Гальванические покрытия

Никелевое покрытие широко применяется как защитно-декоративное покрытие деталей РЭС из сталей и алюминиевых сплавов, работающих в легких и средних условиях эксплуатации. Это покрытие имеет высокую механическую прочность, коррозионную стойкость и красивый внешний вид. Однако никелевое покрытие по стали и алюминиевым сплавам является катодным, а следовательно, не защищает их электрохимически и вместе с тем оно отличается пористостью. Поэтому никелирование стальных и алюминиевых покрытий производят с подслоем меди; толщина слоя никеля обычно составляет 3–9 мкм. Никелевые покрытия также являются основой многослойных систем Ni-Cr и Cu-Ni-Cr.

Операция никелирования выполняется в электролитах, главной составной частью которых являются сернокислый никель, хлористый калий и борная кислота (NiSO₄, KCl, H₃BO₃). Условное обозначение никелевых покрытий в конструкторской документации имеет вид: М6.Н3 – для деталей из стали; Н9.М6.Н9 – для деталей из алюминиевых сплавов.

Хромовое покрытие используется для защиты от коррозии деталей из стали, меди, алюминия и никеля, а также для повышения отражательной способности поверхности (до 70%), износоустойчивости, жаростойкости и твердости. Хром отличается высокой коррозийной стойкостью во влажной среде, щелочных, азотной и органических кислотах, в атмосфере большинства газов, не тускнеет при нагревании до 500^оС. Недостатком хромовых покрытий является плохое смачивание маслами и припоем, высокая пористость и неравномерное распределение по поверхности. Применяют два вида хромирования: защитно-декоративное и функциональное для увеличения твердости и износостойкости поверхности (инструментов, штампов и др.). Толщина слоя хрома в первом случае составляет 1–2 мкм и хромирование производят с подслоем никеля. При функциональном назначении покрытия толщина слоя хрома находится в пределах 10–60 мкм, а хромирование осуществляют без подслоя. В качестве электролита при хромировании применяют растворы на основе хромового ангидрида (CrO₃) и серной кислоты (H₂SO₄). Аноды изготавливают из сплава свинца (92%) и сурьмы (8%). Поэтому при хромировании необходимо следить за содержанием хромового ангидрида в электролите и своевременно добавлять его в электролит. Процесс хромирования производят при температуре 50 ^оС и плотности тока около 2500 А/м² (для защитно-декоративного покрытия) Т = 60^оС и плотности тока 4500 А/м² (для функционального покрытия). В процессе хромирования происходит насыщение пленок хрома водородом, что придает ему хрупкость. Для устранения водородной хрупкости детали после хромирования тщательно промывают и затем подвергают термообработке при температуре 150–200^оС в масле.

Необходимость использования высокой температуры и большой плотности тока при хромировании требует применения эффективной вытяжной вентиляции, так как выделяющиеся пары хромовых соединений очень вредны для человека.

В конструкторских  и технологических документах хромовые покрытия имеют следующие обозначения: М6.Н3.Х1 – защитное покрытие по стали; Н6.Х1 – защитное покрытие по меди; Н9.М6.Н9.Х1г – защитно-декоративное покрытие алюминия (г – глянцевое); Х.48 – покрытие стали для увеличения твердости и защиты от коррозии.

Оловянно-свинцовое  покрытие применяется для защиты деталей из стали, меди и ее сплавов от коррозии и подготовки поверхности к пайке. Луженые поверхности хорошо противостоят воздействию многих органических кислот и воздействию паров серы. Толщина покрытия жил медного провода составляет 4–6 мкм, для подготовки поверхности к пайке – 10–20 мкм.

В качестве анода  применяется припой ПОС-61. В электролит входит борфтористоводородная кислота (HBF₄), ее оловянные и свинцовые соли и борная кислота H₃BO₃. Для уменьшения образования крупных кристаллов (дендритов), имеющих слабую адгезию к основанию, в раствор вводят фенол. Гальванический слой через 10 суток хранения быстро окисляется, что затрудняет пайку. Кроме того, при хранении может наблюдаться появление игольчатых наростов "усов", которые в микроэлектронике могут вызвать короткое замыкание. Поэтому после гальванического осаждения поверхность оплавляют, что устраняет эти нежелательные эффекты.

Оловянно-свинцовое покрытие обозначают: ПОС-61.9 – покрытие по меди и ее сплавам (цифра 9 – толщина слоя); М18 ПОС-61.9 – покрытие по стали.

