Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Защитные покрытия

Saturday, 22 January, 10:01, superhimik.livejournal.com

   Хочу заметить, что я уже обращался в своём блоге к теме гальванических и иных покрытий:
- http://superhimik.livejournal.com/4284.html;
- http://superhimik.livejournal.com/2010/01/12/.
   Но по просьбе [info]dobriydoktor, выигравшей в конкурсе по отгадыванию загадки, остановлюсь на этом вопросе более подробно.
   
   Прежде всего надо отметить, что большинство покрытий, применяемых в технике, по составу можно разделить на две группы:
- металлические;
- неметаллические.
   Ко второй группе относят, например, покрытия красками, лаками, а также специальными неорганическими покрытиями типа фосфатных.
   В дальнейшем, как и просили, буду рассматривать металлические покрытия.
   Итак, зачем покрывать поверхность изделия металлом?
   Во-первых, для защиты от неблагоприятных факторов окружающей среды, в частности, от коррозии.
   В зависимости от природы контактирующих металлических поверхностей защита может быть как механической, так и электрохимической. В первом случае покрытие создаёт физический барьер между средой и основой, в случае нарушения сплошности которого (из-за трещин, царапин) коррозия будет идти в местах её нарушения. Во втором случае покрытие будет защищать металл основы (её ещё называют подложкой) даже в случае нарушения своей сплошности.
   Чтобы определить, какую защиту может обеспечить покрытие, надо узнать, где в ряду напряжений покрывающий металл расположен относительно покрываемого. Если говорить химическим языком, надо сравнить величины электродных потенциалов покрываемого и покрывающего металлов.

Ряд напряжений металлов. Источник: кликнуть.

   Если покрывающий металл (т.е. металл покрытия) в ряду напряжений левее покрываемого, то он может обеспечить электрохимическую защиту, в противном случае, т.е. правее, - механическую.
   Приведённое выше правило имеет много исключений. Так, например, хром в электрохимическом ряду напряжений левее железа, однако защищает его преимущественно механически из-за наличия на своей поверхности инертной оксидной плёнки. Иными словами, в неблагоприятной окружающей среде он не будет разрушаться первым. Опять же, если подключить ещё чуть больше химии, то для окончательного решения этого вопроса надо рассмотреть возможность возникновения между покрытием и подложкой гальванического элемента, в котором покрытие было бы анодом.
   Классический пример покрытия, которое защищает подложку электрохимически - цинк на железе. Цинк защищает железо от коррозии теоретически до тех пор, пока он хоть в сколько-нибудь значимых количествах контактирует с его поверхностью. Другой пример - никель на меди. Но уже железо никелевое покрытие защищает лишь механически.

Коррозия металла. Оцинкованные гайки пострадали в меньшей степени. Источник: кликнуть.

   Ещё один пример покрытия, защищающего механически, - покрытие оловом, например, консервных банок (из-под тушёнки). Олово имеет более высокий электродный потенциал, чем железо, поэтому как только на покрытии возникают трещины, железо тут же начинает корродировать. Отсюда следует важный в практическом отношении вывод: покрытия, защищающие механически, должны быть как можно менее пористые. Если этого достичь нельзя, практикуют нанесение многослойных покрытий. Поры первого слоя не совпадают с порами выше лежащих слоёв, что повышает защитные свойства. Пример такого покрытия - двухслойное никелевое.

Двухслойное никелевое покрытие. Поры первого и второго слоёв покрытия не совпадают друг с другом. Для усиления защитных свойств этого покрытия второй слой никеля делают анодным по отношению к первому.

   Иногда в различных условиях покрытие может защищать подложку по-разному. Такое возможно, если металлы в ряду напряжений находятся недалеко друг от друга. Пример - кадмиевое покрытие на железе. В присутствии хлоридов и сульфатов кадмий является анодом по отношению к железу, т.е. защищает его электрохимически. В среде, содержащей углекислый газ, кадмий становится катодом, т.е. защищает железо лишь механически.
   Во-вторых, покрытия способно выполнять и иные функции, например, декоративные. Многие цинковые покрытия являются защитно-декоративными, так как не только украшают изделие, но и защищают его от коррозии.

Декоративное медное покрытие. Источник: кликнуть.

