Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали



Дата09.01.2018
Размер96.94 Kb.

Метални покрития /



Защитни свойства на металните покрития.

Електрохимично отлагане на метали.

Отлагане на покрития от мед, никел, злато и сребро.


  1. Класификация на металните покрития:

а) според целите :

- защитно-декоративни – Zn, Cd, Sn, блестящ Ni, блестящ и сатенен Cr;

- функционални – по-добра спояемост – Sn

- по-добра проводимост – Cu, Ag, Au;

- по-ниско преходно съпротивление – Pd;

- по-висока износоустойчивост – Cr, Ni;

- светопоглъщане – Ni – тип сатен и велур; черен Ni,Cr,Zn;

- антифрикционни свойства – Pb, In;

- магнитни свойства – химичен Ni и Co;

- висока температурна устойчивост – W.

б) от електрохимична гледна точка :

- анодни – с по-отрицателен потенциал от този на подложката;

- катодни – с по-положителен потенциал от този на подложката.


  1. Механизъм на защита на металните покрития

В зависимост от потенциала на покритието спрямо този на защитавания метал, защитния механизъм на металните покрития се различава (механична изолация или електрохимична защита), а самите покрития могат да се разделят на :

  • катодни – при дадените условия те имат по-положителен потенциал, от колкото защитавания метал (покритието е по-слаб редуктор). Например Cu, Ni, Cr, Ag, Au върху въглеродна стомана.

Катодните покрития защитават метала механично, като го изолират от корозионната среда. Поради тази причина те трябва да бъдат безпорести. В противен случай, при наличието на дефекти (пори или пукнатини в покритието), откритите участъци от основния метал ще бъдат подложени на ускорено разтваряне (анодни участъци в корозионния галваничен елемент), докато покритието ще играе роля на катод (върху него ще се извършва катодната реакция на вещество от околната среда). За осигуряване на плътността и липса на пори в катодните покрития, те се нанасят на два или три отделни слоя.

В някои много редки случаи, когато основния метал е склонен към пасивност, катодното покритие може да осигури и електрохимична анодна защита, подпомагайки настъпването на анодна пасивност.




(a) катодно покритие (б) анодно покритие

Фиг. 1. Корозия при наличие на покритие с по-положителен (a) и с по-отрицателен (б) потенциал в сравнение с потенциала на защитавания метал .


  • анодни – тези които имат по-отрицателен потенциал спрямо този на защитаваната метална основа (покритието е по-добър редуктор, т.е. от по-активен метал).

Анодните покрития защитават главно електрохимично (протекторно).

В дефекти на покритието (пори, драскотини), откритите участъци от основния метал са катодни и не се разрушават, докато покритието е аноден участък на така образувания корозионен елемент и се разрушава, т.е. ще поеме корозията (разтварянето) върху себе си. В този случай за защита е необходимо наличието на достатъчна дебелина на покритието, докато пористостта им не е от съществено значение. Все пак едно безпоресто анодно покритие би издържало многократно по-дълго време, тъй като то ще кородира според своята устойчивост в средата, а няма да се разтваря принудително като анод от ГЕ.

Полярността на покритието зависи не само от природата на двата метала, но и от външните условия. Например калаят е катодно покритие по отношение на стомана във вода и водни разтвори и анодно – в органични киселини и хранителни среди.


  1. Предварителна обработка на металната повърхност :

За да се получи качествено покритие върху метална повърхност, тя трябва предварително да е почистена от груби замърсявания, мазнини и корозионни продукти.

а) механично почистване – за достигане на окончателен размер, определена грапавост на повърхността и за премахване на грубите замърсявания на повърхността от корозионни продукти, прах, кал и т.н.

б) обезмасляване – последователна обработка в органични разтворители и алкални разтвори за отстраняване съответно на синтетични и естествени мазнини от повърхността на детайлите.

в) байцване и декапиране – за окончателно премахване на корозионни продукти (оксиди, хидроксиди, сулфиди, фосфати и др.) от обработваната повърхност. Декапирането се извършва непосредствено преди влизането на детайла във ваната за отлагане на метално покритие.



  1. Схема на електролизно отлагане :

а) катод – метална подложка

- неметална с опроводена повърхност;

При отлагане на метали с ЕH+/H2 – съвместно отделяне на метал и водород.

Напр. Ni2++2e- → Ni и H+ +2e- → H2 .

При отлагане на метал с Е>EH+/H2една катодна реакция, напр. Cu2+ + 2e- → Cu

б) аноди –разтворими аноди (най-често) от отлагания метал - с тях се поддържа приблизително постоянна концентрацията на йоните на отлагания метал.