Серебряное покрытие применяется  в основном для улучшения электропроводности поверхности детали: высокочастотных разъемов; деталей, работающих в СВЧ диапазоне, и др. Оно отличается высокой электропроводностью и отражающей способностью, коррозионной стойкостью против щелочей и некоторых органических кислот (растворяется в азотной кислоте).

Недостатком серебряных покрытий является невысокая механическая прочность, и на него сильно действуют сернистые  соединения (серебро тускнеет и чернеет). Серебрению подвергают изделия из черных и цветных металлов, причем детали из стали предварительно покрывают медью. Серебрение производится в электролитах, содержащих цианистые электролиты (на основе хлористого серебра и цианистого калия) и безцианистые электролиты (на основе хлористого серебра, углекислого калия и железисто-синеродистого калия). При серебрении в цианистых электролитах необходимо соблюдать особые меры предосторожности из-за высокой токсичности этих соединений.

Для увеличения механической прочности серебряных покрытий, например контактных пар штепсельных разъемов, электрических контактов и др., их покрывают пленкой родия или палладия, имеющих большую твердость, химическую стойкость и стойкость против электрической эрозии.

Для защиты от действия сернистых  соединений серебряные покрытия подвергают хромированию в растворе двухромового натрия (Na₂CH₄O₇).

Серебряные покрытия имеют следующие обозначения: Ср.9 хр – покрытие по меди и ее сплавам; Н9.М6. Ср9 – многослойные покрытия по алюминию и его сплавам; Ср6. Пд3 – покрытие по меди и ее сплавам с пленкой палладия; Ср9. Рд1 – покрытие меди и ее сплавов с пленкой родия.

Золотое покрытие применяют  для защиты: от внешних воздействий, повышения износостойкости и увеличения электропроводности деталей наиболее ответственного назначения, деталей высокочастотных и СВЧ трактов; электрических контактных пар; электрических выводов интегральных схем и др. Золото является наиболее коррозионно-стойким металлом, оно не подвержено действию кислот, щелочей, сероводорода и других соединений серы, обладает высокой прочностью и электропроводностью (по электропроводности оно уступает только серебру и меди). Только немногие химические соединения растворяют золото. К ним принадлежит смесь из трех объемных частей соляной кислоты и одной – азотной кислоты ("царская водка"), а также цианидные растворы, агрессивные в присутствии кислорода.

В зависимости от назначения деталей толщина золотого покрытия колеблется в пределах 1–5 мкм. Для повышения твердости поверхности золото осаждают вместе с никелем (твердое золочение). При золочении стальных деталей их предварительно меднят.

В качестве электролитов при золочении применяют цианистые (на основе комплексной цианистой соли золота и цианистого калия) и бесцианистые (на основе золотохлористой водородной кислоты и железистосинеродного калия) электролиты. При золочении необходимы особые меры предосторожности, так как цианистые электролиты сильно ядовиты.

Золотые покрытия имеют следующие  обозначения: З.1 – покрытие по меди и ее сплавам; М35.З1 – покрытие по стали и сплавам на основе железа.

2. Химические  покрытия

Химические  покрытия представляют собой тонкий слой защитной пленки, образующийся на поверхности детали за счет окислительно-восстановительных процессов, протекающих в процессе получения защитного покрытия. Различают два вида химических покрытий: оксидные и фосфатные, которые образуются в результате химического взаимодействия определенных химических растворов с металлами детали; химические пленки металлов, получаемые в результате восстановительных процессов в растворах, содержащих соли металла.

Химические  пленочные покрытия служат для повышения стойкости материала деталей к коррозии, износостойкости, электропроводности и т.п. Основные требования, предъявляемые к этим покрытиям: прочное сцепление с покрываемой поверхностью, отсутствие пористости. Равномерность толщины слоя по всей поверхности.

Перед нанесением химических покрытий детали подвергают механической обработке, обезжириванию  и травлению для удаления окисной  пленки и выявления структуры  основного металла.

В производстве РЭС наибольшее применение получили оксидные и фосфатные покрытия на деталях, изготовленных из алюминиевых, магнитных сплавов и сплавов на основе железа.

Оксидные покрытия на алюминиевых сплавах обладают высокой коррозионной стойкостью и твердостью, повышенной теплостойкостью и электроизоляционными свойствами. На поверхности алюминия всегда образуется естественная оксидная пленка толщиной около 0,1 мкм, но она не гарантирует защиту деталей в средних и тяжелых условиях эксплуатации.

Более стойкие  оксидные покрытия получают химическим оксидированием и электрохимическим оксидированием, получившим название анодирования.

