Подготовка металла к покрытию

Одним из важнейших вопросов в гальванотехнических про­цессах является вопрос о подготовке поверхности изделий к осаждению на них металлических покрытий. Доброкачественное покрытие, имеющее хорошее сцепление с покрываемой поверх­ностью, может быть получено только после тщательно прове­денных операций предварительной подготовки.
Различают два вида подготовки, предшествующих нанесению покрытий на изделия – механическую и химическую (электрохи­мическая) .
Назначением механической подготовки является улучшение поверхности изделий путем удаления всяких дефек­тов на ней — неровностей, царапин, а также придания изделиям блестящего зеркального вида.
Химическая и электрохимическая обработка изделий делится по своему назначению на обезжиривание, трав­ление и декапирование. Общей задачей этого вида подготовки являются тщательная очистка поверхности изделий от жиров и других загрязнений, а также удаление окислов с покрываемой поверхности перед покрытием.
Целью химической и электрохимической подготовки является также химическое или электрохимическое полирование изделий, после которого следуют операции по нанесению различных по­крытий.

Механическая подготовка

К видам механической подготовки поверхности относят: шлифо­вание и полирование, галтовку, крацевание, пескоструйную, дробе­струйную и гидропескоструйную обработки.
Шлифование –  обработка поверхностей деталей арбазивными инструментами (вращающимися шлифовальными кругами, лептами, брусками и др.). Шлифование производят на станках, предназначенных для обработки деталей с высокой точностью и малой шероховатостью поверхности. Для чистовой отделки поверхности после операции шлифования перед полированием в большинстве случаев применяют матиро­вание – шлифование кругами, смазанными пастами.
Полирование – удаление малейших неровностей до получе­ния поверхности зеркального блеска. При полировании происходит сглаживание поверхности в результате распределения выступаю­щих частиц металла по углублениям за счет теплоты, выделяющей­ся при трении. Для полирования применяют абразивные материалы с более мелкими зернами (5—50 мкм), чем при шлифовании: тонкий наж­дачный порошок, венскую известь, окись хрома (СгО₃), окись алю­миния (АlО₃) и др.
Галтовка – способ очистки детален и отделки их поверхно­сти (удаление окалины, заусенцев, неровностей). Сущность галтовки заключается в медленном перекатывании очищаемых деталей в абазивных материалах. Для галтовки и полирования применяют колокол, изготовлен­ный из листового железа. В качестве абразивных материалов для удаления окалины и заусенцев используют кварцевый песок, наждак, фарфоровый и мраморный бой, керамические призмы, в качестве полирующих материалов – древесные опилки, обрезки кожи, фетра и другие мягкие материалы.
Крацевание – удаление с поверхности деталей ржавчины, заусенцев, травильного шлама, окалины с помощью металлических щеток. Щетки изготовляют из стальной, латунной или нейзильберовой проволоки различного диаметра (от 0,05 до 0,20 мм). Крацевание производят на станках или вручную. Ручное крацевание производится сухими щетками или с применением жидкости (воды, соды, мыльных растворов и др.), которой смачи­ваются щетки и обрабатываемые детали. Детали с полированной поверхностью обрабатывают перед покрытием только щетками из капрона, щетины или мягкого волоса.
Пескоструйная и дробеструйная обработки заключаются в очистке поверхности деталей сильной струей песка или дроби с помощью сжатого воздуха из специального аппарата через направляющие сопла. Величину зерен песка или дроби, а также давление воздуха устанавливают в зави­симости от материала обрабатываемых деталей и толщины их стенок.

