Защитные покрытия металлов

В данном разделе сайта изложены новейшие методы химической и электрохимической обработки поверхности металлов, а также горячие, электрохимические и химические методы нанесения металлических, окисных и солевых покрытий с целью защиты от коррозии, защитно-декоративной отделки и защиты от механического износа. Особенно подробно приведена рецептура гальванических ванн.
Целая глава посвящена обезвреживанию сточных вод в цехах химической и электрохимической обработки поверхности металлов.
Предназначается в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физико-химические исследования металлургических процессов». Может быть полезна для научно-технических работников, специализирующихся и работающих в области нанесения защитных покрытий.

В издававшихся до сих пор в нашей стране учебниках и учебных пособиях по вопросам нанесения защитных покрытий предусматривались только электрохимические и отчасти химические методы. Между тем защита стальных изделий и конструкций от атмосферной коррозии на десятилетия осуществляется в основном (95—98%) цинкованием путем погружения в расплавленный металл. Как известно, алюминирование электролизом водных растворов вообще невозможно, в то время как алюминиевые покрытия, получаемые горячим методом, обладают рядом ценных защитных свойств. Хотя покрытие оловом для консервной тары в некоторых странах, например в США, в основном осуществляется электролитическим методом, более толстые покрытия (>2 мкм) наносятся горячим методом.
В то же время покрытия из меди и медных сплавов, металлов подгруппы железа, цинка в относительно тонких слоях, кадмия, серебра и золота, платиновых металлов, сплавов на основе меди, олова, никеля и др. наносятся только или преимущественно электролитическим методом.
За последние 10—15 лет достигнуты большие успехи в области нанесения блестящих защитно-декоративных покрытий с применением блескообразователей и выравнивающих добавок, что представляет особенно большой интерес для развивающейся в нашей стране автомобильной и других отраслей промышленности.
Первые четыре главы раздела посвящены подготовке поверхности покрываемых изделий перед нанесением покрытий, электролитической и химической полировке металлов, некоторым основным принципам электроосаждения металлов и сплавов, макро- и микрорассеивающей способности электролитов.
Далее подробно изложен горячий метод нанесения цинковых покрытий и пути повышения их коррозионной стойкости путем гомогенизирующего диффузионного отжига, а также электролитическое цинкование готовых изделий на сравнительно небольшую толщину. Горячий метод лужения изложен менее подробно, поскольку в основном процесс осуществляется электролитическим путем.
Небольшая глава посвящена горячему методу нанесения алюминиевых покрытий. Остальные главы посвящены электролитическим методам нанесения покрытий из кадмия, меди, никеля, хрома, драгоценных металлов и их сплавов и некоторым смежным вопросам.
Последние три главы посвящены химическому и электрохимическому оксидированию металлов, фосфатированию, обезвреживанию сточных вод в цехах химической и электрохимической обработки поверхности металлов.
В разделе изложен материал, накопленный совместно с большим коллективом производственных и научных работников, а также использованы данные из советских и зарубежных литературных источников.
Редакция выражает глубокую признательность рецензентам проф. докт. хим. наук Н. В. Коровину и коллективу кафедры технологии электрохимических производств Уральского политехнического института во главе с зав. кафедрой проф. докт. техн. наук А. И. Левиным за внимательный просмотр рукописи и весьма ценные замечания по ней, учтенные при окончательной подготовке к опубликованию.

