Powłoki galwaniczne
Własności powłok galwanicznych.
Otrzymywanie powłok galwanicznych determinowane jest aktualnie coraz częściej spełnieniem wielu wymagań technicznych w zakresie własności powłok takich, jak odporność na uszkodzenia mechaniczne, zużycie, zmian temperatury, odporność korozyjną itp., jak również uzyskaniem odpowiednich własności fizycznych, chemicznych lub mechanicznych.
Przyczepność powłok powinna być taka, aby eliminować ich odwarstwianie się od podłoża podczas obróbki mechanicznej lub cieplnej. Ponieważ siły adhezji powłoki z podłożem mają charakter atomowy to każda warstwa pośrednia (np. tlenkowa) znacznie je zmniejsza. W celu uzyskania idealnej przyczepności, niezbędna jest zatem duża czystość pokrywanej powierzchni.
Często przyczyną różnych wad powłok galwanicznych, jak pękanie, odwarstwianie się lub pokrywanie pęcherzami – są naprężenia własne. Pękanie powłoki następuje w przypadku, gdy naprężenia rozciągające w powłoce są większe niż jej wytrzymałość na rozciąganie i gdy wytrzymałość materiału podłoża jest mniejsza od wytrzymałości powłoki.
Istotną cechą powłok galwanicznych jest ich twardość. Metale osadzane galwanicznie są z reguły twardsze od otrzymywanych metodą hutniczą. Wzrost gęstości prądu osadzania powoduje przeważnie wzrost twardości powłok galwanicznych, choć zależność ta ma charakter ekstremalny z maksimum twardości. Wzrost temperatury osadzania powoduje natomiast spadek twardości powłok.
Pomiary twardości powłok galwanicznych często wykorzystuje się jako wskaźnik ich ścieralności . Analogie takie nie są jednak zbyt słuszne, ponieważ np. zbyt twarde powłoki wykazują często dużą ścieralność.
Przewodność elektryczna powłok galwanicznych utworzonych z czystych metali nie różni się od przewodności tych samych metali czystych otrzymywanych inną metodą. W praktyce powłoki galwaniczne osadza się w obecności rożnych dodatków, co powoduje istotne zmiany ich własności elektrycznych. Nawet nieznaczna ilość substancji obcych może zmienić w zasadniczy sposób opór właściwy metalu powłoki. Dla powłok galwanicznych stosowanych w elektrotechnice istotne znaczenie ma tzw. Opór przejścia występujący w miejscach styku powierzchni przewodzących prąd elektryczny.
W zakresie ochrony stali przed korozją elektrochemiczną powłoki galwaniczne w różnym stopniu wykazują własności izolujące i ekranujące. Własności izolujące wykazują powłoki katodowe, a mianowicie powłoki z metali bardziej szlachetnych od metalu podłoża. Przykładem takich powłok w odniesieniu do stali węglowej jako podłoża, są np. powłoki z Cu, Ni, Cr, Pb, Sn i Ag. Metale te w określonym środowisku korozyjnym wykazują potencjał elektrochemiczny wyższy od potencjału metalu podłoża i w związku z tym chronią go przez odizolowanie jego powierzchni od otaczającego środowiska. Powłoki te powinny być jednak całkowicie szczelne. W przypadku występowania w powłoce porów lub rys sięgających podłoża metalu mamy do czynienia z niebezpiecznym układem elektrochemicznym, w którym powierzchnia anodowa jest mała, a katodowa bardzo duża. W przypadku powstania ogniwa elektrochemicznego rozpuszczeniu ulega metal podłoża, co prowadzi najczęściej do powstania silnej korozji wżerowej.
Powłoki galwaniczne z metali mniej szlachetnych od metalu podłoża, oprócz działania ekranującego, zapewniają podłożu ochronę katodową, ponieważ powłoki z tych metali działają jako protektor w stosunku do metalu podłoża. Powłoki takie nazywa się powłokami anodowymi. Jako przykłady powłok anodowych można wymienić przede wszystkim cynk i kadm. Powłoki z tych metali w określonym środowisku korozyjnym wykazują potencjał niższy od potencjału metalu podłoża i w związku z tym izolują go od otaczającego środowiska, lecz również chronią go elektrochemicznie, ulegając rozpuszczeniu. Ze względu na ochronę katodową w porach i rysach lub szczelinach, powłoki te nie muszą być zupełnie szczelne. W środowiskach zawierających jony chlorkowe także powłoki z Al. Zachowują się anodowo w stosunku do stali.