- неразтворими аноди (инертни) – например аноди от Pb при хромиране. В този случай се изисква периодично коригиране на електролита – добавяне на йони на отлагания метал.

в) токозахранване - с постоянен

- периодичен ток (импулсна или реверсивна електролиза) – по-добра структура, по-силен блясък, по-малка дебелина при запазване на свойствата на покритието.


  1. Състав на електролита:

а) основна сол – въвежда в електролита металния катион на отлагания метал

- хидратни електролити – най-често сулфатни или хлоридни, при които металния йон се намира в хидратирано състояние в електролита. Въвеждат се със сулфат или хлорид на дадения метал – напр. NiSO4; CuSO4 . Обикновено имат рН <7;

- комплексни електролити – металният йон влиза в състава на комплекс, а концентрацията само на металните йони [Mn+] e изключително ниска и следователно потенциалът на отлагане се отмества в отрицателна посока. Покритията са блестящи (ситнокристални), по-равномерно отложени дори върху детайли със сложен профил. Обикновено рН>8;

- цианидни

- амонячни [Cu(NH3)4]2+ ;

- пирофосфатни [Cu(P2O7)2]6-]

- органични комплекси.

б) индиферентни добавки – не участват пряко в електродните процеси. Най-често соли на Al и Na, H2SO4. Добавят се за:

- подобряване на проводимостта (намаляване на съпротивлението) => намаляване на напрежението (намаляване на разхода на енергия) и висока разсейвателна способност;

- подобряване на структурата на покритието (ПАВ) ;

в) анодни активатори – Cl- йони в малка концентрация;

г) блясъкообразуватели – най-често органични вещества, придаващи ситнокристална структура и следователно блясък на покритието.

д) изравняваща добавка – органични вещества, стимулиращи отлагане на метал във вдлъбнатините на подложката.


  1. Режим на работа

а) плътност на катодния ток – за получаване на качествено покритие е необходимо да се регулира количеството електричество.

i=I/S , A/dm2

Плътността на катодния ток е различна за различните електролити.

Например : за помедяване – около 1,8 A/dm2;

за никелиране – около 0,8 A/dm2;

за поцинковане – 1-2 A/dm2;

нарастване на тока => бързина на отлагане

намаляване на тока => качество, но по-едрокристална структура.



б) температура – в практиката се работи при повишена температура, което интензифицира процеса на отлагане.

в) разбъркване –за избягване на натрупването на водород, което би довело до локално дефектиране на повърхността от него.
В практиката се работи при :  [Mn+], toC, i .

Съвкупността на състава на електролита и режима на работа определя разсейвателната и изравняващата способност на електролита.

Разсейвателна способност – способността на електролита да отлага качествено и равномерно покритие върху детайл със сложен профил.

Изравняваща способност – способността на електролита да отложи по-гладко покритие, от колкото е била изходната повърхност.




  1. Предимства на електролизното отлагане :

  • покрития с много добри физико-химични свойства, висока корозионна устойчивост;

  • възможност за автоматизиране;

  • възможност за точно регулиране на дебелината на покритието;

  • възможност за отлагане на сплав;

  • равномерност и контрол на структурата (едро- или ситнозърнеста), блясък и др.;

  • понижен разход на метал.




  1. Отлагане на медни покрития

Медните покрития по правило не се прилагат като самостоятелно покритие нито като декоративно, нито като защита от корозия. Това се обяснява с факта, че медта в атмосферни условия се окислява и повърхността й се покрива с карбонати и сулфати (при взаимодействието с влага, въглеродни оксиди, промишлени газове, съдържащи сяра). Медни покрития обикновено се използват като подслой за никелови и хромни покрития. Електрохимино отложената мед се използва широко като междинен слой, благодарение на високата си еластичност и добратото си сцепление (адхезия) с различни метални и полимерни материали.

Има две основни групи електролити за отлагане на мед – кисели и алкални.

(1) От първите най-широко приложение са намерили сулфатните електролити, които се отличават с прост състав, евтини, устойчиви и допускащи високи плътности на тока.Добива по ток е 100%. Недостатъци


    • не може директно да се отлага върху Fe, Zn и техните сплави, поради контактно отлагане на мед;

    • ниска разсейвателна способност

    • груба, едрозърнеста структура.

