Гальванические покрытия: цинк, хром, никель и анодирование

В чертеже стоит одно слово — «оцинковать», и на этом информация о покрытии заканчивается. Дальше вопросы задаёт уже гальванический участок: сколько микрон, с пассивацией или без, что делать с резьбой М6, которая после цинка перестанет свинчиваться, и почему в глухом отверстии слоя почти нет. Разберём, чем цинк отличается от никеля и хрома, почему анодирование — вообще не гальваника, какую толщину брать для улицы и для отапливаемого цеха и как записать покрытие в чертеж, чтобы его прочитали однозначно.

Гальваника: что это и как устроен процесс

Гальваника — это осаждение металла из раствора под действием тока. Деталь вешают на подвеску, опускают в ванну с электролитом и подключают катодом; анодом служат пластины осаждаемого металла или нерастворимые электроды. Ионы металла из раствора разряжаются на поверхности детали и наращивают слой. «Гальваника», «гальванизация» и «нанесение гальванических покрытий» в цеху означают одно и то же — процесс с током и ванной.

Толщина слоя пропорциональна произведению тока на время: чем дольше деталь висит в ванне и чем выше плотность тока, тем толще покрытие. Отсюда прямая связь толщины и цены — 18 мкм цинка дороже 6 мкм не только по металлу, но и по занятому времени ванны.

Главное в гальванике происходит до самой ванны с металлом. Обезжиривание, травление, активация, промежуточные промывки — это до двух третей операций технологического процесса по ГОСТ 9.305-84. Если на детали остался след СОЖ, окалина после термообработки или отпечаток пальца, покрытие в этом месте либо не сядет, либо отслоится через месяц. Поэтому детали передают на покрытие сразу после механообработки и не хранят их месяцами в промасленной таре.

Цинк, никель, хром: какие гальванические покрытия что делают

Ключевое различие — не во внешнем виде, а в том, как покрытие ведёт себя, когда его повредили. Это самый частый провал в подборе.

• Цинк — анодное, жертвенное покрытие для стали. В паре «цинк — железо» растворяется цинк, поэтому царапина до металла не даёт очага ржавчины: соседний цинк защищает оголённый участок электрохимически. Это единственная группа покрытий, которая прощает механические повреждения.
• Никель и хром — катодные, барьерные. Пока слой цел, деталь защищена. Как только появился скол или пора до стали, коррозия в этой точке идёт быстрее, чем на голом металле: маленький анод (сталь) работает против большого катода (покрытие). Поэтому никель и хром на уличных деталях требуют плотного многослойного покрытия, а не «для галочки».

Цинк почти никогда не оставляют голым: сразу после ванны его пассивируют — обрабатывают в растворе солей хрома. Пассивация даёт плёнку, которая в несколько раз увеличивает стойкость до появления белой коррозии, и заодно задаёт цвет: бесцветно-голубая, радужная, оливковая (хаки) или чёрная. Современные линии работают на трёхвалентном хроме — шестивалентный вытесняется экологическими ограничениями, и это стоит уточнять, если деталь идёт на экспорт.

Хром бывает двух совершенно разных видов, и путаница между ними стоит дорого. Декоративный хром — это доли микрона (обычно 0,25–1 мкм) поверх подслоя никеля 9–12 мкм: блеск даёт хром, а защиту — никель под ним. Твёрдый (износостойкий) хром — это 20–60 мкм и больше, с твёрдостью порядка 750–1000 HV, для штоков, плунжеров, валов и восстановления размеров. Твёрдый хром имеет сетку микротрещин, то есть сам по себе он не герметичная антикоррозионная защита, а именно рабочий износостойкий слой.

Отдельно стоит химический никель — сплав никеля с фосфором, который осаждается без тока. Его преимущество в равномерности: слой одинаков на кромке, в пазу и внутри отверстия, чего гальванический процесс не даёт в принципе. За это его берут для деталей сложной формы, гидравлики и внутренних поверхностей; твёрдость после термообработки поднимается почти до уровня хрома.

