Osadzanie stopów galwanicznych

Elektroosadzanie powłok stopowych było do niedawna niewielkim marginesem technologii galwanicznych. Sytuacja uległa gruntownej zmianie, gdyż wzrosło zapotrzebowanie na powłoki o specjalnych właściwościach, nastąpił też znaczny postęp w metodach analitycznych i sterowania parametrami elektroosadzania.

Warunki współosadzania metali

Warunkiem osadzenia stopu galwanicznego jest prowadzenie procesu dla potencjału katody E_k

E_k = E₀₁ + η₁ = E₀₂ + η₂ = = E0_n + η_k

Gdzie: E₀₁,E₀₂,E0_n - potencjały równowagowe dla metali Me₁,Me₂,Men ; η₁,η₂,η_n - nadnapięcia osadzania metali Me₁,Me₂,Me_n.

Dalszym podstawowym warunkiem współosadzania stopów galwanicznych o określonym składzie jest przebieg w stanie ustalonym wszystkich cząstkowych procesów elektrokrystalizacji. Przy potencjale katody wg powyższego równania musi być zachowana stałość cząstkowych gęstości prądu, przy której osadza się metal Me₁ oraz stałość stężeń c_i bezpośrednio przy powierzchni katody jonów wszystkich osadzanych metali.

W praktyce spełnienie tych warunków uzyskuje się przez:

• zbliżenie potencjałów równowagowych np. w wyniku kompleksowania jednego ze składników,
• odpowiednie zróżnicowanie nadnapięcia osadzania poszególnych składników zwykle przez zwiększenie nadnapięcia bardziej elektrododatniego metalu w wyniku kompleksowania, inhibitowania jednego z etapów wydzielania, zwiększenia katodowej gęstości prądu lub też osadzanie w zakresie prądu granicznego.

Właściwości i zastosowanie stopów galwanicznych

Elektrolityczne powłoki stopowe mogą charakteryzować się następującymi właściwościami i zaletami:

• lepszą, a w wielu przypadkach dużo lepszą odpornością na korozję niż powłoki z poszczególnych metali wchodzących w skład stopu,
• specjalnie pożądanymi właściwościami termicznymi, magnetycznymi lub innymi, których nie wykazują powłoki z metali składowych lub też stopy wytwarzane metodą metalurgiczną, wynikającymi z drobnoziarnistej, jednorodnej struktury stopów galwanicznych,
• właściwości związane ze składem chemicznym i strukturą osadzanego stopu, takie jak mikrotwardość, naprężenia własne, plastyczność i połysk, przewodnictwo elektryczne i magnetyczne, można dobierać w prosty sposób przez dobór składu kąpieli galwanicznej i parametrów technologicznych,
• możliwość uzyskiwania pośredniej barwy podczas osadzania elektrolitycznego stopu dwuskładnikowego, w stosunku do zabarwienia poszczególnych metali,
• łatwością otrzymywania stopów metali różniących się znacznie temperaturami topnienia jak np. Cu i Cd, Ni i Sn, Ni i W itp.,
• niższymi kosztami wytwarzania przez zastosowanie tańszego składnika stopowego lub zastąpienie powłoki z droższego metalu bardziej pospolitymi składnikami stopowymi z zachowaniem wymaganych właściwości.

Poniżej zestawiono stosowane w praktyce stopy galwaniczne wraz z krótkim opisem ich właściwości i zastosowań. Cyfry po symbolu chemicznym danego składnika oznaczają jego zawartość w stopie w % wag.

Stopy cyny

Sn5-15/Pb95-85 Dobra odporność korozyjna, także na czynniki chemiczne utleniające,dobre właściwości smarne.Stosowane do wyrobu łożysk ślizgowych, pokrywania taśmy stalowej, osłonek przewodów elektrycznych, do zabezpieczania elementów hydraulicznych, budowlanych itp.

