Гальваническое покрытие
Электрохимическое осаждение металлического слоя на подложку. Это наиболее распространённый вид отделки поверхности стальных деталей: он обеспечивает защиту от коррозии, износостойкость, паяемость и нужный внешний вид. Руководство объясняет, что указывать в спецификации, от чего зависит стоимость, какие ошибки возникают и когда водородное охрупчивание может разрушить деталь.
Какое гальваническое покрытие вам нужно?
Начните с главного требования. Большинство стальных деталей цинкуют: это самый недорогой рабочий вариант. Переходите к более дорогим покрытиям только при наличии конкретной причины. Используйте эту таблицу для выбора.
| Если вашей детали требуется... | Покрытие | Типичная толщина | Коэффициент стоимости |
|---|
| Базовая защита стальных деталей от коррозии (в помещении или под навесом) | Цинк с прозрачным хроматированием | 5–8 μm | 1x (базовый уровень) |
| Наружная защита от коррозии (Автомобильная, строительство) | Цинк (жёлтый или оливково-зелёный) | 8–15 μm | 1x |
| Высокая коррозионная стойкость и соответствие RoHS (автомобильная промышленность, европейский рынок) | Цинк-никелевый сплав | 8–15 μm | 2–3x |
| Твёрдая износостойкая поверхность на стали | Твёрдый хром | 10–250 μm | 3–5x |
| Яркая декоративная отделка (потребительская продукция, фурнитура) | Никель + декоративный хром | Ni: 10–20 μm / Cr: 0.25 μm | 2–4x |
| Равномерное покрытие сложной геометрии без подвода тока | Химическое никелирование (ENP) | 10–50 μm | 3–5x |
| Паяемость (электрические контакты, выводы печатных плат) | Олово или оловянно-свинцовый сплав | 5–15 μm | 2–3x |
| Электропроводность с защитой от коррозии | Олово или серебро | 5–15 μm | 2–4x |
| Предварительная обработка перед окраской или склеиванием | Медный подслой | 2–5 μm | 1–2x |
| Максимальная коррозионная стойкость для морской среды без ограничения стоимости | Кадмий | 8–15 μm | 4–6x |
Практическое правило
Если вы не знаете, какое покрытие использовать для стальной детали, укажите цинковое покрытие с жёлтым хроматированием. Оно подходит для 80% случаев при минимальной стоимости. Выбирайте цинк-никель, только если заказчик требует соответствия RoHS и более 500 часов соляного тумана. Твёрдый хром нужен только при фактическом требовании к износостойкости.
Сравнение видов покрытий
| Свойство | Цинк | Цинк-никель | Электролитический никель | Химический никель | Твёрдый хром | Декоративный хром | Олово | Медь |
|---|
| Диапазон толщины | 5–25 μm | 8–15 μm | 5–50 μm | 10–75 μm | 10–500 μm | 0.25–0.5 μm | 5–15 μm | 2–30 μm |
| Твёрдость (HV) | 70–120 | 350–500 | 150–300 | 500–700 | 800–1000 | 900–1100 | 10–20 | 50–100 |
| Коррозия (ч соляного тумана) | 96–500 | 500–1000 | 48–200 | 200–500 | 24–200 | 48–96 | 48–200 | 24–96 |
| Коэффициент стоимости | 1x | 2–3x | 2–3x | 3–5x | 3–5x | 2–4x | 2–3x | 1–2x |
| Износостойкость | Низкая | Умеренная | Умеренная | Хорошая | Отличная | Низкая (тонкий слой) | Очень низкая | Низкая |
| Типичное применение | Крепёж, кронштейны, штамповки | Автомобильный крепёж, детали для европейского рынка | Декоративное, восстановление размеров | Сложные формы, клапаны, детали насосов | Гидравлические штоки, пресс-формы, износостойкие поверхности | Потребительская отделка, смесители, ручки | Электрические контакты, клеммы, выводы PCB | Подслой, электрическое заземление |
| Риск водородного охрупчивания | Да | Да | Да | Низкий | Высокий | Умеренный | Низкий | Низкий |
Варианты цинкового покрытия
Цинк — основное покрытие для стали. Он корродирует жертвенно: вместо стали под ним разрушается цинковый слой. Коррозионная стойкость в основном определяется хроматной плёнкой (пассивацией), нанесённой поверх цинка. Для результатов испытаний соляным туманом химический состав хромата важнее толщины цинка.