Ещё одна регулярная путаница — титановое покрытие. Когда заказчик просит «покрыть титаном», почти всегда речь про золотистый нитрид титана TiN на режущем инструменте или пресс-формах. Это не гальваника, а вакуумное напыление (PVD): слой в единицы микрон с твёрдостью в разы выше хромовой, наносится в вакуумной камере, а не в ванне. Технология и площадка другие, и подбирать её вместо цинкования под антикоррозию бессмысленно.

Анодирование и оксидирование: почему это не гальваническое покрытие

Анодирование алюминия устроено наоборот по отношению к гальванике: деталь подключают анодом, и вместо осаждения чужого металла окисляется её собственная поверхность. Растёт слой оксида алюминия — твёрдый, пористый, прочно сросшийся с основой, потому что он и есть основа. Отсюда практическое следствие, которое постоянно упускают конструкторы: слой растёт примерно наполовину вглубь и наполовину наружу. При толщине 20 мкм размер по стороне увеличится примерно на 10 мкм, а диаметр отверстия на столько же уменьшится.

Что даёт анодированный алюминий:

• Обычное сернокислое анодирование, 5–25 мкм — защита от коррозии и основа под окрашивание. Пористый слой красят в ванне, затем «наполняют» (закрывают поры) в горячей воде или растворе солей — без наполнения цвет вымывается, а стойкость падает.
• Твёрдое анодирование, 25–60 мкм, микротвёрдость порядка 400–500 HV — для деталей трения и пневматики. Цвет получается тёмно-серый или почти чёрный, ровного декоративного оттенка от него ждать не стоит.
• Диэлектрик. Анодный слой не проводит ток. Если по детали идёт заземление или электроконтакт, соответствующие площадки маскируют либо применяют электропроводное химическое оксидирование, которое сохраняет проводимость и служит грунтом под окраску.

Покрытие алюминиевых сплавов зависит от марки сильнее, чем от режима ванны. Деформируемые сплавы АД31, АД1, АМг дают ровный светлый слой и предсказуемый цвет. Сплавы с высоким содержанием меди (Д16) и литейные с кремнием (АК-серия) анодируются в тёмный, серо-зелёный или пятнистый оттенок, и добиться от них однородного цвета на партии практически невозможно. Если внешний вид критичен — марку нужно закладывать в конструкцию заранее, а не подбирать режим анодирования потом.

Оксидирование металла в случае стали — это уже другая история. Химическое оксидирование (воронение) даёт плёнку в единицы микрон: она почти не увеличивает размер, красиво чернит деталь и практически не защищает от коррозии без промасливания. Это вариант для инструмента и деталей в сухом отапливаемом помещении, а не для улицы. Фосфатирование чуть лучше как самостоятельная защита и заметно лучше как грунт: фосфатный слой резко повышает сцепление лакокрасочного покрытия с металлом.

Толщина покрытия: сколько нужно для улицы и что для помещения

Толщину назначают не по интуиции, а по условиям эксплуатации. В отечественной практике это группы условий по ГОСТ 9.303-84 в связке с климатическим исполнением по ГОСТ 15150-69. Практический ориентир по цинку:

• Лёгкие условия — отапливаемое помещение, сухой воздух, исполнение УХЛ4: цинк 6 мкм с пассивацией.
• Средние — неотапливаемый склад или цех, периодический конденсат: 9–12 мкм.
• Жёсткие — открытая атмосфера, дождь, перепады температуры, исполнение У1: 15–18 мкм, желательно оливковая или чёрная пассивация.
• Очень жёсткие — морской или промышленный воздух, реагенты: 21–24 мкм либо переход на другую систему защиты — горячее цинкование, цинк-ламельное покрытие, порошковая окраска поверх цинка.

