Металлическое покрытие: типы, преимущества и применение

Что такое металлическое покрытие (поковка)?

Металлическое покрытие — тонкий слой металла, нанесенный на поверхность материала. Это процесс напыления, при котором металл осаждается на проводящую поверхность. Поковка практикуется сотни лет; критически важна для современных технологий.

Покрытие используется для декорирования, коррозионной защиты, улучшения паяемости, закалки, повышения износостойкости, снижения трения, улучшения адгезии краски, изменения проводимости, улучшения ИК-отражательности, радиационной защиты и других целей. Ювелирка обычно использует поковку для серебряного или золотого финиша.

Тонкопленочное осаждение дает покрытые объекты размером с атом — поковка применяется в нанотехнологиях.

Существует несколько методов покрытия и множество вариаций. Один метод: твердая поверхность покрывается металлическим листом, затем применяются тепло и давление для сплавления. Другие методы: гальваническое покрытие, паровое осаждение в вакууме, спуттеринг. Недавно поковка часто относится к жидкостным методам. Металлизация — покрытие металлом неметаллических объектов.

Преимущества металлического покрытия

Металлическое покрытие дает множество преимуществ изделиям из металла и других материалов. В основном достигается через гальваническое покрытие (требует электрический ток) или безтокавое покрытие (автокаталитическая химическая реакция). Эти методы и некоторые другие дают одно или несколько преимуществ:

• Повышенная коррозионная стойкость
• Декоративная привлекательность
• Повышенная паяемость
• Повышенная твердость
• Снижение трения
• Изменение проводимости
• Улучшенная адгезия краски
• Осаждение материала
• Повышение магнитности

Типы металлического покрытия

Много различных типов покрытия:

1. Гальваническое покрытие (Electroplating)
2. Безтокавое покрытие (Electroless Plating)
3. Погружение (Immersion Plating)
4. Цементация/Карборирование (Carburizing)
5. Физическое паровое осаждение (Physical Vapor Deposition — PVD)
6. Плазменное напыление (Plasma Spray Coating)

1. Гальваническое покрытие (Electroplating)

Самый распространенный метод. Использует электрический ток для растворения положительно заряженных ионов металла в химическом растворе. Положительно заряженные ионы притягиваются к материалу для покрытия — отрицательно заряженной стороне цепи.

Деталь помещается в раствор, растворенные частицы металла оседают на поверхности. Гальваническое покрытие дает гладкое, равномерное и быстрое покрытие, эффективно меняя поверхность материала.

Включает этапы: очистка, страйкинг (striking), электрохимическое осаждение, импульсное гальванирование, кистевое гальванирование.

Эффекты:

Гальваническое покрытие дает защитное покрытие, декоративный вид или меняет свойства материала для инженерии. Улучшает химические, физические, механические свойства заготовки, влияя на ее поведение при обработке.

Покрытие может наращивать деталь от меньшего размера, облегчать обработку, повышать паяемость, проводимость, отражательность.

2. Безтокавое покрытие (Electroless Plating)

Названо так, потому что не использует внешнюю электрическую энергию. Включает химическую реакцию, индуцирующую восстановление атомов металла.

Иными словами, раствор ионов металла при смешении с восстановителем превращается в твердый металл при контакте с катализирующим металлом (запускающим реакцию). Результат — деталь покрыта твердым слоем металла покрытия.

Эффекты:

Безтокавое/автокаталитическое покрытие подходит для разнообразных размеров и форм, не требует внешнего электричества или ванн — снижает затраты. Но медленнее, не дает толстых покрытий, сложнее контролировать, чем гальваническое.

Самый частый метод — безтокавое никелирование. Серебро, золото, медь тоже применяются этой техникой.

Эффекты на конечный продукт: защита базового металла от коррозии, увеличение размера заготовки, изменение паяемости, отражательности, проводимости.

3. Покрытие погружением (Immersion Plating)

Погружение одного металла в раствор ионов более благородного металла. Ионы благородного металла более стабильны, поэтому естественное «притяжение» к вытеснению ионов менее благородного металла тонким слоем ионов благородного.

Медленный процесс, только для покрытия менее благородных металлов более благородными. Благородные металлы — химически инертные. Например, золото, платина, серебро.