| Тип хромата | Внешний вид | Соляной туман (ч) | Соответствие RoHS | Типичное применение |
|---|
| Прозрачный / голубой (Cr3+) | Прозрачный или со слабым голубым переливом | 96–120 | Да | Помещения, потребительские товары, электроника |
| Жёлтый радужный (Cr3+) | Переливающийся жёлтый, иногда радужный | 120–200 | Да | Наружные условия, автомобильные кронштейны, общее машиностроение |
| Жёлтый радужный (Cr6+) | Яркий переливающийся жёлтый | 150–250 | Нет | Военные и аэрокосмические изделия с исключением из RoHS, старые автомобили |
| Оливково-зелёный (Cr6+) | Тёмный оливково-зелёный | 200–500 | Нет | Военная техника |
| Чёрный (Cr3+) | Матовый чёрный | 96–200 | Да | Крепёж, декоративные детали, автомобильный интерьер |
| Герметизирующий слой / финишное покрытие поверх Cr3+ | Зависит от базового хромата | Добавляет 200–500 ч | Да | Когда требуются показатели соляного тумана Cr6+ без Cr6+; обычно для европейской автомобильной промышленности |
Трёхвалентный и шестивалентный хром
Cr6+ (шестивалентный хром) обеспечивает лучшие показатели соляного тумана и десятилетиями был отраслевым стандартом. RoHS и REACH ограничивают Cr6+ в большинстве потребительских и автомобильных изделий, продаваемых в ЕС. Трёхвалентные хроматы (Cr3+) соответствуют RoHS, но без дополнительного слоя дают меньше часов соляного тумана. Решение: использовать хромат Cr3+ вместе с органическим или неорганическим герметизирующим покрытием. Это обеспечивает показатели на уровне или выше старого Cr6+, но стоит дороже.
Цинк-никель vs цинк + хромат
Цинк-никелевое покрытие (обычно с 12–15% Ni) обеспечивает в 5–8 раз большую коррозионную стойкость, чем чистый цинк с хроматом Cr3+, без использования Cr6+. Это стандартный выбор для европейского автомобильного крепежа и деталей, которым одновременно нужны высокая стойкость в соляном тумане и соответствие RoHS. Компромисс: оно стоит в 2–3 раза дороже обычного цинка, а риск водородного охрупчивания остаётся тем же или немного выше.
Водородное охрупчивание
Это наиболее опасный вид разрушения гальванически покрытых деталей. Атомы водорода, образующиеся в процессе покрытия, могут диффундировать в сталь и сделать её хрупкой. Деталь может пройти контроль качества, а затем внезапно треснуть под нагрузкой, часто без видимых предупреждений. Закалённые и высокопрочные стали особенно подвержены этому риску. Это вопрос безопасности: ошибка может привести к разрушению детали в эксплуатации.
| Материал / Состояние | Риск водородного охрупчивания | Требуется запекание? | Примечания |
|---|
| Закалённая сталь (HRC 33+) | Высокий | Обязательно | Любая сталь, термообработанная выше ~HRC 33. Сюда входит большинство крепёжных изделий выше класса 8 (метрический 10.9), пружинная сталь и кольца подшипников. |
| Высокопрочная низколегированная сталь (HSLA) | Высокий | Обязательно | 4140, 4340, 8620 после закалки и отпуска. Проверьте твёрдость: при HRC 33+ требуется запекание. |
| Пружинная сталь (музыкальная проволока, 1095) | Высокий | Обязательно | Пружины всегда относятся к группе высокого риска. Даже малонагруженные пружины могут разрушиться из-за водорода. Всегда выполняйте запекание. |
| Углеродистая сталь (HRC 22–32) | Умеренный | Рекомендуется | Риск ниже, но он существует. Многие OEM требуют запекание любой гальванически покрытой углеродистой стали независимо от твёрдости. |
| Мягкая сталь (HRC ниже 22) | Низкий | Обычно не требуется | Незакалённая низкоуглеродистая сталь. Водород естественным образом диффундирует наружу. Запекание является профилактической, а не обязательной мерой. |
| Нержавеющая сталь | Низкий | Нет | Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316) не подвержена риску. Мартенситная нержавеющая сталь (410, 420) может быть подвержена: обращайтесь с ней как с закалённой сталью. |
| Чугун | Низкий | Нет | Графитовая структура чугуна не удерживает водород так, как закалённый мартенсит. |
| Медь, латунь, алюминий | Отсутствует | Нет | Эти металлы не подвержены водородному охрупчиванию. |
Процедура запекания
| Параметр | Спецификация | Примечания |
|---|
| Температура | 190–200 °C (375–390 °F) | Необходимо достичь температуры в течение 4 часов после покрытия (или по ASTM B850). Более низкие температуры менее эффективны. |
| Время | 4–24 ч | Минимум 4 ч для большинства деталей. Для крепежа по ASTM F1940: 8–23 ч. Для пружин и критичных для безопасности деталей: более 23 ч. Отсчёт начинается, когда деталь достигла температуры, а не при включении печи. |
| Срок | В течение 4 ч после покрытия | Водород диффундирует в сталь при покрытии и кислотном травлении. Чем дольше ждать запекания, тем глубже он проникает и тем сложнее его удалить. ASTM B850 требует выполнить запекание в течение 4 часов. |
| Нормативные документы | ASTM B850, ASTM F1940, MIL-STD-1500A | F1940 предназначен специально для испытания на водородное охрупчивание крепежа. B850 охватывает запекание после покрытия. |
Что произойдёт, если пропустить запекание
Водород остаётся в кристаллической решётке стали. При растягивающей нагрузке он мигрирует к концентраторам напряжений: резьбе, галтели и надрезам, вызывая межкристаллитное растрескивание. Деталь разрушается при нагрузках значительно ниже расчётных, часто при 20–50% ожидаемого предела текучести. Видимых признаков нет: до разрушения не будет ни деформации, ни изменения цвета, ни поверхностной трещины. Для критичных для безопасности деталей, включая крепёж, пружины, такелаж и компоненты сосудов под давлением, отказ от запекания создаёт риск ответственности. Всегда выполняйте запекание.
