И механические свойства меди, никеля и хрома

Меднение, никелирование, хромирование

Медные, никелевые и хромовые покрытия предназна­чены главным образом для защитно-декоративной отделки изделий, когда одновременно с защитой от коррозии необходимо улучшить их внешний вид. Ти­пичными защитно-декоративными покрытиями явля­ются многослойные покрытия никель – хром, медь – никель и медь – никель – хром.

Изделия из стали, цинковых сплавов и других ме­таллов и сплавов покрывают медью (20 – 35 мкм), никелем (10 – 20 мкм) и хромом (0,25 – 1 мкм). По­крытия никелем стали, меди или ее сплавов без внешнего слоя хрома могут надежно служить только в легких условиях эксплуатации изделий.

Основные физико-химические и механические свойства меди, никеля и хрома представлены в табл. 3.9.

На воздухе во влажной атмосфере медь легко окисляется, покрываясь слоем оксидов и основных солей, поэтому в качестве самостоятельного покры­тия без дополнительной обработки не применя­ется ни для защиты стальных деталей от коррозии, ни для декоративных целей.

Таблица 3.9

Основные физико-химические

и механические свойства меди, никеля и хрома

Свойства	Металл
Сu	Ni	Сr
Атомный номер
Атомная масса	63,546	58,70	51,996
Валентность	I, II	I, II, III, IV	I, III, IV, VI
Плотность при 20 °С, кг/м3
Температура плав­ления, оС
Удельное сопротивление при 20 °С, Ом∙м	1,67∙10-8	6,84∙10-8	3,9∙10-8
Электрохимический эквивалент, г/(А∙ч)	Cu+ 2,372 Cu2+ 1,186	Ni2+ 1,0950	Cr3+ 0,647 Cr6+ 0,324
Твердость НВ, МПа: - металла - покрытия	600–1500 5398 – 6370	1500-6500 2940-3930
Стандартный потен­циал, В	Cu↔Cu2++2e- 0,337	Ni↔Ni2++2e- -0,250	Cr ↔ Cr3+ + 3e- -0,744

По электрохимическим свойствам медь по отношению к железу является катодным покрытием и поэтому не может защитить железо от коррозии. Вследствие этого наиболее широкое распространение электроли­тические осадки меди получили в качестве подслоя, наносимого перед никелированием и хромированием стали и цинковых сплавов. Как самостоятельное покрытие медь применяется при углеродистой цементации и в гальванопластике для получения ме­таллических копий. В настоящее время электроосаж­дение меди стали широко применять для получения функциональных покрытий в радиоэлектронной про­мышленности при производстве печатных плат.

Покрытие никелем используют для защиты от коррозии и для декоративной отделки деталей авто­мобилей, велосипедов, различных приборов, хирурги­ческих инструментов, предметов домашнего обихода и т.д. Никель, легко пассивируясь на воздухе, покрывается тонкой пленкой, почти не изменяющей блеска и предохраняющей его от воздействия окружающей среды. Поэтому никель отличается высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в растворах щелочей и неко­торых кислот благодаря сильно выраженной способ­ности к пассивированию. Никелированные детали лучше противостоят истиранию, чем покрытые медью, так как электролитический никель в 2-3 раза тверже меди и латуни.

Никелевое покрытие проявляет катодный харак­тер защиты относительно железа и его сплавов, так как его потенциал положительнее, чем у железа, т.е. оказывает только механическую защиту. В тонких слоях (1…3 мкм) никелевые покрытия пористы. Невидимые глазу поры становятся очагами коррозионных поражений, если коррозионный агент проникает к основному металлу. Пористость почти полностью устраняется лишь при толщине
22 – 30 мкм.

Наиболее эффективными являются многослойные (2-3 слоя) никелевые покрытия, защитная способ­ность которых намного выше однослойных благода­ря электрохимической защите внутри никелевых слоев и механической защите, обусловленной различ­ной структурой слоев никеля. Распространены двух- и трехслойные покрытия матовым и блестящим никелем, в которых сочетаются первый слой, не содержащий серы, и последующие слои с включением различного количества серы, которые получают из электроли­тов с серосодержащими выравнивающими органи­ческими добавками. Так как потенциал никеля, со­держащего серу, имеет более отрицательное значе­ние, чем потенциал никеля без включения серы, вто­рой слой электрохимически (анодно) защищает от коррозии первый слой никеля, и таким образом обеспечивается более высокая защитная способность по­крытия в целом.

Для уменьшения пористости никелевого покрытия на стали осаждают сначала слой меди, а затем никеля, а также применяют трехслойное покрытие никель – медь – никель. Уменьшение пористости в таких случаях объясняется тем, что поры одного слоя не совпадают с порами другого слоя (рис. 3.8).

Медные и никелевые покрытия можно получать блестящими вследствие того, что в процессе осажде­ния сглаживается микрорельеф основного металла. При этом сокращается объем трудоемких операций механической подготовки поверхности (шлифование и полирование) до и после нанесения слоя никеля, улучшаются условия труда, а также экономические показатели процесса.

 

Рис. 3.8. Пористость в многослойном покрытии:

1 – основа – сталь; 2 – матовое никелевое покрытие; 3 – медное покрытие; 4 – блестящее никелевое покрытие

Никелированные детали лучше противостоят истиранию, чем покрытые медью, так как электролитический никель в 2-3 раза тверже меди и лату­ни. Никелирование широко применяется в гальванотехнике не только для защитно-декоративной отделки изделий, но и для за­щиты химической аппаратуры от действия щелочных растворов, а в полиграфическом производстве – для повышения поверхност­ной твердости и сопротивления износа гартовых стереотипов и клише. Никелирование используют также в гальванопластике.

Хром является активным металлом и, хотя относится к электроотрицательным метал­лам, на воздухе и в окислительных средах он может сильно пассивироваться. Его потенциал при этом становится +1,19 В, благодаря чему хром приобретает свойства благородных ме­таллов: коррозионную стойкость, устойчивость в ор­ганических кислотах, растворах щелочей, азотной кислоте и в среде серы и ее соединений. Пассивная пленка окида предохраняет хромовое покрытие от потускнения – на воздухе хром сохраняет блеск. Хромовые покрытия растворяются в горячей серной и хлороводородной кислотах (при ком­натной температуре).

Но при химической стойкости хромовые покрытия отличаются пористостью и не защищают надежно железо от коррозии, так как в гальванической паре железо – хром последний является катодом.

Хромовые покрытия бывают защитно-декоратив­ные и специальные. Защитно-декоративные блестя­щие хромовые покрытия толщиной до 1 мкм наносят на подслой меди или никеля. Для этих целей непо­средственно на сталь хром не осаждают ввиду того, что в оголенных местах, порах и трещинах сталь будет разрушаться, так как она является анодом по отношению к хрому. Защитно-декоративное хромирование широко применяется для покрытия частей автомобилей, мотоциклов, велосипедов, вагонов, при изготовлении различных приборов и т.д.

Высокая твердость, низкий коэффициент трения, жаростойкость и высокая коррозионная стойкость обеспечивают деталям, покрытым хромом, высокую износоустойчивость. Специальные хромовые покрытия толщиной 0,005–1 мм предназначены для улучшения механических свойств поверхности стали.