Sn45-85/Pb55-35 Dobra odporność korozyjna, częściowa na kwasy, ciągliwe, dobre właściwości smarne, długotrwała lutowność. Stosuje się do pokrywania elementów elektronicznych, samochodowych, obwodów drukowanych, łożysk ślizgowych, styków.

Sn65-80/Ni35-20 (5-25 µm)Dobra odporność korozyjna w atmosferze wilgotnej,odporność na plamistość, wysoka twardość HV300-500, lutowne, wysoka odporność na zużycie ścierne. Stosowane jako powłoki dekoracyjne na wyroby jubilerskie, sprzęty domowego użytku, wyrobów stykających się z produktami spożywczymi, elementów elektronicznych.

Stopy cynku

Zn86-88/Ni14-12 (5-20µm)Odporność korozyjna 3-6 krotnie lepsza od powłok Zn, także w atmosferze wilgotnej. Ochrona katodowa dla stali, opóżnione tworzenie się “białej rdzy”, chromianowalne. Dobra odporność na zużycie ścierne, zgrzewalne. Stosowane na blachy karoseryjne, elementy budowlane, armaturę w przemyśle naftowym i gazowym, drobnicę w przemyśle samochodowym, maszynowym, przewody paliwowe, hamulcowe itp.

Zn/Co 0,2-0,8 (5-10 µm)Odporność korozyjna 2-3 krotnie lepsza od powłok Zn, plastyczne, odporne na zużycie ścierne, zgrzewalne ,opóżniają tworzenie się “bialej rdzy”. Stosowane na blachy karoseryjne i osprzęt samochodowy.

Zn70-90/Fe 10-30 (8-30 µm)Odporność korozyjna 3-5 krotnie lepsza od powłok Zn, zgrzewalne, dobrze chromianują się na czarno. Stosowane w przemyśle maszynowym, samochodowym np. do pokrywania świec silnikowych.

Stopy miedzi

Cu 80-90/Sn20-10 Brązy, jednofazowe, plastyczne, twardość HV 320-350, powyżej 10 µm szczelne, dobra odporność na zużycie ścierne, zwłaszcza tarcie ślizgowe. Stosowane jako pokrycia dekoracyjne do wykańczania lamp oświetleniowych, galanterii metalowej, okuć meblowych. W technice do zabezpieczania niektórych detali hydraulicznych, wytwarzania łożysk ślizgowych.

Cu55-60/Sn45-40 Biały brąz, dwufazowy, odporny na plamistość i działanie kwaśnych produktów spożywczych, ograniczona lutowność, twardość HV 400-500. Stosowany jako pokrycia dekoracyjne w jubilerstwie, jako substytut powłok niklowych. W technice do pokrywania armatury hydraulicznej, jako warstwy regeneracyjne.

Cu60-80/Zn40-20 Mosiądze, ograniczona odporność na korozję, podatny na plamistość, dobra przyczepność do gumy wulkanizowanej, ograniczona lutowność, twardość HV200-300. Stosowany jako pokrycie dekoracyjne na wyroby oświetleniowe, okucia meblowe itp. W technice stosuje się jako podwarstwa pod wulkanizowaną gumę np. w amortyzatorach, kordach stalowych opon samochodowych.

Cu70-95/Cd30-5 Brązy kadmowe, o zawartości 5% Cd doskonałe właściwości smarne, a 30% Cd bardzo dobra odporność korozyjna. Stosowane do wyrobu łożysk ślizgowych w silnikach samolotowych i dieslowskich.

Cu55/Sn30/Zn15 Twardość zbliżona do powłok chromowych, na podwarstwie Ni dobra ochrona korozyjna stali, dobra lutowność i odporność na plamistość, mała rezystancja elektryczną na pokrycia drobnych detali mechaniki precyzyjnej, w technice biurowej, styków i kontaktów elektrycznych.

Cu77/Ni15/Sn8 Stop o strukturze spinoidalnej, plastyczny, odporny na podwyższone temperatury. Stosowany jako pokrycia złącz stykowych w elektrotechnice.