Влияние на размеры
В отличие от анодирования, которое растёт и внутрь, и наружу, гальваническое покрытие осаждается только на поверхности. Каждая поверхность, контактирующая с ванной, становится толще. Это важно для резьбы, посадок с натягом, посадочных мест подшипников и любых элементов с жёсткими допусками.
| Вид покрытия | Типичная толщина | Прирост на сторону | Итого на диаметре | Влияние на средний диаметр резьбы |
|---|
| Цинк (тонкое, 5 мкм) | 5 μm | +5 μm | +10 μm (0.0004 in) | Незначительное для класса 6g/2A |
| Цинк, стандартный (8–12 мкм) | 8–12 μm | +8–12 μm | +16–24 μm (0.0006–0.001 in) | Может вызвать тугой проходной калибр на резьбе 2A. Калибруйте резьбу до покрытия или используйте гайку 2B. |
| Цинк, толстый слой (15–25 мкм) | 15–25 μm | +15–25 μm | +30–50 μm (0.0012–0.002 in) | Значительное влияние. Необходимо уменьшить размер резьбы или прогнать её после покрытия. |
| Цинк-никель (8–15 мкм) | 8–15 μm | +8–15 μm | +16–30 μm | Как у цинка эквивалентной толщины. Учитывайте это в допуске. |
| Химическое никелирование (25 мкм) | 25 μm | +25 μm | +50 μm (0.002 in) | Значительное. Предварительно калибруйте отверстия, маскируйте посадочные места подшипников. |
| Твёрдый хром (50 мкм) | 50 μm | +50 μm | +100 μm (0.004 in) | Критично. Всегда шлифуйте после твёрдого хрома. Хром наносится с запасом и шлифуется до окончательного размера. |
| Декоративный хром (0,25 мкм) | 0.25 μm | незначительное отдельно | Незначительное | Толщину добавляет никелевый подслой 10–20 мкм. |
| Олово (8 мкм) | 8 μm | +8 μm | +16 μm | Низкая твёрдость означает, что олово может деформироваться в резьбе — калибруйте внимательно. |
Шлифовка твёрдого хрома
Твёрдый хром почти никогда не оставляют в размере после покрытия. Стандартный процесс: нанести покрытие с превышением на 50–100 мкм, затем шлифовать до окончательного размера. Это даёт точный контроль размеров и удаляет поверхностные узелки. Если твёрдый хром нужен на валу, укажите на чертеже минимальную толщину покрытия и требование шлифовать до окончательного размера.
Совместимость материалов
Не каждая подложка хорошо поддаётся покрытию. Углеродистая сталь обрабатывается проще всего. Алюминий, титан и чугун требуют специальной предварительной подготовки. Нанесение покрытия на неподходящий материал без правильной подготовки приводит к слабой адгезии, вздутиям или полному отсутствию покрытия.