Химическое обезжиривание

Обезжиривание – удаление жировых загрязнений с по­верхности деталей. Детали, поступающие в гальванический цех для нанесения по­крытий, имеют на поверхности жировые загрязнения, смазочные масла. Жировая пленка препятствует прочному сцеплению покры­тия с основным металлом, и поэтому она должна быть удалена.
Жировые загрязнения разделяют на две группы: жиры мине­рального происхождения, удаляемые в органических растворите­лях, и жиры животного и растительного происхождения, которые омыляются в водных растворах щелочей и солей щелочных метал­лов.
Обезжиривание в органических растворителях. Для обезжири­вания применяют горючие растворители (бензин, керосин) и не­горючие (уайт-спирит, хлорированные углеводороды).
Детали обезжиривают в бен­зине и керосине погружением в жидкость. Затем поверхности деталей очищают волосяными щет­ками, кистями и т. п. Для обез­жиривания обычно устанавлива­ют последовательно 2-3 емкости с растворителями, в последней из которых находится наиболее чистый растворитель. Бензин и ке­росин опасны, по­этому более широкое распростра­нение получило обезжиривание деталей негорючими органиче­скими растворителями.
При обезжиривании погру­жением в жидкость детали, загрязненные минеральными маслами, поочередно погружают в растворитель (чаще в трихлорэтилен) с температурой до 75°С. Обезжиривание осуществляют в стальных сварных баках, куда помещают детали в корзинах или па подвесках. После про­мывки детали сушат.
После обезжиривания в органических растворителях детали дополнительно обезжиривают в щелочных растворах, так как на поверхности их еще остается тонкая пленка жиров, препятствующая хорошему сцеплению покрытия с основным металлом.
Обезжиривание в щелочных растворах. Жиры животного и ра­стительного происхождения удаляются в горячих щелочных рас­творах. Под воздействием щелочи омыляемые жиры разлагаются, образуя мыла – растворимые в воде соли жирных кислот и гли­церин, которые легко смываются с поверхности деталей при после­дующей промывке.
Минеральные масла или неомыляемые жиры не разлагаются щелочами, но могут образовывать с ними мельчайшие капли мас­ла, которые легко отделяются от поверхности металла. Для облег­чения отрыва капель масла от поверхности металла и образования эмульсии в щелочной раствор вводят поверхностно-активные веще­ства (ПАВ) – эмульгаторы. Эмульгаторами служат жидкое стекло, мыла и различные синтетические моющие вещества (синтанол ДС-10, ОП-7, ОП-10 ТМС).
При обезжиривании в щелочных растворах следует использо­вать менее концентрированные растворы, так как высокая концент­рация щелочи способствует образованию окисных пленок на по­верхности деталей. В очень концентрированных растворах едкой щелочи мыла почти не растворяются и могут задерживаться на поверхности деталей, что отрицательно сказывается на сцеплении покрытий. Концентрация едкого натра должна быть в пределах 30-50 г/л.
Кроме щелочи в раствор химического обезжиривания вводят легко гидролизующиеся соли щелочных металлов: углекислый нат­рий, тринатрийфосфат и др. При обезжиривании металлов, растворяющихся в щелочах, например алюминия и его сплавов, цинка, олова и свинца, нельзя применять концентрированные растворы едких щелочей, так как они растворяют поверхность изделий. Для обезжиривания этих изделий пользуются растворами щелочных солей, таких как угле­кислый натрий, поташ, трифосфат натрия, цианистый калий, а также применяют обезжиривание венской известью протира­нием вручную.
Ускорению процесса химического обезжиривания способствует повышенная температура и перемешивание раствора мешалкой, воздухом или циркуляцией раствора с помощью насоса. Температуру растворов химического обезжирива­ния следует поддерживать от 70 до 90° С. Продолжительность обезжиривания зависит от степени загрязнения деталей и составляет примерно 3-30 мин.

Электрохимическое обезжиривание
Электрохимическое обезжиривание проводят обычно после хи­мического обезжиривания. Сущность электрохимического обезжи­ривания состоит в том, что на электродах выделяются пузырьки газа (водород при катодном и кислород при анодном обезжирива­нии), которые значительно облегчают отрыв капелек масла от по­верхности деталей. Электрохимическое обезжиривание проводят в щелочных рас­творах примерно такого же состава, что и при химическом обезжи­ривании. Эмульгаторы при электрохимическом обезжиривании вво­дят в раствор в меньших количествах, чем при химическом обез­жиривании.