В общей системе мероприятий по защите металлических изделий, конструкций и сооружений от атмосферной коррозии видное место занимают защитные покрытия. По литературным данным, около 40% мирового производства цинка расходуется для защиты стали от коррозии. Больше 30% мирового производства дорогого и дефицитного олова потребляется в производстве белой жести, предназначенной главным образом для изготовления консервной тары. Свыше 10% стратегического никеля используется в виде защитных покрытий.
Различают защитные покрытия на органической и неорганической основе. К первой группе относят лакокрасочные, полимерные и пластмассовые покрытия, ко второй группе — металлические, окисные и солевые покрытия. Как теоретическая основа, так и технология нанесения покрытий этих двух групп коренным образом различаются.
В предлагаемой книге рассмотрены покрытия на неорганической основе — металлические, окисные, солевые, причем наиболее подробно освещены металлические покрытия, которые имеют наиболее широкое распространение.
Помимо покрытий, предназначенных для защиты основного металла от атмосферной коррозии, различают защитно-декоративные покрытия, которые не только должны защищать основной металл от коррозии, но и сообщать его поверхности красивый, часто блестящий вид на протяжении определенного периода эксплуатации в атмосферных условиях.
Довольно широкое распространение имеют износостойкие покрытия, назначение которых сводится к повышению сопротивления трущихся поверхностей механическому износу. Для этих целей успешно применяют хромовые покрытия, которые повышают срок службы трущихся поверхностей, в частности цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей и тракторов, авиационных моторов, мотоциклов и других двигателей.
Покрытия из металлов и сплавов сообщают поверхности изделий определенные оптические, магнитные, антифрикционные и другие свойства. В последнее десятилетие покрытия из драгоценных металлов применяют все в больших количествах в электронной промышленности — в производстве полупроводниковых приборов и различного рода электрических контактов, когда наряду с химической стойкостью требуется сообщить поверхности высокую электропроводность, низкое и постоянное переходное электросопротивление и целый ряд других свойств. Помимо перечисленных, нередко наносят и другие металлические, окисные и солевые покрытия, которые в различных отраслях народного хозяйства находят более или менее широкое распространение.
В зависимости от физико-химических свойств металлопокрытий и основного металла, требуемой толщины покрытия и целого ряда других технико-экономических показателей выбирают тот или иной метод нанесения покрытия. Большое распространение имеет горячий метод, т. е. погружение покрываемых изделий в расплавленный металл и электролитический метод. Горячий метод применяется для нанесения покрытий со сравнительно низкой температурой плавления, во всяком случае на несколько десятков градусов (или больше) ниже температуры плавления основного металла. Непременным условием применимости горячего метода нанесения металлопокрытия является образование между ним и основой промежуточного сплава типа интерметаллида.
Несомненные преимущества горячего метода перед электролитическим проявляются при нанесении достаточно толстых покрытий порядка 50—100 мкм и больше; для тонких же покрытий электролитический метод гораздо экономичнее.
Яркой иллюстрацией такого положения служат процессы нанесения оловянных и цинковых покрытий. В целях экономии дорогого и дефицитного олова в годы второй мировой войны применявшийся с начала XIX в. горячий метод лужения, при котором расход олова (в I половине XIX столетия) доходил до 100 кг на тонну жести, стали быстро заменять электролитическим, при котором толщина оловянного покрытия для неагрессивных пищевых продуктов была доведена до десятых долей микрона и в настоящее время в США горячим методом лудят только около 0,4% всей белой жести. Готовые изделия более или менее сложной формы покрываются оловом электролитически в кислых или щелочных электролитах. Процесс цинкования на большую толщину осуществляется только горячим методом, в значительной степени усовершенствованным; электролитическое цинкование применяют в тех случаях, когда можно ограничиться сравнительно небольшой толщиной покрытия.
Горячим методом наносят алюминиевые покрытия (электролитическое алюминирование из водных растворов теоретически невозможно), а также покрытия полуфабрикатов сплавами на основе свинца.
Электролитический метод имеет несомненные преимущества при нанесении покрытий со сравнительно высокой температурой плавления, например в процессах меднения, никелирования, хромирования, а также при нанесении покрытий из сплавов на их основе, при серебрении, золочении, покрытиях металлами платиновой группы и некоторыми редкими металлами. Широкое распространение имеет процесс электролитического окисления (анодирования) алюминия, магния и других металлов.
Диффузионные методы нанесения покрытий, распыление расплавленного металла и напыление металла методом испарения в вакууме имеют более ограниченное применение. В последнее время все чаще прибегают к нанесению покрытий на изделия сложной формы и на неметаллические изделия химическим методом, т. е. без электрического тока, заменяя его восстановителем, например гипофосфитом, гидразином и др.
В зависимости от назначения защитных покрытий к ним предъявляют различные требования. Однако независимо от их назначения общим требованием, которому должны удовлетворять все покрытия, является прочное сцепление с основой. Хотя количественного метода определения прочности сцепления между основой и покрытием нет, имеются некоторые технологические пробы, на основании которых можно вынести качественное суждение о прочности сцепления. В наиболее ответственных случаях покрытие не должно отслаиваться от основы при любой степени деформации. Другими требованиями, предъявляемыми к покрытиям, являются мелкая структура, а при нанесении защитно-декоративных покрытий они должны иметь блестящий вид без полировки. Покрытия должны иметь максимально равномерную толщину на различных участках — выступах и углублениях, так как толщина покрытий является важнейшей характеристикой, определяющей срок их защитного действия. Покрытия должны иметь минимум пор (даже микроскопических размеров). Это требование не столь существенно при нанесении так называемых анодных покрытий, т. е. покрытий, у которых электродный потенциал в данных условиях эксплуатации изделий электроотрицательнее, чем потенциал основного металла. Как известно, потенциал ряда металлов в сильной степени зависит от среды, температуры и других факторов. Так, например, потенциал олова в органических кислотах или солях, в том числе в пищевых продуктах, электроотрицательнее потенциала железа и электрохимически защищает его от коррозии. Потенциал цинка в воде при температуре 60° С и выше в результате образования на нем защитной пленки становится электроположительнее потенциала железа и перестает его электрохимически защищать. Предъявляемые требования в значительной степени удовлетворяются при надежной подготовке поверхности основного металла, правильном выборе типа электролита и оптимальной концентрации компонентов, входящих в его состав, электрического и температурного режима.
При электролитическом способе нанесения металлических покрытий мелкокристаллическое строение их и равномерное распределение по толщине часто обеспечиваются применением комплексных растворов, в частности цианистых солей, вместо простых и введением в электролит органических добавок.


Защитные покрытия металлов