Введение

Покрытие поверхности металла на проводнике

Гальванизация – это финишный процесс, при котором металл наносится на поверхность. Гальванизация применяется на протяжении сотен лет и остается критически важной для современных технологий. Гальванизация используется для декоративных целей, для защиты от коррозии, улучшения паяемости, упрочнения, повышения износостойкости, снижения трения, улучшения адгезии лакокрасочных покрытий, изменения электропроводности, повышения отражательной способности в инфракрасном диапазоне, радиационной защиты и других целей. В ювелирных изделиях гальванизация обычно применяется для придания серебряного или золотого покрытия. Методы нанесения тонких пленок позволяют покрывать объекты размером с атом, поэтому гальванизация находит применение в нанотехнологиях. Существует несколько методов гальванизации и множество их вариаций. Один из методов заключается в покрытии твердой поверхности металлическим листом с последующим применением тепла и давления для их соединения (один из вариантов – шеффилдская пластина). Другие методы гальванизации включают электроосаждение, вакуумное напыление и магнетронное распыление. В последнее время под гальванизацией часто подразумевается использование жидких сред. Металлизацией называют нанесение металлического покрытия на неметаллические объекты.

Электропластика

При электроосадке ион металла восстанавливается электронами, образуя неионное покрытие на подложке. Типичная система включает химический раствор, содержащий ионы металла, анод (положительно заряженный), который может быть выполнен из металла, подвергаемого покрытию (растворимый анод), или из нерастворимого материала (обычно углерода, платины, титана, свинца или стали), и катод (отрицательно заряженный), на котором происходит восстановление ионов металла с образованием неионной металлической пленки.

Электрологическое осаждение

Электрохимическое осаждение, также известное как химическое или автокаталитическое нанесение покрытий, является методом не гальванического покрытия, включающим несколько одновременных реакций в водном растворе, протекающих без использования внешнего источника электрической энергии. Реакция происходит при выделении водорода восстановителем, обычно гипофосфитом натрия (Примечание: водород выделяется в виде иона гидрида) или тиомочевиной, и его последующем окислении, что создает отрицательный заряд на поверхности детали. Наиболее распространенным методом электрохимического осаждения является бесциановое никелирование, хотя таким способом можно наносить также слои серебра, золота и меди, как, например, в технике ангельского золочения.

Позолоченная

Золотопокрытие — это метод нанесения тонкого слоя золота на поверхность стекла или металла, чаще всего меди или серебра. Золотопокрытие широко используется в электронике для создания коррозионностойкого, электропроводящего слоя на меди, как правило, в электрических разъемах и печатных платах. При непосредственном нанесении золота на медь, атомы меди склонны к диффузии сквозь золотой слой, что приводит к потускнению поверхности и образованию оксидной/сульфидной пленки. Поэтому на медную основу необходимо наносить слой подходящего барьерного металла, обычно никеля, формируя структуру «медь-никель-золото». Металлы и стекло также могут быть покрыты золотом в декоративных целях, используя различные процессы, обычно называемые позолотой. Сапфиры, пластик и углеродное волокно — это лишь некоторые другие материалы, которые можно покрывать с использованием передовых технологий нанесения покрытий. Материалы основы, которые могут быть использованы, практически не ограничены.

Медная покрытие

Медное покрытие — это процесс электролитического нанесения слоя меди на поверхность изделия. Оно широко используется как еще более доступная альтернатива серебрению, так как медь значительно дешевле серебра.

Родийная покрытие

Родиевое покрытие иногда применяется к белому золоту, серебру или меди и их сплавам. Обычно на серебро предварительно наносят барьерный слой никеля, однако в этом случае это делается не для предотвращения диффузии серебра в родий, а для предотвращения загрязнения родийной ванны серебром и медью, которые незначительно растворяются в серной кислоте, обычно входящей в состав ванны.