Эффекты:

Дает только тонкое покрытие, после чего процесс останавливается. Качество адгезии ниже — покрытие менее прочно «прилипает» к базовому металлу.

Эффекты на изделие: улучшенная коррозионная стойкость, измененная электропроводность, измененный внешний вид, большая твердость, допуск крутящего момента, измененные способности к связыванию.

4. Карборирование (Carburizing)

Также известное как закалка поверхности (case hardening) — термическая обработка, дающая износостойкую поверхность с сохранением прочности ядра. Обычно к низкоуглеродистой стали после обработки, а также высоколегированным шестерням, подшипникам.

Подходит для сложных форм дешевых материалов, легко обрабатываемых для очень твердой поверхности. Процесс: нагрев детали в печи типа «pit» или герметичной атмосферной печи.

Затем вводят карборирующие газы (обычно CO, но также NaCN и BaCO₃) при температуре, глубина диффузии углерода зависит от температуры и времени. Деталь либо медленно охлаждают для последующей закалки, либо сразу закаляют в масле.

5. Физическое паровое осаждение (PVD)

Семейство процессов покрытия, где тонкие пленки осаждаются на подложку. В PVD твердый покрывающий материал (титан, хром, алюминий) испаряется теплом или ионной бомбардировкой.

В процессе вводят реактивный газ (азот), образующий соединение с металлическим паром и оседающий на поверхности металла в виде очень тонкого покрытия. Очень сильная связь покрытия с металлом.

Преимущества PVD: очень твердая и коррозионно-стойкая поверхность, высокотемпературная стойкость, хорошая ударная вязкость.

Идеально для широкого круга применений:

• Авиакосмическая
• Автомобильная
• Режущие инструменты
• Медицинская
• Огнестрельное оружие
• Оптика
• Тонкие пленки: тонировка окон, пищевая упаковка

6. Плазменное напыление (Plasma Spray Coating)

Один из менее известных типов металлического покрытия. В этом процессе, также называемом термическим напылением, расплавленный или размягченный теплом материал распыляется на поверхность для покрытия.

Покрывающий материал впрыскивается в плазменное пламя очень высокой температуры (до 10 000 К), быстро нагревается и разгоняется к высокой скорости на поверхность детали и быстро остывает, образуя покрытие.

Процесс дает покрытие, обычно структурным материалам, для защиты от очень высоких температур (например, управление теплом выхлопа). Также дает коррозионную и износовую стойкость. Покрытие может менять внешний вид и электрические свойства детали.

Металлы, используемые в покрытии

Цинковое покрытие (Zinc Plating)

Цинк — недорогой материал для цинкового (гальванического) покрытия многих металлических подложек. Помимо гальваники, применяется процесс Шерардизации, погружение в расплавленный цинк и распыление.

В электролитическом (холодном) процессе деталь — катод в электролитической ванне с растворимыми солями цинка и анодом из металлического цинка. Дает высокопластичное покрытие чистого цинка с точно контролируемой толщиной и равномерностью.

Процесс Шерардизации для мелкой фурнитуры (винты, гвозди). Детали в барабане с цинковой пылью, нагрев ~500 °F (260 °C). Барабан вращается, покрытие ~90% цинк, 10% железо.

Расплавленный цинк — погружением или ручным покрытием крупных изделий. Иногда добавляют немного алюминия для текучести и покрытия сложных форм.

Небольшой процент олова в ванне дает равномерное покрытие и лучший финиш. Горячее погружение дает слой цинк-железного сплава у базового металла — может быть хрупким, влиять на адгезию внешних слоев.

Металлическое распыление (металлизация) — пламя плавит металлические порошки/проволоку, налетает на подложку, механическая связь покрытия с базой. Поверхность базы должна быть шершавой для механического сцепления, но можно наносить толстые покрытия.

Покрытия могут быть пористыми, но так как цинк анодичен к железу и стали, это не влияет на коррозионную защиту. Пористость помогает удерживать краску.

Кадмиевое покрытие (Cadmium Plating)

Раньше использовалось как замена цинку, часто на автодеталях. Авиапром указывал его за жертвенную защиту и естественную смазчивость для часто снимаемых и устанавливаемых компонентов.

Особенно подходило для морской среды — устойчиво к пресной и соленой воде. Из-за проблем безопасности применение снизилось, но доступно. Многие авиапроизводители перешли на цинк-никелевые сплавы.