Stopy niklu i kobaltu

Ni95-5/Fe5-95 Stopy o zawartości 10-30% Fe stosowane jako błyszczące, dekoracyjne powłoki o dobrej plastyczności i zadawalającej odporności korozyjnej. Stopy o zawartości 15-25% Fe mają cenne właściwości magnetyczne, dobrą odporność erozyjną, abrazyjną i kawitacyjną. Wykazują stabilność w podwyższonych temp., twardość HV 550-700.Stosowane są jako nośniki pamięci magnetycznych, jako warstwy regeneracyjne, do wytwarzania detali metodą galwanoplastyczną - formy do tłoczenia tworzyw sztucznych, gumy i szkła.

pNi95-5/Fe5-95 Stopy o zawartości 10-30% Fe stosowane jako błyszczące, dekoracyjne powłoki o dobrej plastyczności i zadawalającej odporności korozyjnej .Stopy o zawartości 15-25% Fe mają cenne właściwości magnetyczne, dobrą odporność erozyjną, abrazyjną i kawitacyjną. Wykazują stabilność w podwyższonych temp., twardość HV 550-700.Stosowane są jako nośniki pamięci magnetycznych, jako warstwy regeneracyjne, do wytwarzania detali metodą galwanoplastyczną - formy do tłoczenia tworzyw sztucznych, gumy i szkła. Ni95-5/Co5-95 Dobra odporność korozyjna, wysoka twardość HV 400-500 ,dobra odporność na zużycie abrazyjne, żarowytrzymałe, cenne właściwości magnetyczne. Stosowane jako powłoki dekoracyjne, jako nośniki magnetyczne, do pokrywania mocno obciążonych elementów w przemyśle maszynowym i samochodowym, wytwarzania detali metodą galwanoplastyczną.

Ni98-86/P2-14 Dobra odporność korozyjna, powyżej 8% P struktura amorficzna, dobra oporność na zużycie ścierne, twardość HV 400-800. Stosuje się na pokrycia zestyków elektrotechnice, wyrobów przemysłu maszynowego narażonych na duże zużycie ścierne.

Co80-70/W20-30 Dobra odporność korozyjna, twardość po nałożeniu HV400-500 a po obróbce cieplnej HV800-1000,wysoka odporność na zużycie ścierne, żarowytrzymałość. Stosowane jako pokrycia zestyków w przekaźnikach i przełącznikach na duże moce, do pokrywania części w przemyśle kosmicznym i samolotowym.

Ni98-65/W2-35 Dobra odporność korozyjna, wysoka odporność na zużycie ścierne. twardość po nałożeniu HV400-500 a po obróbce cieplnej HV700-800, żarowytrzymałe. Stosowane jako substytut powłok chromowych w przemyśle tekstylnym, maszynowym, jako pokrycia stempli do prasowania szklanych ekranów TVC, do wyrobu detali metodą galwanoplastyki.

Stopy chemiczne niklu

Ni96-99/P4-1 (5-25 µm) Drobnokrystaliczna struktura, małe naprężenia własne, twardość po nałożeniu do HV800, lutowność i zgrzewalność optymalna przy zawartości 4-8% P. Dobre przewodnictwo elektryczne, odporność na alkalia i czynniki atmosferyczne. Wszechstronne zastosowanie w przemyśle maszynowym, elektrotechnicznym, elektrycznym i komputerowym np. jako nośniki magnetyczne dysków komputerowych.

Ni91-95/P 9-5 (20-50 µm) Struktura amorficzna przed, a krystaliczna - po obróbce cieplnej, niskie naprężenia ściskające. Twardość po nałożeniu HV 500-600, a po obróbce cieplnej 1000-1100. Odporność korozyjna na czynniki organiczne i nieorganiczne, poza utleniającymi. Dobra odporność na zużycie ścierne. Szerokie zastosowanie na elementy pracujące w średnich warunkach korozyjnych, jako warstwy przeciwścierne na stali kwasoodpornej, aluminium, miedzi i tytanie.