Хромирование

Хромирование — это финишная обработка, использующая электролитическое осаждение хрома. Наиболее распространенной формой хромирования является тонкое, декоративное яркое хромирование, которое обычно представляет собой слой толщиной 10 мкм, нанесенный поверх базового никелевого покрытия. При нанесении покрытия на железо или сталь, предварительное медное покрытие обеспечивает адгезию никеля. Поры (микроскопические отверстия) в никелевом и хромовом слоях снижают напряжения, вызванные различием в тепловом расширении, но при этом ухудшают коррозионную стойкость покрытия. Коррозионная стойкость зависит от так называемого пассивирующего слоя, который определяется химическим составом и технологией обработки и разрушается трещинами и порами. В особых случаях микропоры могут способствовать распределению электрохимического потенциала, ускоряющего гальваническую коррозию между никелевым и хромовым слоями. В зависимости от области применения, покрытия различной толщины требуют различного баланса вышеуказанных свойств. Тонкое яркое хромирование придает зеркальный блеск изделиям, таким как металлические каркасы мебели и автомобильные декоративные элементы. Более толстые покрытия, до 1000 мкм, называются твердым хромом и используются в промышленном оборудовании для снижения трения и износа. Традиционный раствор для промышленного твердого хромирования содержит около 250 г/л CrO3 и около 2,5 г/л SO4−. В растворе хром присутствует в виде хромовой кислоты, известной как шестивалентный хром. Используется высокий ток, отчасти для стабилизации тонкого слоя хрома(II) на поверхности покрываемой детали. Кислотное хромирование обладает низкой способностью к равномерному покрытию, поэтому мелкие детали или отверстия, расположенные дальше, получают меньше тока, что приводит к некачественному покрытию.

Цинковая покрытие

Цинковые покрытия предотвращают окисление защищаемого металла, создавая барьер и выступая в роли жертвенного анода при повреждении этого барьера. Оксид цинка – это мелкая белая пыль, которая (в отличие от оксида железа) не приводит к разрушению целостности поверхности подложки в процессе своего образования. Более того, оксид цинка, если он не нарушен, может служить барьером для дальнейшего окисления, подобно защите, которую алюминию и нержавеющей стали обеспечивают их оксидные слои. Большинство деталей оборудования покрывают цинком, а не кадмием. Шестивалентный хромат признан EPA и OSHA канцерогеном для человека.

Оцинкованная

Процесс лужения широко используется для защиты как черных, так и цветных поверхностей. Олово – полезный металл для пищевой промышленности, поскольку оно нетоксично, ковко и устойчиво к коррозии. Превосходная ковкость олова позволяет формовать листы основного металла, покрытые оловом, в различные формы без повреждения поверхностного оловянного слоя. Оно обеспечивает жертвенную защиту меди, никеля и других цветных металлов, но не стали. Олово также широко используется в электронной промышленности благодаря его способности защищать основной металл от окисления, тем самым сохраняя его пригодность для пайки. В электронных применениях для улучшения пригодности для пайки и предотвращения роста металлических "усов" в отложениях, подверженных компрессионным напряжениям, которые в противном случае могли бы вызвать короткое замыкание, может быть добавлено от 3% до 7% свинца. Однако, согласно требованиям RoHS (ограничение использования опасных веществ), вступившим в силу с 2006 года, добавление свинца должно быть исключено и его максимальное содержание не должно превышать 1%. Некоторые исключения из требований RoHS были предоставлены для критически важных электронных приложений из-за отказов, которые, как известно, произошли в результате образования оловянных "усов".

Сплавная покрытие

В некоторых случаях желательно совместное осаждение двух или более металлов, что приводит к образованию гальванического сплава. В зависимости от системы сплава, гальванический сплав может быть упрочнен раствором или упрочнен осаждением посредством термической обработки для улучшения физических и химических свойств покрытия. Никель-кобальт – распространенный гальванический сплав.