Химическое  оксидирование применяют для  деталей сложной формы. Процесс  состоит в погружении деталей  в ванну с раствором на основе соды кальцинированной (NaCO₃), хромовокислого натрия (Na₂Cr₂O₇) и воды, время выдержки 3–5 мкм. Толщина окисных пленок при этом составляет 2 – 5 мкм. Для лучшей защиты от действия внешней среды окисные пленки обрабатывают (хроматируют) в 2%-ном растворе окиси хрома (СrО₃), который заполняет поры и нейтрализует щелочи в порах. Химическое оксидирование является дешевым и простым способом защиты деталей.

Следует отметить, что на швах, полученных в результате пайки оловом, оловянисто-свинцовым или серебряным припоем, оксидное покрытие не образуется.

Электрохимическое оксидирование (анодирование) выполняют  в электролите постоянным или  переменным током. При анодировании постоянным током детали завешивают на анод, а катодом служат свинцовые пластины, а при анодировании переменным током детали завешивают на оба электрода.

В качестве электролитов применяют водные растворы серной, щавелевой или хромовой кислоты. Для обеспечения большей надежности детали бортовой аппаратуры анодирование выполняют в растворах щавелевой и хромовой кислоты. Толщина анодных покрытий составляет 10–100 мкм, при этом размер деталей не изменяется, так как процесс образования пленки происходит за счет металла детали. Окисная пленка состоит из внутренней плотной тонкой пленки и внешней пористой пленки, поэтому анодные окисные пленки могут пропитываться для получения различных свойств поверхностей деталей. При пропитке водным раствором черного анилинового красителя получаются матово-черные поверхности с малым отблеском. Жаростойкие пленки могут быть получены пропиткой светочувствительными солями серебра. Толстые пленки, пропитанные маслом, применяются для направляющих полозьев выдвижных блоков, твердость такой пленки близка к твердости закаленной стали.

Толстые окисные  пленки, полученные электрохимическим  способом, применяются не только как защитные, но и как диэлектрические. Диэлектрические пленки на алюминиевой фольге, тантале применяются для изготовления электрических конденсаторов.

Оксидные покрытия имеют следующие обозначения: Хим. Окс – химическое окисное покрытие; Хим. Окс.хр – химическое окисное с хроматированием; Ан. Окс.10.хр – анодизационное окисное (толщина 10 мкм) с хроматированием.

Оксидные покрытия на магниевых сплавах применяют  для защиты от коррозии поверхности  деталей. Магний относится к активным элементам, его электродный потенциал составляет -2,4 В. Магниевые сплавы находят применение для изготовления деталей бортовой радиоэлектронной аппаратуры, так как они обладают малым удельным весом и высокой удельной жесткостью, и удельной прочностью.

Оксидные покрытия получают методами химического оксидирования и электрохимического оксидирования (анодирования).

Операция оксидирования  состоит в погружении деталей в водный раствор, состоящий из хромовокислого калия (К₂Cr₂O₇), азотной кислоты (НNO₃) и хлористого аммония (NH₄Cl). Время выдержки в растворе составляет 2–3 мин, а толщина защитной пленки 6–8 мкм. После оксидирования детали должны тщательно промывать в холодной, а затем в горячей воде.

Электрохимическое оксидирование (анодирование) применяют для получения более толстых защитных пленок (до 10–15 мкм). Анодирование производят в водном растворе хромовокислого калия (K₂Cr₂O₇) тринатрийфосфата (Na₃PO₄). Детали навешиваются на анодную шину, а катодом служит железная пластина. Обозначение покрытий подобно обозначению на деталях из алюминиевых сплавов.

Оксидные покрытия по стали состоят из окисных соединений железа (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄). Защитные свойства пленки зависят от ее толщины и режима оксидирования. Бывают три способа оксидирования – термический, химический и электрохимический.

Термический способ (воронение) заключается в нанесении  на деталь тонкого слоя асфальтового или масляного лака, сушке на воздухе и термической обработке при температуре около 350^оС с последующим охлаждением в минеральном масле. Обработанные таким образом детали имеют защитную пленку из окислов железа, покрытого тонким слоем асфальта или осмоленного лака.

При химическом способе воронения детали погружаются в расплавленные соли, например, смеси селитры и двуокиси марганца, нагретые до температуры 350^оС. При этом на поверхности появляется защитная пленка черного цвета. Для получения пленки синего цвета детали погружаются в раствор солей, состоящий из нитрата натрия и нитрита натрия, и выдерживают при температуре около 310^оС.