитного покрытия. При наличии на поверхности металла малейших следов жира и оксидной пленки получение однородной сплошной защитной пленки будет невозможно – покрытие не сможет проникнуть в слои основного металла, могут образоваться пузыри, разрывы и т. д.

Дефекты могут возникнуть на местах, где остались заусенцы, неровности поверхности, в местах плохо отшлифованных спаев, недостаточно очищенных от пыли местах. Гальваническое покрытие требует низкой шероховатости поверхности, тщательного очищения после шлифовки и обязательной обработки обезжиривающими средствами.

Процесс гальванического покрытия металла

Гальваническая обработка металла состоит из 3 этапов:

1. Подготовка. Это наиболее трудоемкий процесс. В случае наличия на поверхности металла жира, заусенцев или пыли качество гальванизирования будет низким. Изделия должны быть обработаны вручную или на пескоструйной машине. При наличии остатков жира их следует обработать химическим раствором.
2. Сам процесс гальванической обработки металла. Электролит заливается в ванну, в него помещаются 2 анода и покрываемая деталь. Проводится нагрев электролита с помощью специального устройства до температуры, указанной в технологии. Затем включается ток, который контролируется регулятором напряжения. Катодом является сама деталь. Положительно заряженные ионы движутся через электролит и оседают на отрицательно заряженном изделии, образуя поверхностный слой. Длительность второго этапа продолжается до тех пор, пока поверхностный слой металла не достигнет требуемой величины.
3. После гальванической процедуры детали нуждаются в дополнительной обработке. Заключается она в осветлении, пассивировании или промасливании поверхности. Для этого изделия погружаются в специальный раствор с реактивами. В результате идет образование поверхностной пленки толщиной 1 мм.

При проведении процесса гальванической операции существует понятие совместимости материалов. Все металлы в соединениях корродируют. В некоторых случаях это процесс идет замедленно. Но существуют пары, которые нельзя соединять вместе.
О совместимости гальванических пар таблица дает наглядное представление.

Виды обработки деталей

Механическая обработка и достижение идеальной гладкости металлических деталей достигается в домашних условиях шлифованием поверхности наждачной бумагой и другими абразивами, в промышленных масштабах используются пескоструйные, химические, автоматизированные методы достижения результатов. На подготовительном этапе проводят изоляцию деталей или отдельных мест, не подлежащих гальванизации.

В зависимости от вида наносимого металла проводят различную подготовку. Перед цинкованием или кадмированием поверхность защищаемой детали обезжиривают и протравливают. Хромирование и никелирование предваряют механической шлифовкой, обезжириванием, удалением оксидной пленки. Обезжиривание проводится в два этапа – стартовые работы и полное обезжиривание.

Предварительно детали промывают растворителями – уайт-спиритом, бензином, специальными органическими смесями и т. д. Окончательную обработку реализуют при помощи щелочных растворов или электрохимическим методом. После чего детали промывают горячей водой, проводят активацию и легкое протравливание металла для удаления мельчайших пленок окислов, что улучшает адгезию поверхности детали с гальваническим покрытием металла.

Используемые материалы и оборудование

Для всех видов гальванизации металла применяется однотипное гальваническое оборудование. Емкость, куда погружаются изделия из металла, называется ванной. Различие наблюдается только в разновидности электролита.
Исключение составляет холодное цинкование, совершаемое «Гальвонолом». Это жидкая суспензия, которая непосредственно наносится на металл. Отличается неустойчивостью к некоторым растворителям, поэтому нуждается в финишном покрытии.

Различается несколько групп гальванических ванн:

1. Крупные. Рассчитаны на крупногабаритные изделия.
2. Средние. В них нет возможности поместить большое изделие. При этом они остаются наиболее востребованными в условиях средних масштабов производства.
3. Мелкие. В них можно проводить гальванизацию только мелких деталей.

В ванну помещаются анодные пластины. Изготавливаются из разных материалов. Их основная задача заключается в восполнении убывающего металла с изделия в процессе гальванизации.

Важными составляющими являются разновидность электролита и плотность тока. Эти параметры меняются в зависимости от вида операции.

Составы цианидных ванн для серебрения представлены в таблице.

Величина плотности тока оказывает влияние на структуру формируемого осадка. Измеряется как отношение силы тока к единице поверхности обрабатываемой детали.

