Фазлутдинов К.К.

06.08.2019 (обновленно 01.06.2020)

5751 просмотров

Особенности проектирования деталей из алюминия подлежащих гальванопокрытию

1. Общие вопросы.

Современная металлургическая промышленность производит огромное количество различных сплавов алюминия. Все их можно условно разделить на деформируемые и литейные. Выбор конкретного сплава при изготовлении деталей, как правило, обосновывается его физико-механическими свойствами и ценой.

Конструктора обычно интересуют: 

• Свойства сплава, обеспечивающие наиболее легкую обработку исходного материала выбранным методом. Очевидно, например, что одни виды алюминия легко льются, другие - точатся, третьи - хорошо подвергаются экструзии с получением профиля.
• Свойства готовых изделий, полученных из определенного сплава. Например, сплав Д16Т - твердый, что важно для корпусных деталей, в то время как технически чистый алюминий - очень мягкий и пластичный.
• Стоимость сплава и его доступность.

К сожалению, немногие при выборе сплава во время проектирования деталей обращают внимание на его предрасположенность к гальваническому покрытию. А между тем невнимательность в этом вопросе часто приводит к тому, что уже изготовленные детали просто невозможно покрыть и вся работа идет насмарку. Как же правильно выбрать алюминий под гальванику и какие тонкости процесса следует учесть при проектировании деталей? Для начала следует рассмотреть номенклатуру и особенности строения алюминиевых сплавов (подробно номенклатура представлена в ГОСТ 4784-97).

Деформируемые сплавы можно разделить на высокопрочные, среднепрочные и низкопрочные. 

• К высокопрочным деформируемым сплавам алюминия относятся дюрали (Д), содержащие в качестве легирующих добавок медь, марганец, магний, кремний, железо. Типичный пример - сплав Д16. Основным легирующим компонентом в нем является медь, образующая с алюминием интерметаллиды. Кроме этого, к классу высокопрочных можно отнести сплавы типа В, содержащие цинк, медь, магний и марганец - например, В95, а также высоколегированные магналии.
• Сплавы средней прочности (среднелегированный магналий, авиаль) содержат магний и кремний.
• Неупрочняемые сплавы алюминия (АМг или АМц) содержат магний, марганец или оба этих элемента вместе.
• Среди литейных сплавов следует выделить АК и АЛ (силумин). Главная особенность их состава - большой процент кремния в сплаве, до 14%. 

Алюминиевые заготовки из сплавов, не отличающихся высокой коррозионной стойкостью, защищают поверхностным слоем - плакировкой, обычно чистым алюминием. Иногда это может быть слой иного материала, например, ЛКП. Плакировочный слой может различаться по толщине. Более тонкий слой, представляющий меньшие трудности при покрытии, обозначается буквой Б, более толстый - А.

Теперь рассмотрим под какие гальванические операции в принципе может идти алюминий. По сути, здесь может быть два основных варианта:

• Анодирование (оксидирование)

• Нанесение металлического покрытия (никелирование, лужение, серебрение, меднение, хромирование и пр.). 

Анодирование алюминия применяется для защиты от коррозии, повышения микротвердости, улучшения внешнего вида, грунтования под окраску, электроизоляции и т.д. 

Никелирование создает высокодекоративный блестящий слой, устойчивый в щелочах при любой их концентрации и температуре (чистый алюминий в щелочах легко растворяется).

Оловянирование (лужение) обеспечивает паяемость и возможность безопасного сопряжения алюминия с деталями из меди.

Серебрение и меднение улучшают электропроводность и снижают переходное сопротивление в электроконтактах.

Выделим общие особенности алюминия, которые могут влиять как на качество анодировки, так и на качество металлизации: 

• Чем больше в сплаве легирующих компонентов, тем хуже он покрывается. Значительные трудности создает наличие в сплаве кремния. Для высококремнистых сплавов гальванопокрытие практически невозможно.

• Сплавы АЛ (силумины) очень сложно покрыть и невозможно качественно перепокрыть, т.е. необходимо при проектировании закладывать некоторый процент невозвратного брака с гальваники.

