Большое место среди металлообрабатывающих операций занимает нанесение на металлические детали различных покрытий. Покрытия применяют для защиты деталей источников света от коррозии, придания им декоративного вида, улучшения пайки и сварки, стойкости к действию ртути и т. д. Наиболее часто применяют никелирование, хромирование, цинкование и алюминирование деталей.
В любом случае качественное покрытие может быть получено только при условии тщательной очистки поверхности, правильного выбора металла для покрытия, метода его нанесения и строгого соблюдения режимов нанесения покрытия. Предварительная очистка деталей включает известные способы механической очистки, травление и обезгаживание. Непосредственно перед нанесением покрытий детали декапируют, т. е. производят их легкое травление в слабых растворах серной, соляной или азотной кислоты с целью удаления с поверхности детали тонкой окисной пленки.
Способность металла сопротивляться коррозии сильно зависит также от состояния его поверхности. Ряд таких металлов, как алюминий, хром, никель, несмотря на высокую активность, хорошо противостоят коррозии благодаря образованию на их поверхности тонких, прочных пленок. Металлические покрытия наносят гальваническим, химическим, горячим, диффузионным и металлизационными способами.
Самым распространенным является гальванический способ. Он основан на осаждении металлов при электролизе водных растворов солей в гальванических ваннах, где в качестве катодов служат покрываемые детали, а в качестве анодов — обычно металл, которым покрывается деталь. В процессе работы металл анода переходит в электролит в виде соли. Эта соль диссоциирует в электролите на ионы. Положительно заряженные ионы металла под действием постоянного электрического поля движутся к катоду — детали и осаждаются на нем в виде металлических частиц. Отрицательно заряженные ионы участвуют в растворении анода.
В некоторых случаях применяют нерастворимые аноды (например, при никелировании — из свинца). Расход солей в этом случае пополняется периодическим добавлением в ванну самих солей, а не растворением анода.
Гальванический процесс осуществляется в ваннах, изготовленных из материалов, стойких по отношению к соответствующему электролиту. Так, для щелочных электролитов чаще всего применяют стальные ванны, а для кислых электролитов — ванны, облицованные (футерованные) резиной, винипластом, керамикой.
В зависимости от размеров и формы обрабатываемых деталей, состава электролита и режимов обработки применяются гальванические ванны колокольного, барабанного или стационарного типа. Нанесение покрытий на проволоки часто производится путем их многоручьевой перемотки через систему стационарных ванн.
Недостатки гальванических покрытий — трудность получения равномерного по толщине покрытия на деталях сложного контура, пористость и невозможность нанесения на неметаллические детали.
Химический способ нанесения металлических покрытий основан на осаждении металла, восстанавливаемого из специальных растворов без применения электрического тока.
Горячий способ нанесения покрытий состоит в том, что подготовленную деталь погружают в ванну с расплавленным металлом, который смачивает деталь и остается на ней в виде тонкого слоя после извлечения детали из ванны. Разновидностью этого способа является протягивание проволоки через каплю расплавленного металла.
Диффузионным способом получают покрытия при совместном нагревании до высокой температуры деталей и порошка металла покрытия или деталей в парах летучих соединении металла покрытия, а иногда в парах самого металла покрытия.
Металлизационные методы покрытия основаны на нанесении металла на поверхность детали путем вакуумного или катодного распыления, а также расплавленного металла с помощью специального пульверизатора.
Никелирование.
Никелевые покрытия применяют в основном для защиты внешних деталей ламп от коррозии и придания им декоративного вида. После полирования никелевые покрытия надежно и долго служат даже в условиях тропического климата, с повышенной влажностью и температурой. Чаще всего никелируют детали из стали, меди и ее сплавов. Процесс никелирования ведется гальваническим методом.
В зависимости от назначения деталей, их размеров и формы, серийности производства и других факторов используют электролиты различного состава. Основой электролитов для никелирования являются хлористые соли никеля, калия, натрия или аммония. Всякие загрязнения электролитов, в особенности солями железа, приводят к резкому ухудшению качества покрытий.
Для уменьшения пористости покрытия никелирование проводят в несколько приемов. При этом происходит перекрытие пор. Пористость уменьшается также при увеличении толщины покрытия (покрытия толщиной 25—50 мкм практически беспористые).
Режимы никелирования могут сильно различаться: плотность тока 0,01—0,60 А(см2, температура электролита 20—70 °C, кислотность рН=2,0-5,5. Никелирование может быть матовое и блестящее. Электролиты матового никелирования создают покрытия, улучшающие смачиваемость поверхности многих металлов. Такие поверхности удобны для пайки, они обладают высокими защитными свойствами. Для придания им декоративных качеств их шлифуют и полируют.
Электролиты блестящего никелирования создают мелкозернистые плотные покрытия, почти не требующие дополнительной полировки. В составы для блестящего никелирования помимо хлористых солей вводят сернокислые соли никеля, блескообразователи, стабилизирующие, выравнивающие и некоторые другие добавки специального назначения.
Хромирование.
Хромовые покрытия обладают высокими твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения, стойки к действию ртути, прочно сцепляются с основным металлом, нагревостойки. Полированные хромовые покрытия обладают высокой отражающей способностью, не теряя ее со временем.
По назначению различают защитно-декоративное и твердое износостойкое хромирование. В соответствии с этим различаются и технологические процессы хромирования. Так, при защитно-декоративном хромировании широко используется нанесение подслоев из никеля, меди или их комбинации. Пресс-формы и другой инструмент с целью повышения его износостойкости обычно подвергают пористому хромированию. Такие поверхности лучше удерживают смазки. Процесс электролитического осаждения хрома значительно отличается от других процессов как по составу электролита, так и по режимам осаждения.
