Металлическое покрытие: типы, преимущества и применение

Что такое металлическое покрытие (платирование)?

Металлическое покрытие — тонкий слой металла, нанесенный на поверхность материала. Это процесс покрытия поверхности, при котором металл осаждается на проводящую поверхность. Платирование практикуют сотни лет; критично для современных технологий.

Покрытие используют для декорирования, коррозионной защиты, улучшения паяемости, закалки, повышения износостойкости, снижения трения, улучшения адгезии красок, изменения проводимости, улучшения ИК-отражения, радиационной защиты и других целей. Ювелирка использует покрытие для серебряного или золотого финиша.

Тонкопленочное осаждение позволяет платировать объекты размером с атом — применение в нанотехнологиях.

Существует несколько методов платирования и множество вариаций. Один метод: твердая поверхность покрывается металлическим листом, затем тепло и давление сплавляют их. Другие методы: гальваническое покрытие, пароосаждение в вакууме, катарсисное осаждение. Недавно платирование часто относится к жидкостным методам. Металлизация — покрытие металлом неметаллических объектов.

Преимущества металлического покрытия

Металлическое покрытие дает множество преимуществ изделиям из металлов и других материалов. В основном через гальваническое покрытие (требует электрический ток) или бестоковое (автокаталитическое химическое). Эти техники, как и несколько других, дают одно или несколько преимуществ:

• Повышенная коррозионная стойкость
• Декоративная привлекательность
• Повышенная паяемость
• Повышенная твердость
• Сниженное трение
• Измененная проводимость
• Улучшенная адгезия красок
• Осаждение материала
• Повышенный магнетизм

Типы металлического покрытия

Много разных типов:

1. Гальваническое покрытие (Electroplating)
2. Бестоковое покрытие (Electroless Plating)
3. Погруженческое покрытие (Immersion Plating)
4. Цементация/Карбуризация (Carburizing)
5. Физическое пароосаждение (PVD)
6. Плазменное напыление (Plasma Spray Coating)

1. Гальваническое покрытие

Наиболее 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 металлические частицы оседают на поверхности. Гальваническое покрытие дает гладкое, равномерное, быстрое покрытие, эффективно меняя поверхность материала.

В гальванике несколько этапов: очистка, заточка (strike), электрохимическое осаждение, импульсная гальваника, щеточная гальваника.

Эффекты:

Гальваника для защитного покрытия, декоративного вида или изменения свойств материала для инженерии. Улучшает химические, физические, механические свойства заготовки, влияя на поведение при обработке.

Покрытие может нарастить деталь от меньшего размера, облегчить обработку, повысить паяемость, проводимость, отражательность.

2. Бестоковое покрытие

Название — не использует внешнюю электрическую энергию. Включает химическую реакцию, индуцирующую восстановление атомов металла.

Иными словами, раствор ионов металла при смешивании с восстановителем превращается в твердый металл при контакте с катализирующим металлом (запускающим реакцию). Результат — металл покрыт твердым слоем платирующего металла.

Эффекты:

Бестоковое/автокаталитическое покрытие подходит для разнообразных размеров и форм, не требует внешнего электричества или ванн, снижая затраты. Однако медленнее, не дает толстых покрытий, сложнее контролировать, чем гальваника.

Самый частый автокаталитический метод — бестоковое никелирование. Но серебро, золото, медь тоже применяются этой техникой.

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

3. Погруженческое покрытие

Погружение одного металла в раствор ионов более благородного металла. Ионы благородного металла стабильнее, естественное "притяжение" вытесняет ионы менее благородного металла с тонким слоем ионов благородного металла.

Погруженческое покрытие медленнее, только для менее благородных металлов с благородными. Благородные металлы — химически инертные. Например, золото, платина, серебро.

Эффекты:

Погруженческое покрытие дает только тонкое покрытие, после чего процесс останавливается. Кажется худшей адгезией — покрытие не «липает» так прочно к базовому металлу.

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

4. Карбуризация (цементация)

Также известна как закалка корпуса. Термическая обработка, дающая износостойкую поверхность с сохранением прочности ядра. Обычно для низкоуглеродистой стали после обработки, а также высоколегированные шестерни, подшипники.

Карбуризация подходит для сложных форм дешевых материалов, легко обрабатываемых для очень твердой поверхности. Процесс: нагрев детали в купельной или герметичной печи.

Затем вводят карбуризующие газы (обычно CO, но также цианид натрия и карбонат бария) при температуре, глубина диффузии углерода зависит от тепла и температуры. Деталь затем медленно охлаждают для закалки или сразу закаляют в масле.

5. Физическое пароосаждение (PVD)

Семейство процессов покрытия, где тонкие пленки оседают на подложке. 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. Результат — экстремально прочная связь покрытия с металлической деталью.

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

Идеально для широкого применения:

• Авиакосмическая
• Автопром
• Ржущий инструмент
• Медицина
• Огнестрельное оружие
• Оптика
• Тонкие пленки: тонировка окон, пищевая упаковка

6. Плазменное напыление

Один из менее известных типов металлического покрытия. В этом процессе, также термическое напыление, расплавленный или размоленный термически 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 на структурных материалах, для защиты от очень высоких температур, например в управлении теплом выхлопа. Также дает коррозионную и износовую стойкость. Покрытие может менять внешний вид и электрические свойства детали.