Ультразвуковая очистка
Эффективным методом обезжиривания является обработка де­талей в слабощелочных водных растворах моющих средств и в ор­ганических растворителях с использованием высокочастотных зву­ковых колебаний – ультразвуковая очистка.
Сущность метода заключается в следующем. При распростра­нении ультразвуковой волны в жидкости возникают области повы­шенного давления, чередующиеся с областями пониженного дав­ления. При повышении интенсивности колебаний в местах пони­женного давления (узлах волны) происходят разрывы жидкости, которые с силой захлопываются при прохождении через пучность. Это явление называется кавитацией. Возникающие кавитационные силы удаляют с поверхности деталей жировые загрязне­ния, а также могут разрушать окисные пленки, т. е. при ультразву­ковой очистке поверхность деталей не только обезжиривается, но и протравливается.
Растворы, применяемые для ультразвуковой очистки, должны химически воздействовать на загрязнения, т. е. очистка осуществ­ляется как за счет механического разрушения пленки жиров, так и за счет растворения или омыления их. В качестве таких раство­ров используют органические растворители или щелочные рас­творы.

Травление

Химическое травление.  Удаление с поверхности изделий ока­лины, продуктов коррозии и различных окислов производится при помощи химического травления.
Процесс травления технологически следует за процессом обез­жиривания, так как хорошее качество травления возможно только том случае, если поверхность изделия была предварительно очищена от жира.
Для травления черных металлов применяют главным образом соляную и серную кислоты; растворение самого железа в кисло­тах нежелательно. Скорость растворения окислов железа зависит как от их состава и структуры, так и от природы, концентрации и температуры кислот. Оптимальной концентра­цией серной кислоты является 20%-ный раствор. Для соляной кислоты максимум растворения наблюдается при концентрации в 20%. При этой концентрации скорость травления в соляной кислоте значительно превосходит максимум скорости травления в серной. На практике чаще всего применяют для травления 15%-ный раствор соляной кислоты.
Скорость травления, как в серной, так и в соляной кислотах значительно повышается с возрастанием температуры. Оптималь­ной для серной кислоты является температура 50-60° С, а для соляной 30-40° С, так как при большем ее нагревании возможно выделение хлороводорода.
Для травления чугунных изделий применяются 2-3%-ные растворы плавиковой кислоты, хорошо растворяющей соединения кремния.
Азотная кислота в смеси с соляной используется для блестя­щего травления нержавеющих сталей.
При травлении черных металлов в серной и соляной кисло­тах во избежание перетрава и для уменьшения включений водо­рода применяют различные присадки, в основном органические – «КС», «Антра» и др., добавляемые в травильный раствор в ко­личестве 1—20%. Эти присадки называют ингибиторами – замедлителями растворения металла в кислотах.
Для травления черных металлов, кроме серной и соляной кислот, находят применение фтористоводородная, азотная, фос­форная и хромовая кислоты. Фтористоводородная кислота исполь­зуется при травлении отливок, имеющих на поверхности формо­вочный песок. Для растворения кремнезема применяется разбав­ленный раствор фтористоводородной (плавиковой) кислоты, со­держащий от 2 до 5% фтористого водорода. Плавиковая кислота ядовита и при работе с ней необходимо соблюдать соответствую­щие правила по технике безопасности; хранят ее в парафиновой, каучуковой или свинцовой посуде, так как стекло и дерево она разъедает.
Фосфорная кислота применяется для травления стальных из­делий перед окраской с целью удаления ржавчины и создания хорошего грунта (2%-ный раствор при температуре 75-80°С). Изделия после травления в этом растворе сушат, не промывая в воде. Изделия, имеющие на своей поверхности толстые слои ржавчины, сначала травят в 15%-ном растворе серной кислоты при температуре 40-50° С, промывают в воде, погружают в слабый раствор фосфорной кислоты и сушат без промывки.
Азотная и хромовая кислоты используются при травлении из­делий из углеродистой стали для получения чистой поверхности без шлама. Для удаления окалины и следов коррозии детали под­вергают сначала травлению в растворах серной кислоты, промы­вают и погружают на несколько секунд в концентрированную азотную кислоту, снова промывают и погружают затем в хромо­вую кислоту.
Электролитическое травление. Для черных и цветных метал­лов применяется электролитическое травление, которое произво­дится как на катоде, так и аноде. Скорость электролитического травления превышает скорость химического травления. При электролитическом травлении удается уменьшить поглощение водо­рода травящейся поверхностью металла, что обычно вызывает образование так называемой водородной хрупкости. Расход кис­лоты при этом способе травления меньше, чем при химическом.

Декапирование

Декапированием называется процесс удаления хими­ческим или электрохимическим путем тончайших пленок окислов, образующихся на поверхности деталей во время транспортировки или хранения, перед погружением в электролитическую ванну для покрытия. При этом процессе достигается одновременно легкое протравливание верхнего слоя металла, позволяющее выявить его кристаллическую структуру, благодаря чему обеспечивается наи­лучшее сцепление его поверхности с гальваническим покры­тием.
Электрохимическое декапирование протекает исключительно на аноде и аналогично анодному травлению, с той лишь разни­цей, что концентрация электролитов значительно слабее.
Химическое декапирование черных металлов производят в 3—7%-ном растворе серной или соляной кислоты; 5—10%-ный раствор серной кислоты применим и для медных сплавов. Но осо­бенно хорошие результаты декапирования изделий из меди полу­чают погружением их в 3—5%-ный раствор цианистого калия или натрия или электрохимическим путем в этих же растворах с добав­лением 2—3 % -ной соды при плотности тока 3—5 а/дм².
Декапирование свинца и цинка можно производить в 3—5%-ном растворе азотной кислоты.
Для черных металлов хорошие результаты можно получить, производя электрохимическое декапирование в 5%-ном растворе серной кислоты в течение 10—15 сек. при плотности тока 5—8 а/дм².

Активирование – удаление с поверхности деталей тончай­ших слоев окислов, которые образуются при промывках и в про­межутках между операциями. При активировании происходит лег­кое протравливание верхнего слоя металла, что обеспечивает проч­ное сцепление наносимого покрытия с основным металлом.
Активирование производится непосредственно перед нанесени­ем гальванических покрытий химическим или электрохимическим способом. Для активирования деталей из черных металлов хими­ческим способом применяют слабые (5-10%-ные) растворы соля­ной или серной кислоты или их смесь. Температура растворов 15-25° С. Время выдержки 15-30 с.
Полированные меднёные детали активируют в 10-12%-ном растворе серной кислоты при температуре 15-25^е С. Время вы­держки от нескольких секунд до 1-2 мин.
Детали из цинка н его сплавов активируют в растворе серной кислоты (80-100 г/л) при температуре раствора 15-25°С в тече­ние 30 с.

Химическое полирование металлов

Механические способы полирования металлов имеют ряд су­щественных недостатков:
трудность, а иногда и невозможность полирования поверх­ности, имеющей сложный профиль; значительная трудоемкость процесса и применение в боль­ших размерах ручного труда; сильное загрязнение поверхности изделий полировальными пастами и мастиками, которые необходимо удалять при помощи процесса обезжиривания, требующего значительных затрат руч­ного труда; некоторое искажение структуры поверхностного слоя, воз­можность деформации деталей, особенно тонкостенных.
Химическое полирование изделий. В последнее время находит применение, особенно за границей, химическое полирование изде­лий из различных металлов, часто называемое блестящим травле­нием.
Механизм этого явления выяснен недостаточно, но предпола­гается, что оно подобно явлению, происходящему при электролити­ческом полировании металлов. При электрополировании ток прикладывается извне, при химическом же полировании возникно­вение электрического тока объясняется тем, что на поверхности полируемого изделия образуется множество локальных гальванических элементов за счет ее физической неоднородности, а также в результате контактного выделения на ней различных металлов, часто присутствующих в растворах для химического полирования.
Согласно данным, опубликованным в немецкой периодической литературе, химическое полирование алюминия и его сплавов может производиться в растворах следующего состава: едкий натр – 450 г., нитрат натрия – 400 г., нитрит натрия – 250 г., тринатрийфосфат  – 200 г., нитрат меди –  3 г. Температура раствора 130-140°С; продолжительность обра­ботки от 15 до 120 сек.