2.11 Металлические покрытия

Под действием влаги или технологических факторов изделия из металлов или сплавов изменяют цвет, внешний вид, механические и электрические свойства и могут приходить в негодность частич­ную или полную. Это является следствием коррозии, которая разрушает металл или сплав вследствие химического или электрохи­мического воздействия окружающей среды.

При равномерной коррозии разрушение происходит с одинако­вой силой по всей поверхности. Равномерной коррозии подвержены чистые металлы и однофазные сплавы в агрессивных средах.

Местная коррозия представляет собой разрушение поверхности на некоторых участках. Наблюдается при нарушении слоя покрытия.

Интеркристаллитная (межкристаллитная) коррозия – это разрушение материала по зернам.

Различают химическую и электрохимическую коррозию:

Химическая коррозия возникает при воздействии на металл при высокой температуре находящихся в атмосфере газов и паров, а также жидких неэлектролитов (минеральное масло, керосин и др.).

Рисунок 2.4 – Зависимость скорости окисления от температуры для железа, вольфрама, меди, хрома, никеля (на воздухе)

Химическая коррозия – окислительно-восстановительный процесс, при взаимодействии металла (сплава), с газами (О₂, СО₂, сернистый газ) и жидкостями. Из всех металлов (сплавов) черных, цветных, благородных наиболее сильно подвергаются химической коррозии черные металлы. Fe при повышенной температуре и наличии паров воды окисляется с образованием ржавчины:

4Fe + 2H₂O + 3O₂ = 2Fe₂O₃ + H₂O

Цветные металлы подвергают коррозии в меньшей степени, а благородные в основном не окисляются, только Ag на воздухе, в котором содержится сероводород чернеет:

4Ag + 2H₂S + O₂ = 2Ag₂S + 2H₂O

В результате химической коррозии на поверхности металла (сплава) образуются химические соединения, пленки оксидов, сульфидов, которые могут быть пористыми и сплошными, прочными и непрочными, они не могут защищать поверхность Fe от дальнейшего окисления. Оксидные пленки на поверхности Ni, Сr, Сu, Al, Zn, сплошные, прочные и защищают металл от дальнейшего разрушения.

Химическая коррозия в чистом виде наблюдается редко, чаще протекает электрохимическая коррозия. Она возникает на контакте двух металлов, находящихся в электролите, т.е. жидкости, которая проводит электрический ток (это водные растворы солей, щелочей, кислот). В этом случае образуется гальванический элемент, электродами которого являются металлы, причем возникает электрический ток тем большей силы, чем дальше отстоят друг от друга металлы в ряду активности:

Li, К, Mg, Al, Zn, Сr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, Cu, Ag, Pt, Au.

Поток электронов движется or более активного в электролите металла к менее активному. Более активный металл, стоящий левее в ряду активности, разрушается. Причем скорость коррозии тем больше, чем дальше в ряду активности стоят друг от друга металлы, образующие гальваническую пару. Например, при возникновении гальванической пары Cu-Pt, разрушается Сu, Cu-Zn, коррозирует Zn.

С точки зрения электрохимической коррозии понятно, что если металле присутствуют дополнительные примеси, то металл и примеси могут образовывать гальваническую пару и это приведет к разрушению металла. Поэтому, когда требуется очень высокая химическая устойчивость материала, то в первую очередь используют чистые металлы, а не сплавы. Сплавы металлов обладают различной коррозионной стойкостью. Сплавы цветных металлов более коррозионностойкие, чем сплавы черных металлов. Высокими коррозионными свойствами обладает сплавы Ti, Al, и т.д. Коррозия наносит народному хозяйству большой ущерб. Потери Fe от коррозии составляют около 10% от его выплавки. Для сокращения этих потерь применяют различные методы защиты от коррозии. Одним из них является метод нанесения защиты покрытий.

Для защиты от коррозии, обеспечения качества, надежной работы и придания эстетичного внешнего вида на детали радиоэлектронной аппаратуры наносят защитные и декоративные покрытия.

Наибольшее распространение получили металлические, хими­ческие и лакокрасочные покрытия.

Металлические покрытия представляют собой тонкий слой ме­талла, нанесенный на поверхность. Металлические покрытия вы­полняют для защиты от коррозии, получения высокой чистоты поверхности, создания хрупкой пленки на свариваемых поверхнос­тях и улучшения внешнего вида.

К металлическим покрытиям предъявляются следующие основ­ные требования: прочное сцепление с основным металлом; мелко­кристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механичес­кие свойства; равномерная толщина.

Технологический процесс нанесения металлических покрытий включает в себя следующие основные операции: подготовка повер­хности, нанесение покрытий, промывка и сушка.

Перед нанесением покрытия поверхность подвергают:

механической обработке для повышения чистоты поверхности, удаления неровностей и продуктов коррозии;

обезжириванию путем промывки в органических растворителях (керосин, бензин), обработке в извести и горячих растворах щелочей;

декопированию (легкому травлению) путем погружения детали в 5...10%-й раствор серной или соляной кислоты на одну-две мину­ты для удаления с поверхности детали тонких оксидных пленок и выявления структуры, что способствует лучшему сцеплению метал­лического покрытия с основным металлом.

