Методы нанесения металлических покрытий (термодиффузионные, химические, электро и фотохимические)

Введение
Снижение темпов коррозии является актуальной проблемой промышленного производства и строительства. Согласно данным литературы, общие годовые расходы на борьбу с последствиями коррозии в зарубежных странах составляют 1,5-2% валового национального продукта [4, с.37]. В более чем 70% случаев коррозия и изнашивание становятся причиной выхода из строя деталей и металлоконструкций [6, с.1]. Экономические потери растут с увеличивающимся вводом машин и оборудования в эксплуатацию. Хотя полностью исключить коррозию невозможно, можно значительно сократить темпы коррозийного разрушения металла благодаря накопленным знаниям о коррозийных процессах и методах защиты от коррозии [4, с.37]. Актуальной задачей остается поиск и внедрение новых эффективных методов защиты от коррозии. Для увеличения срока службы деталей является целесообразным применение различных способов нанесения защитных и упрочняющих покрытий. Кроме того, они способны придать изделию такие свойства, как устойчивость к истиранию / износу, повышенная твердость поверхности, модифицированная текстура, цвет, блеск поверхности, тепло/электроизоляция, повышенная смачиваемость, и т. д. [9, с.1]. В некоторых случаях покрытия позволяют заменить цветные металлы черными, благородные – неблагородными, дефицитные – распространенные.
Цель данной работы – описание современных научно-технических методов противокоррозийной защиты путем нанесения металлических покрытий.
В работе дана общая характеристика методов нанесения металлов, и подробнее изучены такие распространенные методы, как термодиффузионный, химический, электрохимический, фотохимический.
Глава 1 Общая характеристика методов нанесения защитных металлических покрытий
Коррозия металла – это самопроизвольный процесс, в результате которого металл окисляется и теряет свои свойства. Защита от коррозии – это комплекс мероприятий, нацеленных на обнаружение и устранение коррозийных процессов.
Методы защиты от коррозии можно разделить на 3 группы:
- методы противокоррозионного воздействия на материал объекта;
- методы противокоррозионного воздействия н рабочую среду объекта;
- методы противокоррозионного воздействия на конструкцию объекта [4, с.39].
Нанесение металлических покрытий относится к первой группе защитных методов. В последнее время появилось множество профессиональных антикоррозийных лакокрасочных покрытий, однако нанесение на защищаемый металл других металлов до сих пор считают наиболее эффективным и долговечным способом защиты [5, с.177].
Наиболее часто для защиты металла используют цинк или его сплавы. Этот металл применяется при обработке стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, трубопроводов, корпусов приборов. Нанесение хрома и его сплавов используют для повышения износостойкости, жаростойкости, механических и электромагнитных свойств материала. Нанесение покрытия из никеля используют для защиты от коррозии изделий из стали, магния, титана, вольфрама, молибдена, сплавов на основе меди, цинка и алюминия. Кадмий – достаточно стойкий, но дорогой металл, поэтому применяется в тех случаях, когда требуется совсем небольшой защитный слой. Медь и олово выполняют только функцию барьера с окружающей средой [5, с.177]. Нанесение алюминия используют для повышения коррозийной стойкости, жаропрочности и улучшения внешнего вида деталей из стали, чугун, никелевых сплавов [6, с.4].
В зависимости от разницы в электроотрицательности используемых металлов, защитные покрытия могут действовать как анод или катод. Если защитное покрытие выступает катодом, оно обеспечивает только механическую функцию предотвращения контактов защищаемого металла с окружающей средой [5, с.177]. Если покрытие обладает большим электрохимическим потенциалом, чем основной металл, оно выступает анодом и сохраняет основное изделие – катод. Скорость коррозии более благородного металла снижается за счет того, что увеличивается скорость коррозии более активного металла. Таким образом, активный металл защищает благородный металл от коррозии.
Методы нанесения могут быть различными. Различают физические методы нанесения (термическое напыление в вакууме, газотермическое напыление, детонационное напыление, плазменное напыление) и химические, в том числе электрохимические. В промышленном производстве чаще всего применяют такие способы нанесения, как электроосаждение (гальванический способ), термодиффузионное насыщение, плакирование (способ нанесения с помощью литья, совместной прокатки, прессования или ковки), металлизация напылением (перенос расплавленного металла при помощи воздушной струи), диффузионный способ, вакуумная конденсация и т.д. Один металл могут наносить разными способами в зависимости от вида изделия. Например, хром чаще всего наносят электролитической и диффузионной технологией [6, с.5].
Общим недостатком защитных металлических покрытий является то, что при их повреждении или износе скорость коррозии в данном месте резко возрастает, а повторное нанесение покрытия не всегда бывает возможным [3, с.167].
Ценность металлических покрытий не только в том, что они повышают стойкость к коррозии и придают изделию необходимые физические свойства, но и позволяют экономить ценные металлы.
