Покрытие

Покрытие - это покрытие поверхности, при котором металл нанесен на проводящую поверхность. Покрытие производилось сотни лет; это также очень важно для современных технологий. Покрытие используется для украшения объектов, для предотвращения коррозии, для улучшения паяемости, для затвердевания, для улучшения износостойкости, для уменьшения трения, для улучшения адгезии краски, для изменения проводимости, для улучшения отражательной способности ИК-излучения, для защиты от излучения и для других целей. В ювелирных изделиях обычно используется покрытие, чтобы придать им серебряный или золотой оттенок.

Нанесение тонких пленок позволило покрыть объекты размером с атом ^[1], поэтому покрытие находит применение в нанотехнологиях .

Есть несколько способов нанесения покрытия и множество вариаций. В одном методе твердую поверхность покрывают металлическим листом, а затем прикладывают тепло и давление для их плавления (версия этого - пластина Шеффилда ). Другие методы нанесения покрытия включают гальваническое покрытие , осаждение из паровой фазы в вакууме и напыление . В последнее время под гальваникой часто подразумевают использование жидкостей. Металлизация относится к нанесению металлического покрытия на неметаллические объекты.

Гальваника [ править ]

При гальванике ионный металл снабжается электронами, чтобы сформировать неионное покрытие на подложке . Обычная система включает химический раствор с ионной формой металла, анод (положительно заряженный), который может состоять из покрываемого металла ( растворимый анод) или нерастворимый анод (обычно углерод, платина, титан, свинец или сталь. ), и, наконец, катод (отрицательно заряженный), куда поступают электроны, образуя пленку из неионного металла.

Гальваническое покрытие [ править ]

Electroless обшивка, также известная как химическое или авто- каталитического покрытие, является не- гальванического метода покрытия , который включает в себя несколько одновременной реакцию в водном растворе , которые происходят без использования внешней электрической энергии. Реакция завершается, когда водород выделяется восстановителем, обычно гипофосфитом натрия (примечание: водород уходит в виде иона гидрида) или тиомочевиной , и окисляется, создавая отрицательный заряд на поверхности детали. Наиболее распространенным методом химического нанесения покрытия является химическое никелирование , хотя слои серебра, золота и меди также могут быть нанесены таким образом, как и в технике нанесения покрытия.золочение ангелочком .

Конкретные случаи [ править ]

Золотое покрытие [ править ]

Золотое покрытие - это метод нанесения тонкого слоя золота на поверхность стекла или металла, чаще всего меди или серебра.

Золотое покрытие часто используется в электронике, чтобы обеспечить коррозионно- стойкий электропроводящий слой на меди, обычно в электрических соединителях и печатных платах . При прямом нанесении покрытия золотом на медь атомы меди имеют тенденцию диффундировать через слой золота, вызывая потускнение его поверхности и образование слоя оксида / сульфида. Следовательно, слой подходящего барьерного металла , обычно никеля, должен быть нанесен на медную подложку, образуя сэндвич медь-никель-золото.

Металлы и стекло также могут быть покрыты золотом в декоративных целях с использованием ряда различных процессов, обычно называемых золочением .

Сапфиры, пластмассы и углеродное волокно - это некоторые другие материалы, на которые можно наносить покрытие с использованием передовых методов нанесения покрытия. Подложки, которые можно использовать, практически безграничны. ^[2]

Серебряное покрытие [ править ]

Этот раздел посвящен способу нанесения на объект тонкого слоя серебра. Для операции «Манхэттенский проект» см. Silverplate .

Серебряное покрытие использовалось с 18 века для создания более дешевых версий предметов домашнего обихода, которые в противном случае были бы сделаны из чистого серебра, включая столовые приборы , различные сосуды и подсвечники. В Великобритании пробирные отделения, а также торговцы и коллекционеры серебра используют термин «серебряная пластина» для изделий из чистого серебра, полученный задолго до изобретения серебряного покрытия от испанского слова для серебра «плата». Изъятие серебра с испанских кораблей, перевозящих серебро из Америки, было большой источник серебра в то время. Это может вызвать путаницу при разговоре о серебряных изделиях; пластина или гальваника. В Великобритании запрещено называть посеребренные предметы «серебряными». Называть посеребренные предметы «серебряной пластиной» не является незаконным, хотя это грамматически неверно, и этого следует избегать во избежание путаницы.