Ni86-90/P14-10 (5-100 µm) Struktura amorficzna, naprężenia ściskające, twardość po nałożeniu HV500-600, a po obróbce cieplnej HV1100. Wysoka odporność korozyjna, abrazyjna,erozyjna i kawitacyjna. Dobra przewodność elektryczna. Wzrastające zastosowanie w przemyśle maszynowym, budowlanym, tekstylnym, elektrotechnicznyn na elementy pracujące w ciężkich warunkach korozyjnych, do pokrywania tworzyw sztucznych jak i form do ich prasowania.

Ni94,0-99,9/B6,0-0,1 Struktura mieszana, doskonała odporność na zużycie ścierne, twardość HV650-700 po nałożeniu, a po obróbce cieplnej 1000-1100. Dobra lutowność, słabsza od powłok NiP odporność korozyjna. Stosuje się w elektronice, przemyśle maszynowym, do pokrywania form szklarskich itp.

Ni/P/SiC20%obj. (5-100 µm) Wysoka odporność korozyjna i chemiczna, doskonała odporność abrazyjna, twardość po nałożeniu HV500, a po obróbce cieplnej 1400. Stosuje się do wyrobu narzędzi stomatologicznych, pokrycia elementów silników spalinowych, armatury hydraulicznej, walców poligraficznych, znajdują również zastosowanie w przemyśle budowlanym, tekstylnym i naftowym.

Ni/P/PTFE20%obj. (5-50 µm) Wysoka odporność korozyjna, dobre właściwości smarne-wsp.tarcia 0,1-0,2. Twardość po nałożeniu HV300, a po obróbce cieplnej 500. Stosuje się na elementy hydrauliki, pneumatyki, poligrafi, jako pokrycia form do tłoczenia tworzyw sztucznych i gumy.

Stopy metali szlachetnych

Ag96-99,9/Sb4-0,1 Znacznie wyższa od powłok srebrnych twardość i odporność na zużycie ścierne. Stosowane jako powłoki ochronno-dekoracyjne, w technice do pokrywania styków i kontaktów elektrycznych.

Ag96-99,9/Sb4-0,1 Znacznie wyższa od powłok srebrnych twardość i odporność na zużycie ścierne. Stosowane jako powłoki ochronno-dekoracyjne, w technice do pokrywania styków i kontaktów elektrycznych.

Au65-99/Ag35-1 (0,1-200 µm) Dobra odporność korozyjna, twardość HV170-220, odporność na działanie wysokich temperatur. Stosowane jako pokrycia dekoracyjne wyrobów jubilerskich, armatury sanitarnej itp. W technice do pokrywania styków i kontaktów elektrycznych, do wytwarzania wyrobów jubilerskich metodą galwanoplastyki.

Au55-98/Cu2-45 (0,1-8 µm) Struktura heterogeniczna, słaba odporność korozyjna, twardość HV180-220. Stosowane jako powłoki dekoracyjne do pokrywania wyrobów jubilerskich.

Au67-78/Cu16-29/Cd3-10 (0,1-200µm) Wysoka twardość HV300-400 i odporność na zużycie ścierne. Stosuje się jako pokrycia ochronno-dekoracyjne, w technice do pokrywania elementów układów elektronicznych narażonych na ścieranie,do wytwarzania ozdób jubilerskich metodą galwanoplastyki .

Au99-99,1/Ni(Co,Fe)1-0,1 (0,1-10 µm) Dobra odporność korozyjna i na zużycie ścierne, twardość HV140-200. Wszechstronne zastosowanie zarówno ochronno-dekoracyjne jak i techniczne, zwłaszcza do pokrywania elementów układów elektronicznych narażonych na ścieranie.

Pd75-80/Ni25-20 Dobra odporność korozyjna i na zużycie ścierne, mała rezystancja przejścia. Stosuje się na pokrycia styków i kontaktów elektrycznych dla zmniejszenia grubości powierzchniowej warstwy złota lub rodu.