Хромовое покрытие (Chrome Plating)

Часто служит декоративной цели, но также повышает коррозионную стойкость и твердость — полезно в промышленности, где важна износостойкость. Называется хард-хром (hard chrome plating), иногда восстанавливает допуски изношенных деталей.

Хром часто наносится на никель при производстве стальной мебели, автообтекателей. Никель обычно на мед, комбинация трех слоев защищает базовый металл от коррозии только исключением воздуха и влаги — нет анодического действия. Покрытие должно быть правильно нанесено для коррозионной защиты.

Хромирование — гальванический процесс, чаще всего с хромовой кислотой (шестивалентный хром). Тривалентные хромовые ванны (сульфат хрома или хлорид хрома) — вариант для промышленности.

Хроматирование иногда наносят на цинковое покрытие для защиты цинка и иногда изменения цвета (зеленый или черный цинк).

Никелевое покрытие (Nickel Plating)

Никель — популярный металл для покрытия, особенно полезен в безтокавом покрытии. Часто покрывает бытовые изделия: ручки дверей, столовые приборы, душевые арматуры — для декора и износостойкости.

Никель хорошо связывается с медью и алюминием, работает на широком спектре металлов, служит подложкой для хрома.

В безтокавом покрытии используется никель-фосфорный сплав. % фосфора 2–14%. Выше фосфор — выше твердость и коррозионная стойкость. Ниже фосфор — выше паяемость и магнитность.

Медное покрытие (Copper Plating)

Медь — популярна для применений, требующих высокую проводимость и стоимостную эффективность. Часто служит страйкинг-подложкой (strike coating) для последующих металлических покрытий.

Популярна для электроники — печатные платы. Высокая эффективность осаждения и низкая стоимость материала делают медь одной из дешевых для покрытия.

Три типа медного покрытия: щелочной, слабощелочной, кислотный. Выще щелочность — лучшая бросовая способность (throwing power), но ниже плотность тока и выше меры безопасности. ЦИАНИД в щелочных медных ваннах связан с рисками здоровья — нужно контролировать уровни.

Золотое покрытие (Gold Plating)

Золото ценится за высокую стойкость к окислению и электропроводность. Золочение (отличается от позолотирования фольгой тем, что золото не фольга) — простой способ передать эти свойства металлам (медь, серебро). Для ювелирки и повышения проводимости электроники (электрические коннекторы).

При золочении меди окисление — проблема, решается никелевым страйкингом перед осаждением. Учитывайте твердость и чистоту золота для оптимальной смеси ванны и времени погружения.

Серебряное покрытие (Silver Plating)

Как золото — для декора и повышения электропроводности. В целом, серебро — более стоимоэффективное решение, дешевле золота и хорошо покрывает медь.

Проблемы, ограничивающие серебряное покрытие: влажность и 갈ваническая коррозия. Серебро не подходит для высокой влажности — склонно к трещинам и отслаиванию, рано или поздно раскрывая базу.

Оловянное покрытие (Tin Plating)

Оловянная сталь давно для упаковки еды и напитков. Помимо коррозионной защиты, олово нетоксично, дает покрытие, помогающее стали легко формироваться (смазчивость олова) и легко паяться/свариваться.

Пассивация покрывает олово пищевым маслом — улучшает адгезию лаков. Листы оловянной стали могут иметь разную толщину олова на гранях для внутренней и внешней сред.

Оловянная сталь в другой упаковке — банки для краски, смазки. Почти всегда горячее погружение. Оловянное покрытие в электронике.

Другое оловяное покрытие — тернеплейт (terneplate), традиционно оловянно-свинцовый сплав как коррозионный ингибитор над сталью. Покрашенное, при уходе служит 90 лет — идеально для оловянных крыш.

Сейчас свинец убран, олово на нержавейку — коррозионно-стойкая кровель, развивающая благородную патину. Служит в 2 раза дольше медной кровли.

Родиевое покрытие (Rhodium Plating)

Родий — вид платины, дает стойкость к потемнению, к царапинам, блестящий белый блеск. Популярно в ювелирке, особенно когда белое золото требует покрытия. Серебро, платина, медь — популярные базы для родия.

Недостаток: защитный барьер родия со временем стирается при высоком износе. Ведит к потере цвета, потребует повторного покрытия через несколько лет.