Металлические покрытия могут наноситься гальваническим, вакуумным и химическим способами, а также металлизацией.

Гальванические (электролитические) покрытия получают осаждением металлов при электролизе водных раство­ров соответствующих солей.

Гальванические покрытия получают под действием постоянно­го тока в кислых и цианистых электролитах.

Покрываемая деталь является отрицательным полюсом (като­дом), а металлическое покрытие – положительным полюсом (анодом). Под действием ЭДС молекулы солей в водных растворах дис­социируют на электрически заряженные (положительно и отрица­тельно) частицы – ионы. При этом положительные ионы движутся к катоду и осаждаются на нем, т.е. на детали, а отрицательные – к аноду, где происходит их рекомбинация и переход металла элект­рода в виде положительных ионов в раствор. Перенос ионов под действием ЭДС называют электролизом.

Если металлическое покрытие имеет по сравнению с основным металлом более отрицательный потенциал, такое покрытие называют анодным. В этом случае металлическое покрытие образует с основным металлом гальваническую пару, в которой металличес­кое покрытие, являясь анодом, разрушается и предупреждает раз­рушение основного металла.

К анодным покрытиям относятся цинк, кадмий, олово.

Металлическое покрытие, которое имеет более положитель­ный потенциал, чем основной металл, называют катодным. В этом случае металл детали и осажденное металлическое покры­тие образуют гальваническую пару, анодом в которой является основной металл детали. При попадании влаги через дефекты в покрытии между покрытием и основным металлом основной металл разрушается.

К катодным покрытиям относятся никель, медь, серебро.

В радиоэлектронике применяют цинкование, кадмирование, ни­келирование, хромирование, серебрение и лужение. Изделия из ста­ли чаще всего покрывают цинком, кадмием, никелем или хромом, а изделия из медных сплавов – никелем, серебром, оловом. Корпуса микросхем из ковара покрывают гальваническим никелем, который может служить защитным покрытием и подслоем для последующе­го нанесения золотого гальванического покрытия.

Металлизация – это процесс получения относительно тол­стого металлического покрытия.

Толстые металлические покрытия получают погружением дета­ли в расплавленный металл (горячая металлизация) или с помощью пистолета-распылителя (горячее распыление).

Горячую металлизацию применяют для получения покрытий только на металлических деталях. Для металлизации используют цинк или олово. Покрытие оловом осуществляют при выполнении монтажных работ в производстве радиоэлектронной аппаратуры для получения поверхностного электропроводного слоя и защиты от коррозии.

Горячее распыление применяют для получения металлических покрытий на металле, керамике, пластмассе, стекле, конденсаторной бумаге, тончайшей ткани, полистирольной пленке и других материалах с низкой нагревостойкостью.

Нагретый в пистолете металл распыляют на поверхность детали нейтральным газом азотом или углекислым газом.

Вакуумные покрытия получают при нанесении тонкого слоя любого металла на поверхность металлических и неметаллических деталей в вакууме. При этом используют катодное распыление или вакуумное испарение.

Катодное распыление проводят в вакуумных установках. В качестве анода используют металлическую пластину, на которую зак­репляют деталь. Катодом служит пластинка металла, которым эту деталь необходимо покрыть. Под действием разности потенциалов частицы с катода переносятся на анод и осаждаются на деталь. Процесс катодного распыления требует высокого напряжения (примерно 10...30 кВ) и протекает в течение нескольких часов.

Вакуумное испарение также проводят в вакуумных установках. Деталь закрепляют на держателе на определенном расстоянии от испарителя. Испаритель представляет собой вольфрамовую спираль, покрытую металлом, который подлежит испарению. Спираль нагревают в вакууме до температуры, при которой наступает интенсивное испарение и осаждение металла на деталь.

Вакуумное испарение находит более широкое применение, так как не имеет недостатков катодного распыления.

Химический способ применяют для получения металлических покрытий с помощью специальных растворов без электри­ческого тока. Он основан на восстановлении ионов осаждаемого металла в результате взаимодействия с восстановителем. Восстано­витель окисляется и отдает свои электроны. Находящиеся в раство­ре ионы металла присоединяют эти электроны, превращаются в ато­мы и осаждаются на деталь в виде металлической пленки. Реакция восстановления протекает лишь на металлической поверхности.

Наиболее широко применяют химическое никелирование и химическое меднение.

Химическое никелирование позволяет покрывать детали сложной формы и внутренние поверхности, которые не доступны для покрытия гальваническим способом. В микроэлектронике химичес­кий никель наносят на детали корпусов микросхем, которые герме­тизируются контактными методами сварки.

Химическое меднение используют для металлизации пластмасс при изготовлении печатных плат.