Примерен състав: CuSO4, H2SO4, бясъкооразовател

(A) Cu – 2e- → Cu2+

(K) Cu2+ + 2e- → Cu

Тези електролити се използват при помедяване на печатни платки т.к. някой от компонентите на платките не са остойчиви в алкална среда


(2) В алкалните електролити медта е под формата на комплексен йон, поради което катодното отлагане на мед става възможно при значително по-отрицателен катоден потенциал, от равновесния = 0,34V. Електролитите имат по-добра разсейвателна способност, а покритията са със ситнозърнеста структура. Алкални електролити са:

- цианови електролити (силно токсични)– медта се намира под формата на комплексен йон [Cu(CN)3]2-,

Електролитите съдържат основна сол Na2[Cu(CN)3], KCN, депасиватори, блясъкообразуватели.

KCu(CN)2 ↔ K+ + Cu(CN)-2

K(-) Cu(CN)-2 + e → Cu + 2CN-

Циановите електролити са скъпи, сложни по състав, труди за поддръжка и силно отровни, работа с тях се допуска единствено когато ваната за помедяване е снабдена с бордова аспирация.



  • пирофосфатни – основен комплексен йон [Cu(P2O7)2]6- , не са токсични, но са с ограничено приложение поради висока цена;

  • етилендиаминов комплекс



  1. Отлагане на никелови покрития

Никелът лесно се окислява на въздух, има голяма склонност към пасивиране, което определя и голямото му приложение като метално прокритие въпреки отрицателния му потенциал. Никеловите покрития се използват широко като защитно-декоративно покритие в машиностроенето, приборостроенето.

В състава на електролита присъстват Ni2+, Cl- и F- (последните два йона играят ролята на депасиватори на никеловите аноди), SO42- и други йони (рН= 4,55,5). За аноди се използват никелови пластини.

Върху катодната повърхност (стоманената пластина) протичат едновременно два редукционни процеса:

К(-) Ni2+ + 2e → Ni (Ер= -0,23V)

H+ + 2e → H2 (при рН= 5, Ер= -0,30V)

Анодният процес е електрохимично разтваряне на никеловия анод, при което получените никелови йони компенсират количествено редуцираните върху катода йони –

А(+) Ni – 2e → Ni2+

Най-често използваните електролити за никелиране са сулфатните, които позволяват отлагане на ситно кристални покрития с малка порьозност. Основната сол е никелов сулфат (NiSO4), а добавки - сярна киселина, хлорид (NiCl2 или NaCl), буферираща добавка най-често борна киселина (H3BO3), която служи за поддържане на постоянно рН, блясъкообразуватели. Електролитите са евтини, лесни за поддръжка, не са отровни. Разсейвателната способност е относително добра.

Никелови покрития се нанасят върху медната основа на подвижните контакти на печатни платки, а върху никела се отлага последен златен слой. Основната функция в този случай на никеловия слой е да предотврати дифузия на медни атоми в златното покритие.


  1. Отлагане на покрития от сребро

Среброто е химически устойчив метал, има положителен потенциал, но в присъстие на сероводород (H2S) се покрива с черен слой корозионни продукти Ag2S. В електрониката на посребряване се подлагат електропроводими детайли за подобряване на повърхностната електропроводност и за намаляване на преходното съпротивление на контакти. Отлагането на сребро е възможно по електрохимичен, химичен, контактен и др. методи, но най-широко разпространение е получил първият. За целта се използват:

- цианови електролити – основна сол [Ag(CN)3]2- и [Ag(CN)2]- ;

От циановите електролити се отлагат най-качествените покрития - ситно кристални, блестящи с добра адхезия към основата.;

K(-) [Ag(CN)2]- + e → Ag + 2CN-

- фероцианидни електролити – среброто се отлага от комплекса [Ag2(CN)6]4+

K (-) [Ag2(CN)6]4+ + 2e- → 2Ag + 6 CN-




  1. Отлагане на покрития от злато и родий

Златото е с изключително положителен потенциал, поради което реагира само с изключително силни окислители ( напр. царска вода) или до образуване на разтворими комплекси. Поради голямата корозионна устойчивост на златните покрития, те се характеризират с ниско преходно съпротивление, което почти не се променя с времето. Поради това златните покрития се използват в електронната техника за покритие на електрически контакти, за защита от корозия на точни прибори или отделни детайли и др. Основен недостатък на златните покрития е тяхната ниска твърдост и износоустойчивост, което е едно от основните изисквания при подвижни контакти на печатните платки например. За увеличаване на износоустойчивостта, покритията се легират с антимон, сребро, мед, никел, кобалт, родий, тъй като има малко преходно електрическо съпротивление.

Най-често се използват цианови електролити, въпреки че са силно отровни.



K[Au(CN)2] ↔ K+ +[Au(CN)2]-

K(-) [Au(CN)2]- + e → Au + 2CN-


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница