Электроосаждение металлов на алюминиевые сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: «Электроосаждение металлов на алюминиевые сплавы»

Алюминий и его сплавы находят большое применение в народном хозяйстве благодаря своим ценным свойствам (малой плотности, хорошей теплопроводности, высокой электрической проводимости, достаточно высоким механическим характеристикам).

На детали из алюминия и его сплавов покрытия наносят с целью повышения коррозионной стойкости или придания поверхности новых свойств. Это позволяет сочетать ценные свойства алюминия со свойствами применяемых покрытий. Виды покрытий и их назначение приведены в таблице 1.

Таблица 1. Виды и назначение гальванических покрытий на алюминий и его сплавы

Алюминий обладает рядом свойств, затрудняющих получение качественных гальванических покрытий. Сложность нанесения покрытий обусловлена наличием на поверхности алюминия и его сплавов прочной и легко восстанавливающейся оксидной пленки, препятствующей удовлетворительному сцеплению осаждаемого металла с основанием. Образование на поверхности алюминиевых сплавов оксидных пленок связано, в свою очередь, с высоким сродством этого металла к кислороду. Другой важной причиной, осложняющей технологию нанесения электрохимических покрытий на алюминий и его сплавы, является высокое отрицательное значение потенциала алюминия и его стремление к переходу в ионное состояние. Этот процесс вызывает контактное вытеснение из растворов электролитов более электроположительных металлов: цинка, меди, серебра, никеля, олова, хрома и т.д. контактные осадки не отличаются, как правило необходимым сцеплением. Существенные затруднения в технологический процесс вносит также взаимодействие алюминия с кислыми и щелочными электролитами, применяемыми для получения обычных гальванических покрытий, а также наличие на поверхности литых алюминиевых изделий трещин и пор, в которых задерживаются эти электролиты.

Возможность наносить металлические покрытия на алюминий и его сплавы появилась только после того, как удалось разработать способы подготовки поверхности для удаления оксидных пленок с поверхности покрываемых изделий и уменьшить активность ионов осаждаемых металлов. Кроме того, удалось выбрать режимы электролиза, сводящие к минимуму контактное вытеснение металлов. Особый способ подготовки поверхности и условия электроосаждения уменьшающие возможность контактного вытеснения, очень важны для покрытия алюминия и его сплавов.

Различают следующие методы подготовки поверхности алюминия и его сплавов.

1. Увеличение шероховатости поверхности механическими методами (пескоструйным, гидроабразивным) или химическими с применением растворов фтористоводородной, соляной и трихлоруксусной кислот. Благодаря такой обработке удается получать покрытия, хорошо сцепленные с основой, но с низкими декоративными и коррозионными свойствами. Широкого практического применения этот метод не нашел.

2. Контактный метод - получение промежуточных пленок контактного металла.

3. Электрохимическое осаждение.

4. Нанесение оксидной пленки.

Контактное осаждение цинка перед нанесением гальванических покрытий

Сущность метода состоит в том, что для получения промежуточной пленки контактного металла алюминий перед нанесением покрытия погружают в агрессивные растворы, содержащие ионы более положительного металла. В результате взаимодействия с раствором естественная оксидная пленка снимается и выделяется слой контактного металла, на который затем наносится покрытие. Травление поверхности а процессе контактного обмена происходит неравномерно, и она становится шероховатой, что улучшает условия осаждения и сцепления покрытий.

Для формирования контактной пленки используются щелочные и кислые растворы. При погружении в щелочные и кислые растворы. При погружении в щелочной раствор оксиды алюминия растворяются с образованием алюминатов

Al₂O₃ + 2OH ^- 2 AlO₂ + H₂O

На практике используют цинкатный и станнатный растворы. При активировании алюминия в растворе цинката натрия на его поверхности образуется пленка контактного цинка

алюминий сплав гальванический покрытие

3 ZnO₂^2- + 2 Al + 2 H₂O 2 AlO₂^- + 3 Zn + 4 OH^-

Раствор для цинкатной обработки в простейшем случае состоит из 5 - 100 г/л оксида цинка и 50 -500 г/л едкого натра. Обработку ведут при температуре 15 - 30⁰С в течение 0,5 -1 мин. Качество покрытий высокое. Это объясняется рядом факторов. Цинк в щелочном растворе находится в виде комплексных ионов, потенциал его выделения достаточно отрицателен и приближается к потенциалу алюминия. Вследствие высокого перенапряжения выделения водорода на цинке его осаждение не сопровождается заметным выделением водорода. Пленки получают плотными, тонкими.

Толщина и компактность цинковой пленки зависят от концентрации раствора, соотношения компонентов, температуры и времени выдержки в нем изделия. Из разбавленных растворов получают крупнокристаллические пленки, в то время как осадки на более концентрированных по цинку растворах имеют мелкокристаллическую структуру и обеспечивают хорошее сцепление с гальваническим покрытием. С увеличением температуры и времени выдержки толщина пленок увеличивается. При недостаточной выдержке контактное покрытие не успевает затянуть основной металл, при передержке образуется толстая рыхлая пленка.

Часто практикуется двукратная обработка в цинкатном растворе. Для этого полученную при первой обработке пленку удаляют травлением изделий в разбавленной азотной кислоте (1:1) и после тщательной промывки вновь обрабатывают в растворе цинката. Хотя механизм улучшения сцепления пленки при двукратной обработке не вполне ясен, результаты такой обработки для ряда сплавов весьма заняты, поэтому на практике она применяется довольно часто.

Более равномерные по толщине покрытия цинка получаются при добавлении к приведенному выше составу раствора хлорида железа (2 - 3 г/л) и сегнетовой соли (8 - 10 г/л). эти добавки особенно эффективны при обработке алюминиевых сплавов, содержащих магний. При обработке дюралюминия (сплав алюминия с медью) рекомендуется заменить оксид цинка в цинкатном растворе эквивалентным количеством сульфата цинка. Рост пленок в таких растворах быстро прекращается, поэтому в отличие от простейшего раствора не требуется строгого соблюдения времени выдержки изделий. После нанесения контактного цинка на нем можно осадить покрытия из других металлов. Непосредственно на цинк можно наносить медь, никель и другие покрытия.

Цинкатный раствор легче всего готовить из сульфата цинка. К 40 - 50%-ному раствору едкого натра добавляют 30%-ный раствор сульфата цинка. При этом выпадает осадок гидроксида цинка, который тут же растворяется в избытке щелочи.

Хлоридные растворы применяются для осаждения пленок контактного железа и никеля. Наибольший интерес представляет осаждение никеля, поскольку его коррозионная стойкость выше. Для выделения контактного никеля рекомендуется раствор, содержащий 1420-1450 г/л фосфорной кислоты и 20-45 г/л хлорида никеля (II) NiCl₂ * 6H₂O. Обработку рекомендуется проводить при температуре 50 - 60⁰С, время выдержки от 0,2 до 0,5 мин.

Для обработки в растворах, содержащих в качестве активаторов ионы BF^-₄ , рекомендуют процесс Лимеда Al, при котором в виде контактной пленки осаждается сплав цинк-никель, состоящий из 60 - 70% Zn и 30 - 40% Ni, он менее активен, чем чистый цинк. Для получения контактной пленки для всех сплавов алюминия применяется раствор следующего состава (г/л): Zn(BF₄)₂ 20 - 40; Ni(BF₄)₂ 200; NH₄BF₄ 40. Режим работы: рН 4,2 (для сплава АЛ-9 рН 2,5), температура 18-20⁰С. Время осаждения (с) пленки зависит от типа сплава и составляет: 30-60 - для алюминия и сплава Д-16; 45 - для сплавов АМг, АМц; 210-360 - для сплавов АЛ-2; 40-60 - для сплава АЛ-9. После выдержки деталей в растворе дается импульс тока i_a = 0,15 А/дм² продолжительностью 20-30 с.

Для алюминия и его сплавов разработаны различные схемы предварительной подготовки (таблица 2)

Таблица 2. Схемы предварительной подготовки алюминия и его сплавов

На контактную пленку наносят медь из пирофосфатного или цианидного (рН меньше или равно 10) электролита и матовый или блестящий никель.

Электрохимическое осаждение цинка. Слой цинка можно наносить электрохимическим способом. Этот способ пригоден для алюминия и всех его сплавов, кроме сплавов, содержащих более 30% магния. По этому способу на детали осаждают очень тонкий слой цинка из цианидного электролита следующего состава (г/л) при режиме работы:

ZnCl₂……………………0,5 i_к , А/дм²……………………….0,6

NaCN……………………0,5 t , ⁰C……………………………18-20

NaOH……………………10,5 ф , c……………………………..20

Затем детали покрывают слоем латуни, никелируют в обычном сульфатном электролите, подвергают термической обработке при температуре 220-230⁰С. Термообработка обеспечивает высокую степень сцепления никеля с покрываемой поверхностью и может быть использована для осаждения покрытий на детали для жестких условий эксплуатации, а также на детали для последующей пайки.