Klasyfikacja powłok galwanicznych.
Stosowane w praktyce powłoki galwaniczne klasyfikowane są według różnych kryteriów: przeznaczenia, składu chemicznego i rodzaju powłoki, sposobu nakładania lub wytwarzania powłoki, stanu powierzchni i struktury powłoki, jak również – z punktu widzenia dodatkowej obróbki powłok po ich osadzeniu lub wytworzeniu.
A. Kryterium klasyfikacji – przeznaczenie powłoki:
1. Powłoki ochronne – mają za zadanie wyłącznie ochronę metalu podłoża przed ko -
rozją
2. Powłoki dekoracyjne – wytwarzane dla poprawy wyglądu zewnętrznego powierzch -
ni
3. Powłoki ochronno – dekoracyjne – stosowane w celach antykorozyjnych z jedno
czesnym zachowaniem walorów dekoracyjnych
4. Powłoki techniczne – spełniają specjalne wymagania techniczne właściwe dla po -
włok w danej grupie wyrobów, np. zwiększenie odporności na
ścieranie, zmiana współczynnika tarcia, poprawa zdolności do
łączenia przez lutowanie itp.
B. Kryterium klasyfikacji – skład chemiczny i rodzaj powłoki:
1. Powłoki metalowe osadzane elektrolitycznie
2. Powłoki stopowe
3. Powłoki konwersyjne – niemetalowe, nieorganiczne:
a) chromianowe
b) fosforanowe
c) szczawianowe
d) tlenkowe na Al., otrzymywane metodą anodowego oksydowania
e) tlenkowe na innych metalach
C. Kryterium klasyfikacji – sposób nakładania lub wytwarzania:
1. Powłoki elektrolityczne:
a) jednowarstwowe
b) wielowarstwowe
2. Powłoki osadzane metodą chemiczną
3. Powłoki konwersyjne
a) wytwarzane chemicznie
b) wytwarzane elektrochemicznie
D. Kryterium klasyfikacji – stan powierzchni i struktury powłoki:
1. Powłoki matowe
2. Powłoki błyszczące
3. Powłoki półbłyszczące
4. Powłoki z połyskiem lustrzanym
5. Powłoki mikrospękane
6. Powłoki mikroporowate
7. Powłoki szczelne
E. Kryterium kwalifikacji – dodatkowa obróbka powłok po ich osadzeniu lub wytworzeniu:
1. Powłoki polerowane
2. Powłoki obtapiane
3. Powłoki barwione
4. Powłoki uszczelniane
5. Powłoki impregnowane
F. Kryterium klasyfikacji – mechanizm ochrony korozyjnej metalu podłoża:
1. Powłoki anodowe
2. Powłoki katodowe
G. Kryterium klasyfikacji – warunki użytkowania wyrobów pokrywanych powłokami:
1. Powłoki stosowane w warunkach korozyjnych:
a) lekkich – oznaczenie L
b) umiarkowanych – U
c) ciężkich – C
d) wyjątkowo ciężkich – W
Przygotowanie powierzchni metali pod powłoki galwaniczne.
Oczyszczanie powierzchni podłoża przed osadzeniem powłok galwanicznych polega na usunięciu z niej zanieczyszczeń mechanicznych, olejów, tłuszczów lub substancji tłuszczopochodnych, produktów korozji oraz innych zanieczyszczeń nagromadzonych podczas procesu wytwarzania wyrobów. Minimalne nawet pozostałości tłuszczów powodują złuszczenie się nałożonej warstwy metalu, a nie usunięte dokładnie produkty korozji mogą być przyczyną powstawania ognisk korozyjnych pod nałożoną powłoką.