| Подложка | Цинк | Никель | Хром | Олово | Медь | Примечания |
|---|
| Углеродистая сталь (1018, 1045, A36) | Лучший выбор | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Стандартная подложка. Кислотное травление очищает поверхность, после чего покрытие наносят напрямую. Специальная обработка не требуется. |
| Легированная сталь (4140, 4340, 8620) | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Как для углеродистой стали, но необходимо контролировать водородное охрупчивание и выполнять запекание после покрытия. |
| Нержавеющая сталь (304, 316) | Редко | Хороший | Хороший | С подслоем | С подслоем | Пассивный слой нержавеющей стали сопротивляется покрытию. Требуется никелевый подслой Вудса или сульфаматный подслой для активации поверхности перед покрытием. |
| Медь / латунь | Возможно | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Хорошо | Цинк плохо адгезирует к меди. Сначала используйте никелевый барьерный слой. Медь покрывается напрямую. |
| Алюминий | Нет | Требуется цинкатирование | Требуется цинкатирование | Требуется цинкатирование | Требуется цинкатирование | Алюминий мгновенно образует оксид на воздухе. Для создания поверхности, принимающей покрытие, необходимо погружение в цинкатный раствор; двойное цинкатирование даёт лучший результат. Адгезия является основной точкой отказа. |
| Чугун (серый, ковкий) | Сложно | Сложно | Сложно | Сложно | Сложно | Высокое содержание углерода и графита вызывает неравномерное покрытие, питтинг и слабую адгезию. Пористая поверхность удерживает раствор. Нужны длительное кислотное травление и специальный медный подслой. Не все цеха берутся за покрытие чугуна. |
| Титан | Нет | Специальный процесс | Специальный процесс | Специальный процесс | Специальный процесс | Титан имеет чрезвычайно стабильный оксидный слой. Требуется специальная предварительная обработка, например фторидная активация. Лишь немногие цеха предлагают покрытие титана; обычно разумнее рассмотреть анодирование титана. |
| Цинковое литьё под давлением (Zamak) | Только цианидный цинк | С медным подслоем | С медным подслоем | С медным подслоем | Хорошо | Кислая цинковальная ванна растворяет подложку из цинкового литья под давлением. Необходимо использовать щелочную цианидную или бесцианидную цинковую ванну. Для никеля и хрома всегда сначала наносите медный подслой. |
Надёжность покрытия алюминия
Нанести покрытие на алюминий можно, но хронической проблемой остаётся адгезия. Даже при двойном цинкатировании связь между алюминиевой подложкой и покрытием слабее, чем на стали. Термоциклирование и ударные нагрузки могут вызвать отслоение. Если покрытая алюминиевая деталь будет испытывать перепады температуры или механический удар, до запуска в производство подтвердите адгезию испытанием ASTM B571 (качественным) или ASTM B533 (количественным).
Факторы стоимости
Стоимость покрытия зависит от региона, размера цеха и объёма заказа, но относительная структура затрат остаётся одинаковой. Ниже приведены факторы, которые действительно меняют цену детали.
| Коэффициент стоимости | Влияние | Подробности |
|---|
| Наладка / плата за партию | Высокое для малых заказов | Большинство цехов берут минимальную плату за партию ($30–150). При заказе 10 шт. наладка составляет основную долю цены. При 500+ шт. стоимость покрытия на единицу заметно снижается. |
| Материал покрытия | Умеренное | Цинк самый дешёвый. Олово и медь имеют среднюю стоимость. Никель, хром и цинк-никель дороже, поскольку химия ванны и металлические аноды стоят больше. |
| Толщина | Умеренное | Чем дольше идёт покрытие, тем выше стоимость. Стандартный цинк 5–8 мкм имеет одну цену; запрос на 25 мкм увеличивает время цикла и может повысить плату за партию. |
| Маскировка | $1–10 за деталь | Каждый замаскированный элемент: резьба, отверстие или поверхность, требует труда. Простая ленточная маска стоит $1–3, точная пробка для отверстия $5–10. Несколько замаскированных элементов быстро увеличивают стоимость. |
| Запекание против водородного охрупчивания | +$0.50–3 за деталь | Дополнительный цикл печи: 4–23 ч при 190 °C. Он требует труда и энергии и задерживает отгрузку. Для закалённых деталей это обязательное требование. |
| Соответствие RoHS | +10–30% | Трёхвалентная химия стоит дороже шестивалентной. Испытания и документация добавляют накладные расходы. Большинство европейских и потребительских заказчиков этого требуют. |
| Военная / Авиакосмическая спецификация | +20–50% | Соответствие MIL-DTL-5541, AMS 2410, QQ-P-416 или ASTM B633 добавляет контроль процесса, испытания и документацию. Требования прослеживаемости партий увеличивают стоимость. |