Оксидирование алюминия перед нанесением гальванических покрытий. Для оксидирования алюминия и его сплавов перед нанесением покрытий применяют растворы на основе щавелевой, фосфорной, хромовой и других кислот. Наибольшее распространение для анодирования алюминия и его сплавов получили фосфатные электролиты. Лучшие результаты дает анодирование в растворе, содержащем от 250 до 500 г/л фосфорной кислоты при плотности тока 1,3-2 А/дм² ; напряжение на ванне 10-40 В. Продолжительность обработки при t = 18-35⁰С составляет 10-15 мин.

Толщина и качество пленки зависят от напряжения, температуры и продолжительности обработки, а также от концентрации кислоты. Необходимая степень пористости обеспечивает концентрированным растворами кислоты и повышением температуры. Для улучшения качества оксидных покрытий из фосфатных растворов раствор рекомендуется перемешивать.

Диаметр пор оксидной пленки, полученный анодированием в фосфорной кислоте, несколько больше диаметра пор пленок, полученных другими методами, поэтому создаются благоприятные условия для хорошей адгезии металлических покрытий. Так как в сильнощелочных электролитах существует опасность, что анодная пленка растворится до того как начнет осаждаться металл, рекомендуется сначала нанести промежуточное покрытие меди из пирофосфатного раствора.

Для анодирования алюминиевых сплавов перед нанесением гальванических покрытий применяется также 20%-ный раствор серной кислоты. Анодная обработка ведется при 18-25⁰С и плотности тока 1 А/дм², продолжительность обработки 10 мин. последующая обработка анодированных деталей ведется в растворе соды при температуре 50-55⁰С в течение 2-3 мин. Этой методикой пользуются при изготовлении биметаллических (алюминий - медь) форм для офсетной печати.осаждение меди на изделиях, анодированных в серной кислоте, осуществляется из обычных кислых электролитов.

Для анодирования может быть использован 3-5%-ный раствор щавелевой кислоты. Обработка ведется при плотности тока 0,5 А/дм² в течение 10 мин. Напряжение в начале процесса 5 В. Оно быстро повышается до 50 В. Полученная таким образом оксидная пленка обрабатывается в цианидном растворе или в 1%-ном растворе плавиковой кислоты. Продолжительность обработки составляет несколько секунд. Чтобы получить равномерную оксидную пленку, детали после обезжиривания перед оксидированием рекомендуется обработать сначала в растворе едкого натра (50 г/л) при температуре 65-70⁰С в течение 3-10 с, а затем в растворе карбоната натрия (30 г/л) или тринатрийфосфата (30 г/л) в течение 10 с. После этого детали промывают в холодной воде, опускают на 10 с. в концентрированную азотную кислоту, снова промывают, и переносят в щавелевую ванну для анодирования.

Непосредственное нанесение гальванических покрытий на алюминий и его сплавы. Разработаны способы непосредственного покрытия алюминия и его сплавов в гальванической ванне. При этих способах условия для хорошего сцепления покрытий с алюминиевой поверхностью создают в самой ванне электроосаждения.

Ю. Я. Лукомский с сотрудниками разработали технологические процессы и электролиты меднения, никелирования, цинкования алюминия и его сплавов.

Для непосредственного осаждения меди и никеля на алюминий и его сплавы рекомендуют электролит (г/л) следующего состава при режиме работы:

Для осаждения меди Для осаждения никеля

CuSO₄ * 5H₂O…………..50 NiSO₄ * 7H₂O……………….200

Na₄P₂O₇ * 10H₂O………...220 H₃BO₃……………………….25

NaH₂PO₄ * 2H₂O…………15 NaF…………………………..2

NaNO₂…………………….15 NaCl………………………….2

i_к , А/дм²…………………..0,06 K₂S₂O₈……………………….2

t , ⁰C……………………….60 i_к , А/дм²……………………..0,1

pH………………………….7,5 t , ⁰С…………………………55

рН……………………………4,5

Для непосредственного цинкования алюминия и его сплавов можно применять электролиты следующего состава (г/л) при режиме работы:

№1 №2 №1 №2

ZnSO₄……………….200 75 ПАВ…………………….6 6

(NH₄)₂SO₄………….. - 25 i_к , А/дм²……………......0,2 0,1

H₃BO₃……………….30 20 t , ⁰С……………………25 25

NH₄F………………...40 30 рН………………………5,0 5,0

Качество покрытия не зависит от состава и свойств покрываемых сплавов. На качество покрытия и его сцепление с алюминиевой поверхностью влияют кислотность электролитов, добавки активаторов, окислителей и температура электролиза.

Литература

1. К. П. Баташев «Нанесение гальванических покрытий на алюминий и его сплавы».Л.: 1965

2. Н. Т. Кудрявцев «Электролитические покрытия металлами» М.:Химия, 1979.

3. Н.Т. Кудрявцев Прикладная электрохимия М.: Химия, 1975

Размещено на Allbest.ru