Самой ранней формой серебряного покрытия была пластина Шеффилда , где тонкие листы серебра сплавлены со слоем или сердцевиной основного металла, но в 19 веке были внедрены новые методы производства (включая гальваническое покрытие). Металл Британия - это сплав олова, сурьмы и меди, разработанный в качестве основного металла для покрытия серебром.

Другой метод, который можно использовать для нанесения тонкого слоя серебра на такие предметы, как стекло, - это поместить реактив Толленса в стакан, добавить глюкозу / декстрозу и встряхнуть бутылку, чтобы ускорить реакцию.

AgNO ₃ + KOH → AgOH + KNO ₃

AgOH + 2 NH ₃ → [Ag (NH ₃ ) ₂ ] ⁺ + [OH] ^- (Примечание: см. Реагент Толленса )

[Ag (NH ₃ ) ₂ ] ⁺ + [OH] ^- + альдегид (обычно глюкоза / декстроза) → Ag + 2 NH ₃ + H ₂ O

Для применения в электронике серебро иногда используется для покрытия меди, так как его электрическое сопротивление ниже (см. Удельное сопротивление различных материалов ); тем более на более высоких частотах из-за скин-эффекта . Переменные конденсаторы считаются самыми качественными, если они имеют посеребренные пластины. Точно так же посеребренные или даже сплошные серебряные кабели ценятся в аудиофильских приложениях; однако некоторые эксперты считают, что на практике покрытие часто применяется некачественно, в результате чего результат хуже, чем у медных кабелей с аналогичной ценой. ^[3]

Следует проявлять осторожность при работе с деталями, подвергающимися воздействию окружающей среды с высокой влажностью, поскольку в таких средах, когда слой серебра пористый или содержит трещины, нижележащая медь подвергается быстрой гальванической коррозии , отслаивая покрытие и обнажая саму медь; процесс, известный как красная чума . Посеребренная медь, хранящаяся в среде без влаги, не будет подвергаться коррозии такого типа.

Меднение [ править ]

Меднение - это процесс электролитического образования слоя меди на поверхности предмета.

Покрытие родием [ править ]

Покрытие родием иногда используется для белого золота, серебра или меди и их сплавов. Барьерный слой никеля обычно сначала наносится на серебро, хотя в этом случае он предназначен не для предотвращения миграции серебра через родий, а для предотвращения загрязнения родиевой ванны серебром и медью, которые слегка растворяются в серной кислоте, обычно присутствующей в состав ванны. ^[4]

Хромирование [ править ]

Хромирование представляет собой обработку отделки с использованием электролитического осаждения из хрома . Наиболее распространенной формой хромирования является тонкий декоративный блестящий хром , который обычно представляет собой слой толщиной 10 мкм поверх никелевой пластины. При нанесении покрытия на железо или сталь нижележащее покрытие из меди позволяет никелю прилипать. Поры (крошечные отверстия) в слоях никеля и хрома уменьшают напряжение, вызванное несоответствием теплового расширения, но также снижают коррозионную стойкость покрытия. Коррозионная стойкость зависит от так называемого пассивирующего слоя., который определяется химическим составом и обработкой и повреждается трещинами и порами. В особом случае микропоры могут помочь распределить электрохимический потенциал , ускоряющий гальваническую коррозию, между слоями никеля и хрома. В зависимости от области применения покрытия разной толщины потребуют разного баланса вышеупомянутых свойств. Тонкий яркий хром придает зеркальный вид таким предметам, как металлические рамы мебели и автомобильная отделка. Более толстые отложения, до 1000 мкм, называются твердым хромом и используются в промышленном оборудовании для уменьшения трения и износа.