• Плакировка - проблема для гальваники. Самую большую трудность плакировка представляет для металлизации - практически всегда по ней покрытие будет отслаиваться, иногда - не сразу, а после длительного хранения или при пайке. Тонкая технологическая плакировка (обозначается Б) обычно удаляется при штатной подготовке поверхности алюминия, толстая (А) - не всегда. Кроме этого, плакировочный слой неоднороден по толщине. Также он может повреждаться и удаляться при изготовлении деталей. В результате может сложиться ситуация, когда часть детали свободна от плакировки, а часть - нет. За время удаления толстого плакировочного слоя при травлении чистая поверхность может сильно повредиться. К сожалению, визуально не всегда бывает возможно определить где плакировка уже снята, а где - нет. Желательно, таким образом, под гальванику изготавливать детали из неплакированного алюминия, либо предварительно удалять внешний слой механически на 2,5-3% толщины заготовки или более.

• Нельзя покрывать детали из алюминия наглухо сопряженные с деталями из других металлов (сталь, латунь, медь и т.д.). В этом случае неалюминиевые детали повредятся. Перед покрытием такие детали нужно разъединить. Также нежелательно покрывать детали, состоящие одновременно из нескольких сплавов алюминия.

• Нежелательно наличие большого количества глухих (особенно резьбовых) отверстий. Т.к. все гальванические операции проходят в растворах, то эти растворы легко затекают в глухие отверстия и очень неохотно их покидают по завершении процессов. Зачастую остатки электролита могут оставаться в отверстиях внешне совершенно сухой детали и вытекать оттуда через определенное время (иногда уже после упаковки), образуя подтёки и вызывая сильное повреждение как покрытия так и самой детали. 

2. Выбор сплава алюминия под анодирование. 

Особенностью процесса анодирования является тот факт, что оксидное покрытие не наносится извне, а образуется из верхнего слоя алюминия или его сплава. Следовательно, в процессе участвует не только сам алюминий, но и легирующие компоненты.

При этом они могут:

• Растворяться и переходить в электролит. Такими элементами являются, например, медь, железо, магний, образующие интерметаллические соединения с алюминием.
• Оксидироваться и встраиваться в структуру оксидной пленки, изменяя ее цвет, физические и химические свойства. Таким свойством обладает титан.
• Оставаться индифферентными, выделяясь в виде шлама по мере продвижения оксидной пленки вглубь детали. Такой шлам может как захватываться оксидной пленкой, так и образовывать плохо сцепленный мажущийся слой на поверхности детали. Типичный пример - кремний, в избытке присутствующий в литейных сплавах. 

На этих особенностях поведения примесей в сплавах алюминия и основывается выбор материала под анодирование:

• Лучше всего анодируется технически чистый алюминий.
• Чем меньше легирующих добавок в сплаве, тем толще и декоративнее можно получить оксидную пленку. При декоративном анодировании сплав алюминия не должен содержать более (%): 8 - цинка; 7 - магния; 3 - кремния; 2 - меди; 0,8 - марганца, 0,5 -железа; 0,3 - титана; 0,3 -хрома. При этом суммарно легирующих компонентов не должно быть больше 8%. Наиболее светлые покрытия получаются на технически чистом алюминии, достаточно светлые - на сплавах АМг, темно-серые с некоторой желтизной - на Д16. Сплав АД31 (6063) относительно трудно травится, иногда на его поверхности после анодирования хорошо видны разнотонности в местах загрязнений даже после хорошего обезжиривания деталей.
• Сплавы алюминия, содержащие медь, магний, железо, марганец после анодирования становятся более шероховатыми, одновременно с этим они лучше наполняются в красителях (получаемый цвет более насыщенный) и лучше сцепляются с лакокрасочными покрытиями.
• На цвет анодной пленки влияет структура металла. В местах с механическими повреждениями процесс идет быстрее и, соответственно, цвет пленки может быть более темным. Такими "очагами" могут быть царапины и места реза, а на отпескоструенной поверхности пленка вообще может получиться хаотично пятнистой. Часто бывает, что после гидроабразивной резки листовой детали при анодировании внешняя поверхность получается значительно светлее, чем место реза, что, при незнании особенностей процесса, можно принять за брак.
• При анодировании желательно наличие на деталях технологической площадки для монтажа на подвески (отверстие с резьбой, отверстие без резьбы, хвост, шпилька и т.д.). Просто завесить детали на крючки (как при металлизации) нельзя - анодироваться будет сам крючок, а не деталь. Необходимо создавать настолько плотный электроконтакт, чтобы под него не мог попасть электролит.Поэтому тяжелые детали (от 1 кг при 1 токоподводе) лучше анодируются, т.к. уже своим весом создают хороший контакт с подвеской. Легкие детали, особенно метизы, всегда требуют проектирования и изготовления специальной оснастки из титана. Без нее анодирование либо невозможно, либо идет с холостым ходом ванны до 90%.
• Анодирование насыпью (по аналогии с оцинковкой) невозможно.
• Тонкие и легкие алюминиевые пластинки невозможно покрывать в навязку - в месте контакта обязательно будет происходить деформация детали.
• Нежелательно анодировать деталь, состоящую из разных сплавов алюминия. Различные сплавы имеют разную структуру, теплопроводность, химическую стойкость. Все это может привести к разному режиму анодирования на разных частях одной детали, перераспределению электрического тока по поверхности и невозвратному браку.
• При необходимости детали следует термообрабатывать до анодирования, т.к. анодную пленку нежелательно нагревать выше 100°С.
• • Толстые анодные пленки (19,5-25 мкм за 1 час процесса) образуются на технически чистом алюминии и сплавах АД1, Д16, В95, Д20, АМг, АМц, АЛ2, АЛ8. Тонкие (7,6-8,5 мкм за 1 час процесса) - на Д1, АЛ7. 