Металлы, используемые в покрытии

Цинковое покрытие

Цинк — недорогой материал для гальванического покрытия многих металлических подложек. Помимо гальваники, применяется шерардизацией, погружением в расплав, напылением.

В электролитическом (холодном) процессе деталь — катод в электролитической ванне растворимых солей цинка с анодом из металлического цинка. Процесс дает высокопластичное покрытие чистого цинка с точно контролируемой толщиной и однородностью.

Шерардизация для мелкой фурнитуры: винты, гвозди. Загрузка в бочку с цинковой пылью, нагрев ~260 °C (500 °F). Детали качаются в бочке, покрытие ~90% цинк, 10% железо.

Расплавленный цинк также погружением или ручным покрытием крупных деталей. Иногда добавляют мало алюминия в ванну для текучести и покрытия сложных форм.

Небольшой процент олова в ванне помогает равномерному покрытию и улучшенному финишу. Горячее погружение дает слой цинк-железо у базового металла — может быть хрупким и влиять на адгезию внешних слоев.

Металлонижение (металлическое напыление) использует пламя для плавления металлических порошков/проволоки и напыления на подложку, образуя механическую связь покрытия с базовым металлом. Поверхность базового металла должна быть шершавой для механической связи, но можно наносить толстые покрытия.

Покрытия могут быть пористыми, но так как цинк аноден к железу и стали, это не влияет на коррозионную защиту. Пористость также улучшает адгезию краски.

Кадмиевое покрытие

Кадмиевое покрытие когда-то заменяло цинк на автодеталях. Авиапром специфицировал его за жертвенную защиту и естественную смазку для часто демонтируемых компонентов.

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

Хромовое покрытие

Хром часто служит декоративной цели, но повышает коррозионную стойкость и твердость — полезно для промышленных применений, где важен износ. Называется твердым хромом, иногда восстанавливает допуски изношенных деталей.

Хром чаще всего наносится на никель при производстве стальной мебели, автообвеса. Никель обычно на меди, комбинация трех слоев защищает базовый металл от коррозии исключением воздуха и влаги — нет анодного действия. Покрытие должно быть качественно нанесено для коррозионной защиты.

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

Хроматы иногда наносят на цинковое покрытие для защиты цинка и изменения цвета — например, зеленое или черное цинковое покрытие.

Никелевое покрытие

Никель — популярный платирующий металл, особенно для бестокового покрытия. Часто покрывает бытовые изделия: ручки дверей, столовые приборы, душевые арматуры для декора и износостойкости.

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

В бестоковом покрытии используется никель-фосфорный сплав. Фосфор 2–14%. Больше фосфера — выше твердость и коррозионная стойкость. Меньше — выше паяемость и магнетизм.

Медное покрытие

Медь — популярный платирующий металл для применений с высокой проводимостью и стоимостной эффективностью. Часто служит страйк-покрытием (предварительным) для последующих металлических покрытий.

Популярен для электроники: печатные платы. Высокая эффективность и низкая стоимость материала — медь один из менее дорогих металлов для платирования.

Три типа медного покрытия: щелочное, слабощелочное, кислотное. Выше щелочность — выше разбросающая способность, но ниже плотность тока и выше меры безопасности. Инспекторы здоровья связывали цианид в щелочных медных ваннах с рисками — важно контролировать уровни.

Золотое покрытие

Золото ценится за высокую стойкость к окислению и электрическую проводимость. Золочение, отличающееся от позлачивания (золото не фольга) — простой способ придать эти свойства меди и серебру. Часто для ювелирки и улучшения проводимости электроники: электрические разъемы.

При золочении меди потемнение — проблема, решаемая предварительным никелевым страйком. Учитывайте твердость и чистоту золота для оптимальной смеси ванны и длительности погружения.

Серебряное покрытие

Как золото, серебро для декора и улучшения электрической проводимости. В целом серебро более стоимоэффективно — дешевле золота, хорошо покрывает медь.

Проблемы, ограничивающие серебряное покрытие: влажность и гальваническая коррозия. Конкретно, серебро не подходит для высокой влажности — склонно к трещинам и отслаиванию, что может раскрыть базовую подложку.

Оловянное покрытие

Оловянная сталь давно для упаковки продуктов и напитков. Помимо коррозионной стойкости, олово нетоксично, покрытие помогает стали формироваться (смазка олово) и хорошо паяется/сваривается.

Пассивация покрывает оловянный лист пищевым маслом, улучшает адгезию лаков. Оловянные листы могут иметь разную толщину олова на гранях для внутренней и внешней сред.

Олово также в других упаковках: банки для красок, смазок. Почти всегда горячим погружением. Также в электроникке.

Другой оловяной сплав — тернплейт (terneplate), традиционно олово-свинцовый сплав как коррозионный ингибитор на стали. Покрашенное, служит 90 лет при уходе — идеально для оловянных крыш.

Сейчас свинец убран, олово наносится на нержавейку для коррозионно-стойкой кровли с размягченной патиной. Служит в 2 раза дольше медной кровли.

Родиевое покрытие

Родий — платина, дающая стойкость к потемнению, царапинам, блестящий белый блеск. Родиевое покрытие в ювелирке, особенно когда белое золото требует покрытия. Серебро, платина, медь — популярные базы для родия.

Минус: защитный барьер родия со временем стирается при высоком износе. В итоге — потемнение, вероятно потребуется повторное покрытие через несколько лет.