Powłoki galwaniczne na aluminium

galwanizernie • 15 Kwiecień 2017

Nakładanie metalowych powłok galwanicznych na aluminium jest stosunkowo rzadko stosowane. Przy pokrywaniu galwanicznym aluminium występują pewne specyficzne problemy, wynikające z właściwości chemicznych i fizycznych glinu:

  • glin jest pierwiastkiem amfoterycznym, a więc ulega działaniu roztworów kwaśnych i alkalicznych,
  • różnica potencjałów pomiędzy aluminium i metalem osadzanym może wpływać na przebieg reakcji elektroosadzania metalu,
  • z położenia glinu w szeregu napięciowym metali wynika, że w wielu przypadkach może następować samorzutne, kontaktowe osadzanie się metalu na powierzchni aluminium,
  • powłoki metalowe na aluminium wytwarza się z metali bardziej szlachetnych od glinu i dlatego odporność na korozję można uzyskać tylko pod warunkiem pełnej szczelności pokrycia,
  • współczynnik rozszerzalności cieplnej aluminium różni się znacznie od współczynnika dla większości osadzanych metali,
  • różnice w promieniu atomowym i strukturze krystalicznej pomiędzy podłożem aluminiowym i metalem powłoki mogą prowadzić do wystąpienia naprężeń powierzchniowych i obniżać przyczepność powłoki metalowej,
  • silna skłonność glinu do pasywacji - tworzenia cienkiej warstewki tlenkowej na powierzchni przy kontakcie z tlenem z powietrza lub jonami OH- z wody - może także obniżać przyczepność lub utrudniać nakładanie powłok metalowych.

Z tych względów przy pokrywaniu galwanicznym aluminium niezbędne jest stosowanie specjalnych metod przygotowania powierzchni podłoża przed właściwą obróbką galwaniczną, a także często specyficznych warunków osadzania metalu.

Poniżej zestawiono metody przygotowania powierzchni aluminium przed nakładaniem powłok galwanicznych, najczęściej stosowane w celu zaktywowania i rozwinięcia powierzchni oraz zabezpieczenia jej przed utlenianiem:

  • cynkowanie kontaktowe,
  • cynowanie kontaktowe,
  • bezprądowe osadzanie metalu,
  • mechaniczne przygotowanie powierzchni,
  • trawienie chemiczne,
  • chemiczne lub anodowe utlenianie (zwykle w roztworach kwasu fosforowego lub szczawiowego).

Najczęściej stosuje się chemiczne zacynkowanie powierzchni metodą kontaktową przez zanurzenie odtłuszczonych części aluminiowych w silnie alkalicznym roztworze cynkanu sodowego. Zachodzi wówczas jednoczesne nadtrawienie podłoża i kontaktowe wydzielenie cynku na powierzchni aluminium. W czasie pokrywania kontaktowego na powierzchni występują obszary anodowe i katodowe, na których przebiegają następujące reakcje chemiczne:

Reakcje anodowe:

Al + 3OH- → Al(OH)3 + 3e-

Al(OH)3 → AlO2- + H2O + H+

Reakcje katodowe:

Zn(OH)42- → Zn2+ + 4OH-

Zn2+ + 2e- → Zn

H+ + e- → H → 1/2 H2

Typowy cykl operacji przygotowania powierzchni aluminium przed pokrywaniem galwanicznym przedstawia się następująco (pominięto operacje płukania):

  1. odtłuszczanie,
  2. trawienie,
  3. rozjaśnianie,
  4. cynkowanie kontaktowe (jedno- lub dwukrotne),
  5. pokrywanie galwaniczne.

Najczęściej stosuje się pokrywanie aluminium chromem, niklem, kadmem, miedzią, srebrem i cyną, zwykle dla uzyskania dobrej jakości wykończenia powierzchni wytwarzając powłoki wielowarstwowe. Poniżej zestawiono główne typy stosowanych powłok galwanicznych i ich zastosowania.

Zasadnicze typy i zastosowania powłok metalowych na aluminium
Metal powłoki lub wielowarstwowego układu powłok Zastosowanie
Cu-Ni-Cr, Cu-Ag, Cu-Ni dekoracyjne
Cd ochrona przed korozją, szczególnie elektrochemiczną przy kontakcie części aluminiowych ze stalowymi lub miedzianymi
Cu, Sn, Cu-Sn, Cu-SnPb poprawa lutowności powierzchni
mosiądz CuZn dla elementów łączonych z gumą
Cu-Ag, Cu-Ag-Rh kontakt elektryczny
Cr, Cu-Ni, Cu-Ni-Cr ochrona przed ścieraniem
Cr, Cu-Ni-Cr, Cu-Sn poprawa właściwości ślizgowych
nikiel chemiczny ochrona przed korozją i ścieraniem

Kąpiel do chemicznego zacynkowania powierzchni sporządza się zwykle z następujących składników:

ZnO 40 - 50 g/dm³
NaOH 400 - 450 g/dm³

W literaturze spotyka się często także receptury kąpieli o zawartości 100 g/dm³ ZnO lub bardziej rozcieńczone.