3. Выбор сплава алюминия под металлизацию.

Нанесение металлического покрытия на алюминий - задача с одной стороны более сложная, чем анодирование, с другой стороны - более простая. Сложность состоит в том, что алюминий мгновенно пассивируется на воздухе очень тонкой оксидной пленкой, которая не дает покрытию прочно сцепиться с основой. После стравливания этой пленки и промывки детали она тут же образуется вновь. С другой стороны, при металлизации алюминия не предъявляются столь жесткие требования к прочности электроконтакта детали с подвеской.

Какие же есть особенности металлизации алюминия? 

• Как и при анодировании, чем меньше в сплаве примесей, тем лучше сцепление покрытия с основой. Однако, при металлизации это правило имеет большее значение. Становится важным не только состав и структура сплава, но и распределение легирующих компонентов по поверхности (часто неравномерное распределение возникает при горячей прокатке), наличие микродефектов, пористость материала и пр. Любая неоднородность или пора может стать очагом коррозии под покрытием (например, за счет окклюзии электролита) и привести к появлению отслоений.
• Деталь не должна содержать открытых глухих отверстий с глубиной более полутора своих диаметров D. При нарушении этого правила будет происходить растрав поверхности в глубине отверстия, особенно пострадает резьба. Вытекающие из отверстий растворы и продукты коррозии, скорее всего, вызовут отслоение покрытия вокруг отверстий. Величина 1,5D относительна, для некоторых процессов металлизации она может приближаться к 2D, для других - стремиться к минимуму. В идеале глухих отверстий быть не должно или они должны быть прочно закрыты болтами-заглушками. Особенно опасно меднение алюминиевых заготовок с глухими отверстиями, т.к. электролит сернокислого меднения крайне агрессивен к алюминию.
• Недопустимо высокое содержание кремния. При подготовительных операциях тонкий слой кремнистого шлама может оставаться на покрываемой поверхности в виде плохо сцепленного с основой порошка. Гальванопокрытие будет садиться на этот порошок и, в большинстве случаев, отслаиваться сразу или со временем.
• Часто при металлизации алюминия используется подслой из сплава никель-фосфор, осаждаемый из горячего раствора с температурой 85-95°С. Детали из алюминия, для которых недопустим такой нагрев, покрыть этим методом не удастся.
• Нежелательно делать детали из сплавов, для которых недопустима термообработка, т.к. прочность сцепления металлического покрытия и алюминия проверяется именно термическим воздействием при температуре от 100°С в течение нескольких часов.

Для заказа покрытия алюминия позвоните менеджеру или воспользуйтесь онлайн-формой заказа