Композитные покрытия

Композитные покрытия с металлической матрицей могут быть получены путем нанесения покрытия на подложку в ванне, содержащей суспензию керамических частиц. Тщательный подбор размера и состава частиц позволяет оптимизировать свойства покрытия для износостойкости, работы при высоких температурах или механической прочности. Карбид вольфрама, карбид кремния, карбид хрома и оксид алюминия (алюмина) обычно используются при композитном электроосаждении.

Кадмиевая покрытие

Кадмиевое покрытие подвергается критической оценке из-за экологической токсичности кадмия. Оно широко используется в некоторых областях аэрокосмической, военной и авиационной промышленности. Однако, из-за своей токсичности, от него постепенно отказываются. Производители компонентов для военной и аэрокосмической техники, такие как Amphenol Aerospace, в последнее время изучают возможность замены кадмиевого покрытия на альтернативные электрохимические покрытия, пригодные для использования с существующим оборудованием, чтобы поддержать отказ от этого опасного покрытия. Кадмиевое покрытие (или кадмирование) обладает целым рядом технических преимуществ, включая отличную коррозионную стойкость даже при относительно небольшой толщине и в соленой среде, мягкость и пластичность, отсутствие липких и/или объемных продуктов коррозии, гальваническую совместимость с алюминием, отсутствие заедания, обеспечивающее надежное затягивание резьбовых соединений, возможность окрашивания в различные цвета и придание прозрачности, хорошую смазывающую способность и паяемость, а также пригодность как для финишной обработки, так и в качестве основы под краску. Если экологические аспекты имеют значение, в большинстве случаев кадмиевое покрытие можно напрямую заменить золотым, поскольку они обладают схожими материальными свойствами, однако золото дороже и не может использоваться в качестве основы под краску.

Никелирование

Никель наносится электролитическим осаждением в ванне Уоттса – электролитической ячейке с никелевым анодом и электролитом, содержащим сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту. В некоторых случаях вместо сульфата никеля могут использоваться другие соли никеля, например, сульфат никеля-аммония.

Никелирование без электричества

Электрохимическое никелирование, также известное как эникель и NiP, обладает множеством преимуществ: равномерная толщина слоя на самых сложных поверхностях, прямое нанесение покрытия на черные металлы (сталь), превосходная износостойкость и коррозионная стойкость по сравнению с гальваническим никелем или хромом. Значительная часть хромирования, применяемого в аэрокосмической промышленности, может быть заменена электрохимическим никелированием, поскольку экологические издержки, затраты на утилизацию отходов шестивалентного хрома и известная склонность к неравномерному распределению тока благоприятствуют электрохимическому никелированию. Электрохимическое никелирование – это самокатализирующийся процесс, в результате которого образуется никелевый слой – соединение NiP с содержанием фосфора 7–11%. Свойства полученного слоя, такие как твердость и износостойкость, существенно изменяются в зависимости от состава ванны и температуры осаждения, которую следует регулировать с точностью до 1 °C, обычно при 91 °C. Во время циркуляции ванны любые частицы, находящиеся в ней, также покрываются никелем; этот эффект используется в процессах нанесения покрытий с частицами, такими как карбид кремния (SiC) или политетрафторэтилен (PTFE). Несмотря на превосходство над многими другими процессами нанесения покрытий, оно является дорогостоящим из-за сложности процесса. Кроме того, процесс занимает много времени даже для тонких слоев. Если требуется только коррозионная стойкость или поверхностная обработка, строгий контроль состава ванны и температуры не требуется, и процесс используется для покрытия многих тонн в одной ванне одновременно. Известно, что слои, полученные методом электрохимического никелирования, обеспечивают высокую адгезию к поверхности при правильном нанесении. Электрохимическое никелирование является немагнитным и аморфным. Слои, покрытые электрохимическим никелем, плохо поддаются пайке и не заедают с другими металлами или другими изделиями, покрытыми электрохимическим никелем, под давлением. Этот эффект полезен для винтов, покрытых электрохимическим никелем и изготовленных из пластичных материалов, таких как титан. Электрическое сопротивление выше, чем у покрытий из чистого металла.