Proces prowadzi się w temperaturze otoczenia. Czas operacji wynosi zwykle od kilku sekund do 5 minut. Często w celu uzyskania bardziej równomiernej warstwy zacynkowanie powierzchni wykonuje się dwukrotnie, zdejmując wstępnie wytworzoną warstwę w roztworze kwasu azotowego. Dla poprawienia jakości warstewki cynku do roztworu dodaje się czasem niewielkie ilości soli żelaza, miedzi lub niklu, a także związków o działaniu kompleksotwórczym.

Poniżej przedstawiono przegląd ważniejszych metod nakładania galwanicznych powłok metalowych na aluminium. Szczegóły prowadzenia operacji pokrywania podane są szerzej w odpowiednich rozdziałach Notesu, poświęconych poszczególnym technologiom.

Miedziowanie aluminium

Powłoki miedziane na aluminium stosuje się zazwyczaj w celu zwiększenia lutowności powierzchni lub jako podwarstwy pod inne powłoki galwaniczne.

Po wstępnym zacynkowaniu powierzchni pokrywanie miedzią prowadzi się elektrolitycznie w kąpieli cyjankowej lub pirofosforanowej. Należy stosować kąpiele galwaniczne o możliwie małej wrażliwości na zanieczyszczenia glinem i cynkiem.

Niklowanie aluminium

Powłoka niklowa na aluminium spełnia rolę dekoracyjną, chroni przed korozją lub służy do zabezpieczenia podłoża przed zużyciem mechanicznym. Wstępnie powierzchnia aluminium pokrywana jest kontaktowo cynkiem. Dla uzyskania dobrej przyczepności często przed niklowaniem stosuje się dodatkowo podwarstwę miedzi. Wytwarzać można powłoki matowe np. z kąpieli Wattsa lub błyszczące z roztworów zawierających zestaw dodatków blaskotwórczych. Czasem stosuje się powłokę dwuwarstwową nikiel matowy - nikiel błyszczący.

Chromowanie aluminium

W celu uzyskania powłoki dekoracyjnej o zwiększonej trwałości często warstwy niklowe na aluminium zostają dodatkowo pokryte cienką powłoką tzw. chromu dekoracyjnego. W tym przypadku technologia pokrywania nie różni się od stosowanej powszechnie przy nakładaniu wielowarstwowych pokryć miedź - nikiel - chrom.

Nakładanie grubszych powłok chromu do celów technicznych (tzw. chromowanie techniczne) stosuje się przy produkcji aluminiowych elementów silników spalinowych (tłoki, cylindry) i układów hydraulicznych, np. automatyki, hamulcowych i in. Zabezpiecza się w ten sposób powierzchnie narażone na ścieranie przed zużyciem mechanicznym.

Kąpiele do chromowania zwykle cechują się bardzo słabą wgłębnością, przez co utrudnione jest uzyskanie w miarę równomiernej powłoki na elementach o złożonym kształcie. Chromowanie techniczne można prowadzić na powierzchni aluminium wstępnie zacynkowanej kontaktowo, ale korzystniej jest stosować dodatkowo warstwę pośrednią 5 mm miedzi lub niklu. W układach hydraulicznych zwykle dla zapewnienia dobrej odporności korozyjnej stosuje się pod chrom grubszą warstwę niklu (20 - 30 µm).

Kadmowanie aluminium

Powłoki kadmowe skutecznie chronią części aluminiowe przed korozją w przypadku ich bezpośredniego kontaktu z częściami metalowymi wykonanymi z bardziej szlachetnych materiałów (stal, miedź i in.). W tym układzie występuje skłonność do korozji elektrochemicznej.

Kadmowanie prowadzi się z konwencjonalnej kąpieli cyjankowej po uprzednim zacynkowaniu powierzchni aluminium metodą kontaktową.

Cynowanie aluminium

Powłoki cynowe stosuje się głównie w celu nadania powierzchni dobrej lutowności. Należy pamiętać, że cynk może dyfundować przez cynę i sprzyjać tworzeniu tzw. whiskersów. Mniejszą skłonność do tworzenia whiskersów wykazują powłoki stopowe cyna-ołów. Zamiast wstępnego zacynkowania powierzchni można w tym przypadku stosować cynowanie kontaktowe z roztworów cynianu sodu. Właściwą powłokę cynową nakłada się z kąpieli alkalicznych lub kwaśnych.

Niklowanie chemiczne aluminium

Niklowanie chemiczne polega na wytwarzaniu w sposób kontrolowany grubszych warstw niklowych na zasadzie chemicznej redukcji jonów niklu z roztworu. Reduktorem jest zwykle podfosforyn sodu. Na skutek wbudowywania się fosforu w powłokę, zawiera ona od 3 do 14% P.

Otrzymywana w ten sposób powłoka niklowa ma zwykle dobrą przyczepność do aluminium. Cechuje się estetycznym wyglądem, doskonale chroni materiał podłoża przed korozją i zużyciem mechanicznym. Posiada wysoką twardość, którą można jeszcze zwiększyć przez dodatkową obróbkę cieplną. Przed pokrywaniem niklem najczęściej stosuje się cynkowanie kontaktowe powierzchni aluminium w roztworze cynkanowym.

Proces niklowania chemicznego aluminium wykorzystuje się przy wytwarzaniu pamięci komputerowych (dyski twarde), elementów maszyn włókienniczych, drukarskich, pakujących, części dla przemysłu elektrotechnicznego i elektronicznego.