Электролиты для хромирования состоят в основном из веществ, содержащих хром в виде хромовой кислоты. Для повышения устойчивости хромовых электролитов в них добавляют сульфат стронция SrSO4 и кремнефтористый калий K2SiF6, имеющие ограниченную растворимость в электролите. Эти соли, находясь в небольшом избытке на дне ванны, при изменении концентрации хромового ангидрида автоматически поддерживают ее на прежнем уровне. Подобные электролиты называются саморегулирующими. Они не нуждаются в частой корректировке, менее чувствительны к изменениям температуры и, благодаря повышенному выходу по току, примерно в 1,5 раза производительнее обычных хромовых электролитов.
Для осаждения хрома обычно требуются более высокие плотности тока, чем при других покрытиях. При этом значительная часть тока расходуется на побочные процессы, в том числе на разложение воды и выделение теплоты.
Ванны хромирования оборудуются мощной вытяжной вентиляцией для удаления паров ядовитой хромовой кислоты.
Цинкование.
Для защиты поверхности внешних деталей источников света от коррозии в обычных атмосферных условиях широко используется цинкование. Чаще всего цинкуются стальные детали. Цинк является сравнительно активным металлом, он легко растворяется в кислотах, щелочах, нестоек к воздействию сернистых соединений и влажного углекислого газа.
Однако в обычных условиях окисная пленка на цинке достаточно надежно защищает металл от дальнейшего разрушения. Имея более отрицательный потенциал (—0,76 В), чем железо, цинковое покрытие по отношению к железу выступает анодом, поэтому в образующейся гальванической паре цинк — железо разрушению подвергается покрытие, а основной металл сохраняется.
Для цинкования часто используют электролит из нескольких солей, растворенных в воде. Основным компонентом электролита служит сернокислый цинк Ζη8Ο4·7Η2Ο, осаждающий на деталях металлический цинк. Вторым компонентом является сернокислый натрий NaSO4, повышающий электропроводность электролита и снижающий расход электрической энергии при цинковании. Третьим компонентом служит соль, поддерживающая кислотность электролита в требуемых пределах. В качестве такой соли применяют сернокислый алюминий A12(SO4)2 или алюминиевые квасцы KAl(SO4)2·12Н2О.
Режимы цинкования устанавливаются в зависимости от материала и размеров деталей, применяемых электролитов и назначения деталей. Толщина осажденного слоя цинка на детали в среднем составляет 5—25 мкм. Оцинкованные детали тщательно промывают водой и сушат. Иногда перед сушкой производят осветление покрытия путем кратковременного погружения деталей в раствор азотной кислоты с последующей повторной промывкой.
Алюминирование.
В электроламповом производстве часто на молибденовую проволоку для держателей газонаполненных ламп накаливания общего назначения наносят тонкую пленку алюминия· (1—2 мкм). При работе лампы алюминий выполняет роль газопоглотителя. Пленку наносят способом горячей металлизации, заключающимся в том, что предварительно отожженную и подогреваемую током молибденовую проволоку протягивают через каплю расплавленного алюминия. Схематическое устройство установки для осуществления этого процесса показано на рис. 2.10.
При снятом с установки колпаке производят заправку проволоки, пропуская ее через систему направляющих роликов и’отверстие в донышке графитового тигля. В графитовый тигель закладывают кусочки очищенного алюминия, закрепляют колпак и продувают рабочий объем водородом. После полного вытеснения воздуха из-под колпака зажигают водород, на выходе включают нагреватель, плавят алюминий и включают механизм протяжки проволоки.
Чистое, гладкое и равномерное по толщине покрытие получается при условиях, если исходная молибденовая проволока хорошо очищена, водород осушен, а скорость протяжки и температура расплавленного алюминия выбраны оптимальными.
Рис. 2.10. Установка алюминирования молибденовой проволоки:
1 — стол; 2 — механизм смотки; 3 — направляющие трубки; 4 — плита; 5 — держатель; 6, 13 —ролики; 7 — колпак; 8 — тигель; 9 — нагреватель; 10 — токовводы; 11 — асбоцементная пластина; 12 — токоведущая пластина; 14 — механизм намотки; 15 — счетчик; 16 — стойка
Методы контроля покрытий.
Обычно контролируют массу, толщину и прочность покрытия, а также его внешний вид.
Масса покрытия определяется путем взвешивания на точных весах деталей до и после покрытия. Для определения толщин гальванических покрытий наиболее часто применяют струйный или капельный метод — стравливание покрытия струей или каплями жидкости, растворяющей металл покрытия. Реже используются другие методы: непосредственное измерение толщины покрытия по месту надреза с помощью микроскопа, по привесу покрытия на детали с последующим пересчетом по значению плотности металла покрытия и площади, с помощью радиоактивных изотопов и др.
Прочность гальванических покрытий определяют нанесением с помощью лезвия взаимно пересекающихся царапин глубиной до основного металла или изгибом образца под углом 90° несколько раз до излома. Проволоки испытывают наматыванием 10—15 витков вокруг их собственного диаметра. Во всех этих случаях не должно быть отслаивания покрытий.
При контроле внешнего вида покрытий определяется их цвет, наличие тех или иных загрязнений, непокрытых участков, пятнистости, полос и т. п.