Stosowany ogólnie tradycyjny proces przygotowania powierzchni przed osadzeniem powłok galwanicznych składa się z kilku lub kilkunastu następujących kolejno po sobie operacji:
- odtłuszczanie wstępne,
- trawienie,
- płukanie zimne,
- odtłuszczanie chemiczne,
- płukanie gorące i zimne,
- aktywacja,
- płukanie zimne.
Jest to w zasadzie konieczne minimum operacji technologicznych przed obróbką
Galwaniczną. W miarę potrzeby można poszczególne operacje powtarzać lub włączać do nich inne metody. Części poddawane obróbce galwanicznej powinny być przed przystąpieniem do prac przygotowawczych całkowicie wykończone pod względem obróbki mechanicznej, a więc muszą posiadać odpowiednie wymiary w granicach tolerancji, wymagany stopień gładkości powierzchni i krawędzi oraz odpowiedni zaczep uniemożliwiający przypadkowe zsunięcie się z zawieszki w wannie lub powstanie luźnego kontaktu ze źródłem prądu.
Przedmioty poddawane obróbce galwanicznej wykazują często na powierzchni produkty korozji: są to głównie tlenki lub zasadowe sole metalu podłoża. Oczyszczanie powierzchni podłoża z produktów korozji następuje najczęściej przez trawienie chemiczne lub elektrochemiczne w kwasach lub w niektórych przypadkach w ługach. Trawienie np. stali przeprowadza się przez zanurzenie wyrobów do wodnych roztworów kwasów nieorganicznych, takich jak kwas siarkowy, solny lub fosforowy.
Przedmioty poddawane trawieniu powinny być dokładnie odtłuszczone oraz opłukane. W miarę możliwości powinny też być poddane wstępnej obróbce usunięcia produktów korozji w procesach mechanicznych lub chemicznych.
Ogólna charakterystyka galwanicznej obróbki powierzchniowej.
Galwaniczna obróbka powierzchniowa obejmuje głównie procesy i technologie wytwarzania warstw powierzchniowych metodami elektrochemicznymi i chemicznymi. Metody te wykorzystują do wytwarzania powłok galwanicznych na powierzchni metalu lub stopu redukcję elektrochemiczną lub chemiczną.
Osadzanie elektrolityczne pozwala na uzyskanie powłok z metalu lub stopu na innym metalu lub stopie w wyniku redukcji prądem elektrycznym na katodzie jonów metali do metali. Otrzymane powłoki mogą być jednowarstwowe lub wielowarstwowe. Najczęściej stosowane są następujące procesy elektrolityczne: chromowanie, niklowanie, cynkowanie, cynowanie, kadmowanie, miedziowanie, ołowiowanie, srebrzenie, złocenie, rodowanie, palladowanie, platynowanie.
Osadzanie chemiczne pozwala na uzyskanie powłok z metalu lub stopu na podłożu metalicznym w wyniku redukcji chemicznej. Jest stosowana do nakładania powłok, głównie niklowych, na powierzchniach, na których trudno jest nałożyć powłoki elektrolityczne, a więc na przedmiotach o skomplikowanych kształtach, elementach smukłych o głębokich otworach itp.
Powłoki konwersyjne.
Powłoki konwersyjne są to powłoki, które powstają w odpowiednio dobranym środowisku związków chemicznych na powierzchni metalu wskutek reakcji jego zewnętrznych warstw atomowych z anionem środowiska. Proces powstawania powłoki można scharakteryzować następującą reakcją:
gdzie:
Me – metal,
A - anion reagujący,
z - wartościowość anionu,
m, n – współczynniki stechiometryczne.
Tak więc proces tworzenia się powłoki konwersyjnej jest kierowanym procesem korozji sztucznie wywołanej, w wyniku którego na powierzchni metalu tworzy się warstwa ściśle związana z podłożem metalowym, nierozpuszczalna w wodzie i w wywołującym ten proces środowisku, o własnościach izolatora elektrycznego. Powłoka konwersyjna, w odróżnieniu od powłoki osadzonej, np. galwanicznej, jest powłoką wytworzoną na powierzchni metalu, w skład której wchodzą związki tego metalu.
rflq