Традиционный раствор, используемый для промышленного твердого хромирования, состоит из примерно 250 г / л CrO ₃ и примерно 2,5 г / л SO ₄ ^- . В растворе хром существует в виде хромовой кислоты, известной как шестивалентный хром . Сильный ток используется частично для стабилизации тонкого слоя хрома (+2) на поверхности металлического изделия. Кислотный хром имеет низкую метательную способность, мелкие детали или отверстия расположены дальше и получают меньший ток, что приводит к плохому покрытию.

Цинкование [ править ]

Цинковые покрытия предотвращают окисление защищаемого металла, образуя барьер и выступая в качестве расходуемого анода, если этот барьер поврежден. Оксид цинка представляет собой мелкую белую пыль, которая (в отличие от оксида железа ) не вызывает нарушения целостности поверхности подложки при ее формировании. Действительно, оксид цинка, если его не трогать, может действовать как барьер для дальнейшего окисления, подобно защите, обеспечиваемой алюминиевым и нержавеющим сталям за счет их оксидных слоев. Большинство деталей оборудования оцинкованы, а не кадмием . ^[5]

Цинк-никелирование [ править ]

Цинк-никель является одним из лучших доступных антикоррозийных покрытий, обеспечивающих более чем 5-кратную защиту по сравнению с обычным цинкованием и до 1500 часов испытаний в нейтральном солевом тумане. Это покрытие представляет собой комбинацию цинк-никелевого сплава с высоким содержанием никеля (10–15% никеля) и некоторых разновидностей хромата. Наиболее распространенные смешанные хроматы включают шестивалентный радужный, трехвалентный или черный трехвалентный хромат. Это кислотное покрытие, используемое для защиты стали, чугуна, латуни, меди и других материалов, является экологически безопасным вариантом. ^[6] Шестивалентный хромат был классифицирован EPA и OSHA как канцероген для человека. ^{[7] [8]}

Лужение [ править ]

Олова процесс -plating широко используется для защиты как черных и цветных поверхностей. Олово - полезный металл для пищевой промышленности, поскольку он нетоксичен, пластичен и устойчив к коррозии. Превосходная пластичность олова позволяет формовать листу основного металла с оловянным покрытием различные формы без повреждения поверхностного слоя олова. Он обеспечивает жертвенную защиту меди, никеля и других цветных металлов, но не стали .

Олово также широко используется в электронной промышленности из-за его способности защищать основной металл от окисления, тем самым сохраняя его способность к пайке. В электронных устройствах можно добавлять от 3% до 7% свинца для улучшения паяемости и предотвращения роста металлических «усов» в отложениях под напряжением сжатия, которые в противном случае могли бы вызвать короткое замыкание. Однако правила RoHS (ограничение содержания опасных веществ), принятые с 2006 года, требуют, чтобы свинец не добавлялся намеренно и максимальный процент не превышал 1%. Были выпущены некоторые исключения из требований RoHS в критических электронных приложениях из-за отказов, которые, как известно, произошли в результате образования нитевидных кристаллов олова.

Покрытие из сплава [ править ]

В некоторых случаях желательно совместное осаждение двух или более металлов, что приводит к нанесению гальванического покрытия сплава. В зависимости от системы сплава гальванический сплав может быть упрочнен твердым раствором или дисперсионным упрочнением путем термообработки для улучшения физических и химических свойств покрытия. Никель-кобальт - это распространенный сплав с гальваническим покрытием.

Композитная обшивка [ править ]

Покрытие из композиционного материала с металлической матрицей можно получить, когда подложку наносят в ванну, содержащую суспензию керамических частиц. Тщательный выбор размера и состава частиц позволяет точно настроить отложение по износостойкости, высокотемпературным характеристикам или механической прочности. Карбид вольфрама , карбид кремния , карбид хрома и оксид алюминия (глинозем) , как правило , используется в составной гальваностегии.