Толщина гальванического покрытия по детали не бывает одинаковой. Электрическое поле концентрируется на выступах и кромках и почти не проникает в глубокие пазы и глухие отверстия, поэтому на остром угле слой заметно толще номинала, а на дне глухого отверстия его может почти не быть. Толщину нормируют и контролируют на основной рабочей поверхности, а не в самой неудобной точке детали.

Как ложится слой по зонам детали

Острая кромка, резьба, выступ — толще номинала

Открытая наружная поверхность — номинал

Стенка сквозного отверстия — заметно тоньше

Дно глухого отверстия, узкий паз — почти нет

Отдельно про запрос «толщина покрытия оцинкованной стали» — здесь речь обычно о листовом прокате, а не о деталях. В прокате цинк нормируют не в микронах, а в граммах на квадратный метр с учётом обеих сторон: класс 275 г/м² — это примерно по 19 мкм на сторону, класс 140 г/м² — около 10 мкм. Оцинкованная сталь с полимерным покрытием идёт дальше: поверх цинка наносят слой полиэстера толщиной около 25 мкм либо более стойкие системы в 35–50 мкм. Это готовый продукт металлургического завода, и к покрытию изготовленной детали он отношения не имеет — деталь из такого листа после резки и гибки остаётся с голым торцом, который нужно защищать отдельно.

Почему покрытие съедает резьбу и посадку

Гальваническое покрытие металла — это дополнительный материал поверх номинального размера. На плоскости это очевидно, на резьбе — нет, и именно здесь чаще всего срывается сборка.

У метрической резьбы боковые стороны профиля наклонены, поэтому слой толщиной t на каждой стороне увеличивает средний диаметр наружной резьбы примерно на 4t. Цинк 9 мкм — это плюс 36 мкм на средний диаметр. Запас на покрытие даёт основное отклонение поля 6g, и оно невелико:

Отсюда правило: на мелких резьбах покрытие толще 6 мкм не назначают. Если по условиям эксплуатации нужно 15–18 мкм, резьбу либо занижают по среднему диаметру целенаправленно (и пишут это в чертеже), либо резьбовые участки маскируют и не покрывают, либо всю деталь переводят на другую систему защиты. Внутренняя резьба ведёт себя зеркально: слой уменьшает средний диаметр гайки, поэтому её обычно нарезают с полем 6H и покрывают тонко, а на ответственных соединениях резьбу прогоняют метчиком после ванны.

С посадками та же арифметика, только нагляднее. Вал ⌀20h7 имеет допуск 21 мкм. Цинк 9 мкм добавляет по 9 мкм на сторону, то есть 18 мкм на диаметр — деталь выходит из поля допуска, даже если из станка вышла идеальной. Есть три рабочих варианта, и любой из них должен быть в чертеже явно:

1. Указать, что размер задан после покрытия, — тогда технолог заложит занижение в механообработку.
2. Не покрывать посадочные поверхности: маскирование пробками, заглушками, лаком. Дороже, зато размер остаётся станочным.
3. Обработать посадку после покрытия — так делают с твёрдым хромом: наносят с припуском и шлифуют в размер.

Обозначение покрытия на чертеже

Покрытия обозначают по ГОСТ 9.306-85, а требования к ним задаёт ГОСТ 9.301-86. Структура записи простая: способ обработки — материал покрытия — толщина в микронах — вид дополнительной обработки. Запись выносят в технические требования строкой «Покрытие …», а если покрывается не вся деталь — линией-выноской с указанием поверхностей.

Что имеет смысл дописать рядом с обозначением, чтобы участок не гадал:

• цвет пассивации, если он важен — бесцветная, радужная, оливковая, чёрная;
• поверхности, которые покрывать не нужно, и способ маскирования;
• указание «размеры до покрытия» или «после покрытия»;
• необходимость обезводороживающего отжига для термообработанных деталей;
• нужен ли протокол контроля толщины или коррозионных испытаний.