Такой параметр имеет важное значение во время работы. При низкой величине плотности осадка вообще не образуется. Слишком большая его величина приводит к образованию порошкового отложения. Поэтому гальванический процесс требует контроля этого показателя.

Как реализуется процесс

Осаждение защитного слоя металла на изделиях проводится при помощи специального оборудования. Различия нанесения видов гальваники отражены в рецептуре используемого электролита.

Гальванический метод покрытия металлов и других материалов происходит следующим образом:

• Гальванические ванны заполняются электролитическим раствором. В них помещают аноды и обрабатываемые изделия. Размер и вид ванны зависят от величины деталей, требующих покрытия.
• Нагревательное устройство доводит температуру электролитического состава до нужного технологически обоснованного значения.
• В конструкцию подается ток от источника, оснащенного регулятором напряжения.
• Процесс гальванического покрытия занимает определенное время, его величина обуславливается размером детали, достижением необходимой толщины защитного слоя.

Особенности процесса

В некоторых случаях при гальваническом методе покрытия обрабатываемые детали навешивают на катодную штангу, расположенную в ванной, а на анодной штанге размещают пластины металла, который будет покрывать изделия. Для получения определенных характеристик покрытия в электролит могут вводиться соли металлов, органические соединения, блескообразователи и т. д.

Для ускорения процесса перенесения металлов электролит перемешивают, что дает возможность применять большую плотность тока. Реверсирование направления тока позволяет получать гладкую поверхность.

Точное время длительности гальванического процесса покрытия устанавливается опытным путем – нанесением защитного слоя на деталь, измерением толщины получаемого слоя за определенный отрезок времени при заданных условиях технологического процесса. Особое внимание на этапе приладки уделяют толщине слоя в углублениях и полостях обрабатываемой опытной детали.

Толщина слоя

Толщина гальванического покрытия определяется согласно данным о средних толщинах наносимого слоя, зависит от условий, в которых будет эксплуатироваться деталь. Они делятся на группы:

• Легкие условия (ЛС) – детали используются в закрытых отапливаемых помещениях с относительно сухой атмосферой, или изделие будет эксплуатироваться в течение непродолжительного срока во внешней среде, где нет активных коррозионных агентов. Толщина однослойного покрытия составляет около 7 мк, многослойного – 15 мк.
• Средние условия (СС) – детали будут использоваться в среде со средней влажностью, загрязнением, небольшими количествами топливных, промышленных выбросов или испарений морской воды. Толщина однослойного покрытия составляет 15 мк, многослойного – 30 мк.
• Жесткие условия (ЖС) – предусматривают эксплуатацию деталей в условиях высокой влажности, повышенного уровня загрязнений промышленными газами, отходами топлива, твердыми веществами, пылью. Толщина однослойного покрытия – 30 мк, многослойного – 45.

Данные о толщине гальванического покрытия деталей одним слоем содержит ГОСТ 2249-43. Сюда относятся цинковые покрытия. Контролирует многослойное нанесение гальванического покрытия ГОСТ 3002-45 (никелевые покрытия). Толщина слоя может быть изменена по конструктивным требованиям или в тех случаях, когда обрабатываемая деталь рассчитана на короткий срок эксплуатации. Срок службы цинкования – до 5 лет, для остальных видов покрытий – до 3 лет.

Обработка готового изделия

Гальваническое покрытие деталей завершается этапом дополнительной обработки. В этом процессе реализуются следующие операции:

• Осветление.
• Окраска лакокрасочными составами.
• Пассивирование.
• Обезводороживание.
• Промасливание или полировка.
• Выполнение серебрения составами против тусклости.

Осветление и пассивирование повышают антикоррозионные свойства оцинкованных изделий и кадмиевых покрытий. Процесс пассивирования – это погружение изделий в специальный раствор, образующий на поверхности детали защитную пленку толщиной до 1 мкм.

Изделия из стали, меди с гальваническим покрытием дополнительно обрабатывают маслами – промасливают. Это делается в целях улучшения защитных качеств металлической изоляции и способствует повышению антикоррозионной устойчивости.

Нержавеющая сталь.