   Третья группа покрытий имеет в моей классификации название "технологические". Их основное назначение - придание детали или изделию каких-либо специфических свойств, например, светоотражающих, повышение (или понижение) коэффициента трения, износостойкости и т.д. Я сталкивался с медным технологическим покрытием. В моём цеху покрывали часть железной детали медью для защиты этой части от цементации - разновидности химико-термической обработки, в ходе которой поверхностный слой насыщается углеродом (для увеличения твёрдости, например). По меди цементация не идёт. После цементации деталь переносили в ванну размеднения, где технологическое покрытие благополучно снималось, и мягкий нецементованный слой в дальнейшем обрабатывался в механическом цеху без особых затруднений (если, конечно, медное покрытие в своей время было нанесено качественно).
   В дальнейшем речь пойдёт о защитных покрытиях.
   Покрытия можно наносить различными способами:
- гальванически, т.е. под действием тока;
- химически, т.е. когда покрытие образуется в ходе химической реакции без участия тока;
- "горячим" способом, т.е. окунанием подложки в расплавленный металл;
- напылением, в ходе которого металл переводится с помощью высокотемпературного нагрева в мельчайшие капельки, оседающие на положку;
- термодиффузионно, когда порошок покрывающего металла при повышенных температурах вводят в контакт с подложкой;
- механически, т.е. при длительном принудительном контакте трущихся подложки и порошка основы.
   "Горячим" способом, напылением, термодиффузионно можно наносит толстые покрытия, которые имеют длительный срок службы. Однако для мелких деталей такие способы по многим причинам проигрывают гальваническому и химическому способам. Например, "горячим" способом затруднительно зацинковать гайку - цинк закроет резьбу и деталь окажется нерабочей. Некоторые из термических способов невыгодны, если металл покрытия имеет высокую температуру плавления, - велики затраты энергии на его плавление. Наиболее распространённый способ нанесения покрытий, с которым мне и приходилось долгое время иметь дело, - гальванический.
   У гальванического способа нанесения покрытий есть один существенный недостаток. Гальванически можно наносить покрытия только на токопроводящие подложки. На диэлектрики (типа пластика, дерева) таким способом покрытие не нанесёшь. Как правило, диэлектрики металлизируют химически. С другой стороны, число металлов, которые можно нанести химически, ограничено.
   Из закона Фарадея следует прямо пропорциональная зависимость толщины гальванически наносимого покрытия от времени его нанесения, т.е. времени электролиза. На практике однако по многим причинам зависимость приобретает более сложный вид, т.е. пропорциональность остаётся, но уже не прямая. Таким образом, чем дольше деталь находится под током, тем более толстое покрытие на ней можно осадить.
   Защитные свойства покрытия увеличиваются с его толщиной лишь до определённого предела. Очень толстое гальваническое покрытие накапливает внутренние напряжения, которые часто приводят к нарушению его сплошности - в нём появляются трещины, что ухудшает его защитные свойства. Кроме того, экономически невыгодно осаждать толстое покрытие на деталях, которые будут работать в сравнительно мягких условиях.
   Существуют специальные таблицы, по которым можно определить, какой толщины следует выбрать покрытие для детали, эксплуатируемой в тех или иных в том числе и климатических условиях. Вот один из таких примеров для цинкового покрытия.

Источник: В.А. Ильин. Цинкование, кадмирование, оловянирование и свицевание. Л., 1983, с. 5.

   Кроме толщины и способа нанесения эксплуатационные свойства покрытия можно изменять, изменяя условия нанесения и/или состав электролита, из которого происходит его осаждение. Это ещё одно из преимуществ гальванического способа нанесения.
   Мне приходилось заниматься осаждением на сталь покрытия, которое имеет обозначение Х.тв.24. Это так называемое твёрдое хромовое покрытие толщиной 24 микрона, которое используется для увеличения твёрдости и износостойкости деталей. Осаждение таких блестящих покрытий, защитные свойства которых, как показывала практика, не очень велики, происходило в моём случае из стандартного электролита хромирования при температуре 50-60 °С. Частенько бывало, что гальваники не следили за техпроцессом и ванны перегревались. При 70 °С из стандартного электролита хромирования осаждается покрытие с другими свойствами, обозначаемое Х.мол., т.е. молочный хром. Молочный хром более пластичен, менее твёрд и износостоек, но зато и менее пористый и лучше защищает от коррозии.
   Если какие-то аспекты остались неосвещёнными, задавайте вопросы.

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)