Глава 2 Термодиффузионный метод
Термодиффузионный способ (горячий способ) нанесения металлического покрытия заключается в том, что изделие помещают в смесь, содержащую порошок металла покрытия. При повышенной температуре происходит диффузия в атомарном состоянии металла покрытия в основной металл, из которого состоит изделие

. Технология предполагает погружение изделия в ванну с расплавленным металлом, который смачивает поверхность защищаемого изделия. После извлечения изделия из ванны его поверхность оказывается покрытой слоем металла. Чаще всего данными методом получают покрытия алюминием (алитирование), цинком (цинкование), оловом (лужение), свинцом (свинцевание) [3, с.167; 4, с.40]. Метод эффективен для изготовления металлических покрытий для стальных деталей, узлов, элементов оборудования.
Движущей силой диффузии является перепад концентраций или химических потенциалов. Температура ускоряет диффузию и сокращает длительность технологического процесса.
Иногда термодиффузию проводят в газовой фазе. Например, при пропускании парообразного CrCl2 над сталью при температуре 1000 оС на поверхности изделия образуется сплав Cr-Fe, содержащий до 30% хрома.
3CrCl2 + 2Fe = 2FeCl3 + 3Cr
Подобные поверхностные сплавы железа с кремнием могут быть получены при взаимодействии железного изделия с SiCl4 при температуре 800-900 оС [3, с.167].
Протекание процесса диффузии приводит к возникновению на поверхности изделия диффузионной зоны, в пределах которой концентрация диффундирующего вещества уменьшается от максимальной на поверхности до значений исходного содержания этого вещества в материале в глубине изделия. Часть изделия под диффузионной зоны называется сердцевиной
Глава 3 Химические методы
Химические методы нанесения металлических покрытий осуществляются без использования электрического тока и основаны на химическом восстановлении ионов металла из их водных и неводных растворов, из паст, содержащих соли этих металлов, из некоторых летучих газообразных соединений. Впервые метод был использован еще в 1836 году Ю.Либихом, который осуществил химическое серебрение стекла.
Скорость восстановления зависит от скорости окисления восстановителя, его концентрации, температуры раствора, наличия катализатора [2, с.68]. Преимущества такого метода
– получение равномерного покрытия на поверхности любого рельефа;
- отсутствие в необходимости источника тока;
- возможность нанесения покрытия на неметаллические материалы – пластмассы, стекло, керамику [2, с.68].
Метод разработан для осаждения таких металлов, как медь, никель, олово, серебро, золото и т.д. [6, с.5]. В последние годы химический метод используют для металлизации диэлектриков, придавая их поверхности электропроводящие свойства.
Общее уравнение реакции восстановления металла до элементарного состояния выглядит следующим образом:
Men+ + ne = M0
Находящиеся в растворе ионы металла соединяются с соответствующим их валентности количеством электронов и переходят в атомарную форму. По сути, та же реакция протекает и при электрохимическом нанесении металла. Только в этом случае источником электронов является внешний источник тока, а при химическом нанесении необходимые электроны образуются в результате химического процесса.
Для того, чтобы металл осаждался на поверхности, а не в объеме раствора, необходимо создать на ней центры кристаллизации. Поэтому поверхность перед проведением процедуры активируется.
Химическое осаждение металлических покрытий из водных растворов осуществляется несколькими способами:
1. При контактном способе изделие помещают в раствор соли более электроположительного металла. Ионы вытесняются из раствора более активным металлом. Примером является меднение железа, помещенного в раствор сульфата меди.
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
2. Контактно-химический способ заключается в создании гальванической пары между основным металлом и более активным. Например, при серебрении медной пластинки создают гальваническую пару с более активным металлом (алюминием или магнием). Этот металл отдает свои электроны меди, и на отрицательно заряженной медной пластинке происходит восстановление ионов серебра.
3. Метод химического восстановления состоит в использовании восстановителя (гипофосфит натрия, борогидрид натрия, гидразин, формальдегид, а также ионы металлов в низкой степени окисления). Выбор восстановителя зависит от природы осаждаемого металла. Гипофосфит чаще всего применяют для восстановления никеля и кобальта, формалин – для меди, пирогаллол – для восстановления серебра [7, с.54].
Глава 4 Электрохимический метод
Электрохимическое, или гавальническое покрытие – один из самых распространенных методов покрытия в машиностроении, приборостроении, микроэлектронике, ювелирном производстве [2, с.68; 7, с.55]. Электрохимическая защита выполняется только покрытиями, обладающими свойствами анода. Электрохимические покрытия используют электростатические свойства различных металлов, которые могут находиться в растворе в виде ионов или в виде листового металла. Осаждение происходит при постоянном значении потенциала или определенной плотности катодного тока.
Преимуществами метода электроосаждения являются:
- сравнительная простота процесса;
- низкая себестоимость;
- возможность контроля;
- возможность варьировать толщину и состав осаждаемого сплава, что особенно важно в целях экономии цветных, драгоценных и редких металлов;
- возможность точечного нанесения и наращивания слоя;
- при электролизе водных растворов можно нанести покрытие таких металлов и сплавов, которое другими способами получить невозможно;
- в процессе электролиза покрытие получается блестящим [7, с.55].
Недостатками электрохимического метода являются неравномерное распределение покрытия на деталях сложного профиля, трудности при нанесении покрытия на узлы, элементы которых изготовлены из различных металлов и неметаллов