Нержавеющая сталь — сплав железа с углеродом, преимущественно легированный большим количеством хрома и никеля. Из названия этого конструкционного материала понятно, что он находит основное применение в средах, вызывающих активную коррозию обычной стали. Так, нержавейка устойчива в промышленной атмосфере и воде, хорошо сопротивляется воздействию серной кислоты. В тоже время нержавеющая сталь плохо паяется, обладает достаточно низким коэффициентом трения, слабо проводит электрический ток, боится щелочей (в отличие от углеродистой стали) из-за присутствия в ней хрома. Однако все эти недостатки эффективно устраняются гальваническими покрытиями.

Трудность покрытия нержавейки связана с наличием на поверхности деталей тончайшей прочной пассивной пленки из оксидов хрома и никеля, не позволяющей покрытию хорошо сцепиться с основой после обычной технологии подготовки. Эта пленка легко стравливается, но почти мгновенно образуется вновь на воздухе. Поэтому для гальванопокрытия нержавеющей стали применяются более сложные, чем при обработке обычной стали, методы.

Применяя такие методы нержавеющую сталь можно хромировать, лудить, никелировать, меднить и т.д. Никель применяют для усиления блеска сложнопрофильной поверхности вместо механической или электрохимической полировки. Также благодаря никелю детали из нержавейки полностью защищаются от воздействия щелочей. Хром повышает износо- и термостойкость. Для защиты от появления коррозионно-активной гальванопары при сопряжении с алюминием применяется сплав олово-висмут. Медь придает искрозащитные свойства, облегчает свинчиваемость, защищает от задиров и повышает электропроводность. Черное цинковое покрытие является декоративным. Общую коррозионную стойкость нержавеющей стали можно повысить путем химической пассивации.

Преимущества:

• Высокая атмосферная коррозионная стойкость;
• Устойчивость в смеси крепких кислот, содержащих несколько процентов HNO3, но в отсутствии HCl и HF;
• Устойчивость при температуре 300° С в H2O, HNO3 и органических кислотах;
• Приемлемая свариваемость.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Повышенная хрупкость в зонах сварных швов.

Контроль качества

Требования к качеству гальванического покрытия зависят от условий эксплуатации обработанного изделия. Для оценки нанесения используются такие виды контроля:

• Оценка внешнего вида детали путем визуального осмотра, сравнения с эталонными образцами (чистота поверхности, цвет, наличие или отсутствие блеска).
• Определение толщины гальванического покрытия и пористость производится в лабораторных условиях (измерение).
• Устойчивость к коррозии согласно ТУ или ГОСТ (испытание).
• Механическая, физическая устойчивость (отражательные свойства, пластичность, износостойкость, электрическое и температурное сопротивление, твердость и пр.)

Преимущества

К преимуществам данного метода защиты металлических изделий относятся:

• Высокие антикоррозионные качества.
• Стойкость к механическим и физическим повреждениям.
• Сопротивляемость агрессивным средам природного и промышленного происхождения.
• Низкая пористость покрытия.
• Твердость, износостойкость.
• Возможность регулировать толщину наносимого покрытия в процессе нанесения.

К недостаткам метода относится большой расход электроэнергии, экологические угрозы, высокая стоимость очистных мероприятий.

Углеродистая сталь.

Углеродистая сталь — один из основных видов конструкционных материалов в современной промышленности, является сплавом железа, углерода и относительно небольшого количества легирующих добавок. Железо не пассивируется на воздухе (в отличие от других металлов своей подгруппы, например никеля), поэтому главным его недостатком является низкая коррозионная стойкость. При коррозии железо соединяется с кислородом и превращается в оксиды FeO, Fe2O3 и Fe3O4, покрывающие сталь пористым слоем полностью проницаемым для внешней среды. Этот слой нисколько не препятствует дальнейшему разрушению металла. Процесс коррозии стали самопроизвольно не затухает и может длиться годами вплоть до полного уничтожения изделий. Поэтому сталь без покрытия, электрохимической защиты или легирования никелем и хромом не следует применять ни в атмосферных условиях, ни в агрессивных средах. Чаще всего для защиты стали от коррозии применяют гальваническое цинкование и химическое фосфатирование (с промасливанием или хроматированием).

Преимущества:

• Низкая стоимость;
• Хорошая свариваемость;
• Относительно высокая твердость;
• Устойчивость к динамическим нагрузкам;
• Отсутствие отпускной хрупкости.

Недостатки:

• Низкая атмосферная коррозионная стойкость;
• Подверженность сильному охрупчиванию при низких температурах.