| Срочность | +25–100% | Стандартный срок покрытия: 3–7 рабочих дней. Срочный заказ нарушает график партий; некоторые цеха вообще не принимают такие заказы. |
| Размер / вес детали | Низкое или умеренное | Очень мелкие детали требуют специальной подвески (барабанное покрытие помогает). Очень крупные детали могут не поместиться в стандартные ванны и требуют индивидуальных подвесок или ручной обработки. |
Типичные ошибки
| Ошибка | Последствия | Решение |
|---|
| Не указано запекание для закалённых стальных деталей | Отложенное растрескивание под нагрузкой. Детали проходят выходной контроль, но разрушаются в эксплуатации. Если деталь несущая или нагруженная, возникает потенциальная ответственность за безопасность. | Добавьте на чертеж: «ЗАПЕКАНИЕ ПО ASTM B850, МИН. 190 °C, МИН. 4 Ч В ТЕЧЕНИЕ 4 Ч ПОСЛЕ ПОКРЫТИЯ». Это обязательно для стали HRC 33+. |
| Не учтена толщина покрытия на резьбе | Гальванически покрытые болты не вворачиваются в гайки. Проходной калибр не проходит, резьба тугая или заклинивает. Хуже всего на деталях с мелкой резьбой класса 3B. | Для цинка 8–12 мкм учтите 0,008–0,013 мм на сторону по среднему диаметру резьбы. Сделайте внутренние резьбы с запасом или уменьшите наружные перед покрытием. Можно также указать прогонку резьбы после покрытия. |
| Указано цинкование для алюминия | Кислая цинковальная ванна растворяет алюминиевую подложку. Детали выходят повреждёнными, с питтингом или вообще без покрытия. | Для защиты алюминия от коррозии используйте анодирование или конверсионное покрытие. Если гальваническое покрытие необходимо, укажите химическое никелирование с предварительным цинкатированием. |
| Указан хромат Cr6+ для деталей с ограничением RoHS | Детали не проходят входной контроль у заказчика. Вся партия отклонена. Дорогостоящая переделка или брак. | Сначала проверьте требования заказчика. Если RoHS применимо, укажите трёхвалентный (Cr3+) хромат с герметизирующим покрытием для достижения целевых показателей соляного тумана. |
| Указан твёрдый хром без шлифовки после покрытия | Поверхность грубая с узелками и микротрещинами. Допуск не контролируется. Износостойкая поверхность не работает как ожидалось. | Всегда указывайте «ПОКРЫТЬ С ЗАПАСОМ, ШЛИФОВАТЬ ДО ОКОНЧАТЕЛЬНОГО РАЗМЕРА» для твёрдого хрома. Хром осаждается с запасом намеренно. |
| Покрытие чугуна без расширенной предварительной обработки | Неравномерное покрытие, пузыри и слабая адгезия. Пористость удерживает раствор и вызывает вторичную ржавчину. Детали выглядят покрытыми, но слой отслаивается. | Сообщите гальваническому цеху, что материал — чугун. Запросите расширенное кислотное травление и медный подслой. Ожидайте более высокую стоимость: не все цеха хорошо работают с чугуном. |
| Указан декоративный хром без никелевого подслоя | Хром сам по себе пористый и почти не защищает от коррозии. Он трескается при малейшей деформации, и на наружных деталях ржавчина может проступить через несколько дней. | Декоративный хром всегда наносят на никель, часто с предварительным медным подслоем. Стандартная схема: медный подслой + никель 10–20 мкм + хром 0,25 мкм. Барьер от коррозии обеспечивает никель. |
| Толщина покрытия не указана на чертеже | Цех применяет свою стандартную толщину, которая может быть слишком малой для требуемой коррозионной стойкости или слишком большой для ваших допусков. Нет основания отклонять несоответствующие детали. | Всегда указывайте стандарт, тип хроматирования и минимальную толщину покрытия на чертеже, например цинковое покрытие по ASTM B633, Type II, SC 2, с жёлтым хроматированием и толщиной не менее 0,0005 дюйма. |
| Запекание отложено более чем на 4 часа после покрытия | Водород проникает глубже в сталь, запекание становится менее эффективным, и часть водорода остаётся захваченной. Риск охрупчивания сохраняется. | ASTM B850 требует выполнить запекание в течение 4 часов после завершения покрытия. Согласуйте логистику с гальваническим цехом. Если детали отправляют на запекание в другое место, укажите ограничение по времени в заказе. |
| Стоимость маскировки не учтена в расчёте цены | Цена за единицу оказывается выше ожидаемой, потому что труд на маскировку не был учтён. Маржинальность заказа снижается. | Определите маскируемые элементы ещё при расчёте цены. Каждая маскируемая поверхность или отверстие добавляет $1–10. Для деталей с более чем пятью такими элементами стоимость маскировки может превысить стоимость покрытия. |