От чего зависят цена и срок

Гальванику считают не по числу деталей, а по площади покрываемой поверхности и по загрузке ванны. Сто мелких кронштейнов на одной подвеске и одна крупная плита той же суммарной площади стоят сопоставимо. На итоговую цифру влияют:

• Вид покрытия и толщина — время в ванне и расход металла растут прямо пропорционально микронам.
• Оснастка: серийную деталь вешают на типовую подвеску или загружают в барабан, нестандартную — под неё делают приспособление, и это отдельная строка.
• Маскирование: каждая незакрываемая поверхность — ручная операция на каждую деталь партии.
• Дополнительные операции: обезводороживающий отжиг, шлифовка перед покрытием и в размер после твёрдого хрома, повторная прогонка резьбы.
• Контроль и документы: замер толщины, металлографический шлиф, испытания в камере соляного тумана по ГОСТ 9.308-85 — по требованию, не по умолчанию.

По срокам покрытие добавляет к маршруту обычно несколько рабочих дней: логистика на участок, подготовка, сама ванна и сушка. Единичная деталь в пересчёте на штуку всегда дороже серии — минимальная загрузка ванны и подготовка линии не зависят от того, висит на подвеске одна деталь или сорок. Точную цену считаем по чертежу, вместе со всем маршрутом механообработки.

Частые ошибки заказчика

• «Оцинковать» без толщины и без пассивации. Участок поставит минимум, деталь уедет на улицу и зацветёт за сезон. Толщина и вид пассивации — обязательная часть задания.
• Одна толщина на всю деталь с резьбой. Классика: корпус требует 15 мкм, резьба М6 держит максимум 6. Решается разделением требований или маскированием, но решать это надо на чертеже, а не на приёмке.
• Покрытие сварного узла с непроваренными щелями. Электролит затекает в зазоры, месяцами оттуда выходит и даёт потёки ржавчины по готовому изделию. Швы под покрытие должны быть сплошными.
• Гальванопара в сборке. Оцинкованная деталь в прямом контакте с латунью или медью во влажной среде — цинк съедается в разы быстрее расчётного. Разделять прокладкой или подбирать совместимые покрытия.
• Твёрдый хром без припуска. Слой 40 мкм на диаметр — это 80 мкм, которые нужно снять шлифовкой. Если деталь пришла в окончательный размер, хромировать её уже поздно.
• Анодирование там, где нужен электрический контакт. Оксид — диэлектрик, заземление через анодированную поверхность не работает.
• Покрытие вместо материала. Иногда дешевле и надёжнее сразу сделать деталь из нержавейки, чем городить многослойную защиту на конструкционной стали. Это считается на этапе расчёта.

Как заказать деталь с покрытием

Оптимальный порядок — отдавать механообработку и гальванические покрытия одной цепочкой, а не искать участок отдельно. Тогда толщину, припуски, маскирование и отжиг закладывают в маршрут заранее, и деталь не приходится переделывать после ванны. Перед подготовкой поверхности под покрытие обычно идёт шлифовка: чем ровнее основа, тем предсказуемее слой и лучше сцепление, а для декоративного никеля и хрома это вообще определяющий фактор.

Что полезно указать в запросе помимо чертежа:

• где деталь работает — помещение, улица, агрессивная среда, контакт с водой или маслом;
• какие поверхности рабочие: посадки, резьба, контактные площадки;
• есть ли термообработка и какая твёрдость основы;
• нужны ли протоколы контроля толщины и испытаний.

Если по условиям эксплуатации гальваника избыточна, а деталь крупная и не прецизионная — считаем альтернативу через порошковую окраску, в том числе поверх цинка для двойной защиты. Пришлите чертёж на расчёт: технолог подберёт покрытие под реальные условия работы детали, проверит совместимость с резьбами и посадками и посчитает полный маршрут — от заготовки до готовой детали с покрытием.