Кадмиевое покрытие [ править ]

Кадмиевое покрытие находится под пристальным вниманием из-за токсичности металлического кадмия для окружающей среды . Кадмирование широко используется в некоторых приложениях в аэрокосмической, военной и авиационной областях. Однако его использование постепенно прекращается из-за его токсичности. ^[9]

Кадмиевое покрытие (или покрытие кадмием ) предлагает длинный список технических преимуществ, таких как отличная коррозионная стойкость даже при относительно небольшой толщине и в солевой атмосфере, мягкость и пластичность , отсутствие липких и / или объемных продуктов коррозии, гальваническая совместимость с алюминием, свобода действий. от прерывистого скольжения, что обеспечивает надежное затягивание резьбы с покрытием, может быть окрашен в разные цвета и прозрачен, обладает хорошими смазывающими свойствами и способностью к пайке, а также хорошо подходит как для окончательной отделки, так и в качестве основы для краски. ^{[5] [10]}

Если забота об окружающей среде имеет значение, в большинстве случаев кадмиевое покрытие может быть напрямую заменено золотым, поскольку оно обладает большинством свойств материала, но золото стоит дороже и не может служить основой для краски.

Никелирование [ править ]

Эта статья противоречит статье « Гальваника никеля» . См. Обсуждение на связанной странице обсуждения . ( Октябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Химическая реакция для никелирования: ^{[ необходима цитата ]}

На катоде: Ni → Ni ²⁺ + 2 e ^-

На аноде: H ₂ PO ₂ + H ₂ O → H ₂ PO ₃ + 2 H ⁺

По сравнению с кадмиевым покрытием, никелирование обеспечивает более блестящую и твердую поверхность, но более низкую коррозионную стойкость, смазывающую способность и пластичность, что приводит к тенденции к растрескиванию или отслаиванию изделия при дальнейшей обработке. ^[5]

Электрохимическое никелирование [ править ]

Эта статья противоречит статье « Химическое никелирование» . См. Обсуждение на связанной странице обсуждения . ( Июнь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Химическое никелирование, также известный как enickel и NiP , имеет много преимуществ: толщина однородного слоя над наиболее сложными поверхностями, прямая металлизацией из черных металлов (стал), высоким износ и стойкость к коррозии по сравнению с гальваническим никелем или хромом. Большая часть хромирования, применяемого в аэрокосмической промышленности, может быть заменена химическим никелированием, опять же, это связано с экологическими издержками, затратами на утилизацию отходов шестивалентного хрома и печально известной тенденцией неравномерного распределения тока в пользу химического никелирования. ^[11]

Нанесение покрытия на никелирование методом химического восстановления является самокатализирующимся процессом, в результате чего слой никеля представляет собой соединение NiP с содержанием фосфора 7–11%. Свойства получаемого слоя - твердость и износостойкость - сильно меняются в зависимости от состава ванны и температуры осаждения, которые следует регулировать с точностью до 1 ° C, обычно при 91 ° C.

Во время циркуляции ванны любые частицы в ней также будут никелироваться; этот эффект используется с преимуществом в процессах, в которых покрытие наносится с использованием таких частиц, как карбид кремния (SiC) или политетрафторэтилен (ПТФЭ). Несмотря на то, что он превосходит многие другие способы нанесения покрытия, он дорог, поскольку процесс сложен. Причем процесс длительный даже для тонких слоев. Когда важна только коррозионная стойкость или обработка поверхности, не требуется очень строгий контроль состава ванны и температуры, и этот процесс используется для одновременного нанесения покрытия на несколько тонн в одной ванне.

Известно, что слои покрытия, нанесенного методом химического никелирования, при правильном нанесении обеспечивают исключительную адгезию к поверхности. Никелирование без химического восстановления немагнитно и аморфно. Слои покрытия, нанесенного методом химического никелирования, нелегко припаять, и они не схватываются с другими металлами или другой обработанной никелированной поверхностью под давлением. Этот эффект приносит пользу никелированным винтам, изготовленным из податливых материалов, таких как титан. Электрическое сопротивление выше по сравнению с металлическим покрытием.

См. Также [ править ]

• Анодирование
• Корпусная ячейка
• Механическое покрытие
• Органическая паяемость Консервантное покрытие
• Федерация материаловедения и инженерии

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Энциклопедия электрохимии
• Новая технология нанокерамического покрытия обеспечивает цинкование, полностью свободное от ионов хрома и тяжелых металлов.