Procesy galwaniczne w przemyśle. Wymagania dla motoryzacji i lotnictwa.

Procesy galwaniczne, czyli jak modyfikować właściwości części

Chromowanie, kadmowanie czy chociażby cynkowanie – słyszał o nich prawie każdy, mało kto jednak wie na czym polegają i jaka może być ich rzeczywista rola. Procesy galwaniczne, bo o nich mowa, są niezbędnym elementem wielu aplikacji stosowanych zwłaszcza w motoryzacji i lotnictwie.

Celem tego artykułu jest wyłącznie wprowadzenie do tematyki jaką są procesy galwaniczne. Dlatego niektóre pojęcia zostały celowo uproszczone lub pominięte. Zakres wiedzy zawartej w tym materiale to niezbędne minimum dla każdego inżyniera jakości. Zatem przejdźmy do meritum. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

• Co to są procesy galwaniczne oraz jakie jest ich zastosowanie
• Jakie elementy tworzą układ galwaniczny
• Jakie metody pokrywania stosowane są w procesach galwanicznych
• Które procesy galwaniczne zaliczane są do najczęściej stosowanych
• Jak testowane są procesy galwaniczne
• Jakie wymagania stawiane są procesom galwanicznym w lotnictwie i motoryzacji

Co to są procesy galwaniczne?

Procesy galwaniczne (Electroplating) są to procesy elektrochemiczne, w wyniku których na powierzchni części buduje się cienka powłoka metalu lub stopu metalów.

W zależności od rodzaju pokrycia procesy galwaniczne:

• zwiększają odporność korozyjną części
• poprawiają wygląd i estetykę
• polepszają lutowność
• zwiększają odporność na wysokie temperatury
• poprawiają przewodność cieplną i elektryczną
• zwiększają twardość i odporność na zużycie

Procesy galwaniczne traktowane są jako procesy specjalne, bowiem większość właściwości danej powłoki zweryfikowana może być wyłącznie za pomocą metod innych niż bezpośrednia kontrola części.

Procesy galwaniczne są wyłącznie jednym z procesów elektrochemicznych stosowanych w przemyśle. Innymi przykładami są:

• produkcja aluminium – poprzez elektrolizę stopionego tlenku aluminium
• wytwarzanie sody kaustycznej – stanowiącej produkt uboczny powstały w trakcie elektrolizy solanki
• rafinacja miedzi – pozwalająca na oczyszczenie surowej miedzi
• wytwarzanie wodoru – poprzez elektrolizę wody, w efekcie otrzymujemy również tlen

Z jakich elementów zbudowany jest układ galwaniczny?

Układ galwaniczny oparty jest o następujące elementy:

• źródło prądu stałego – w postaci prostownika, którego rolą jest zamiana prądu zmiennego (AC) w prąd zmienny (DC), przy czym dopuszczalny poziom tętnienia prądu (pozostałości prądu zmiennego) w zależności od wymagań specyfikacji nie powinien przekraczać 5-10%
• anoda – elektroda ujemna, czyli źródło metalu, zachodzi na niej utlenianie, czyli metal rozpuszczany jest w kąpieli
• katoda – elektroda dodatnia, czyli pokrywana część, zachodzi na niej redukcja jonów metalu, czyli budowana jest powłoka
• kąpiel – rozwór elektrolityczny, najczęściej na bazie wody, zawiera jony metalu i umożliwia proces redukcji, może zawierać także inne dodatki

Zapamiętaj! Anoda w procesach elektrochemicznych to metal rozpuszczany w kąpieli, natomiast katoda to pokrywana część. Utlenianie to rozpuszczanie metalu w kąpieli, zaś redukcja to jego osadzanie na powierzchni części.

Innymi kluczowymi elementami są:

• wanny – wykonane najczęściej z polichlorku winylu lub stali nierdzewnej zbiorniki zawierające kąpiel galwaniczną a także inne roztwory wykorzystywane w całym procesie
• systemy filtracji – używane w celu usuwania zanieczyszczeń z wanien procesowych
• systemy grzejne – stosowane w przypadku procesów, które wykonywane są w temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia
• systemy mieszania – zapewniają stały rozkład temperatury, stężenie kąpieli a także minimalizują ryzyko występowania pęcherzyków powietrza na powierzchni części
• uchwyty na części – używane do montażu części
• anody pomocnicze – stosowane najczęściej w przypadku trudno dostępnych miejsc umożliwiając ich pokrycie, przykładem mogą być otwory wewnętrzne

Jakościowiec teraz także na LinkedIn!

Jakie metody pokrywania stosowane są w procesach galwanicznych?

W zależności od powłoki, jej zastosowania a także wymagań konkretnych specyfikacji możemy wyróżnić trzy metody pokrywania w procesach galwanicznych. Są to:

• metoda zanurzeniowa – polega na zanurzeniu całego elementu w kąpieli, stosowana zwłaszcza w przypadku części większych gabarytowo
• metoda bębnowa – części znajdują się w rotującym bębnie, który częściowo zanurzony jest w kąpieli, używana dla drobnych elementów i produkcji masowej, metoda nie jest wskazana dla delikatnych części
• metoda stykowa (touch up) – polega na ręcznej aplikacji powłoki za pomocą anody pokrytej tkaniną, która uprzednio zwilżona została elektrolitem, stosowana w przypadku pokrywania niewielkich obszarów części lub napraw powłok

Warto wiedzieć! Wiele specyfikacji zabrania stosowania metody bębnowej w przypadku części lotniczych.

Jakie są najczęściej stosowane procesy galwaniczne?

Zastosowanie poszczególnych procesów galwanicznych ściśle związane jest z przeznaczeniem danej części. Zarówno funkcja jaką będzie pełnić jak i docelowe warunki pracy są kluczowe do wyboru odpowiedniej powłoki. Sprawdźmy zatem, które procesy galwaniczne są najczęściej stosowane.

Procesy galwaniczne:

• chromowanie
• cynkowanie
• cynkowanie-niklowe
• kadmowanie
• kadmowanie-tytanowe
• miedziowanie
• niklowanie
• srebrzenie
• złocenie

Chromowanie

Chromowanie dzieli się na dwa główne typy. Są one ściśle związane z grubością powłoki a także zastosowaniem.

• chromowanie flash
• chromowanie twarde

Warto wiedzieć! Kontrowersje związane z procesem chromowania dotyczą wyłącznie kąpieli opartych o chrom sześciowartościowy Cr⁶⁺, który jest toksyczny zarówno dla ludzi jak i środowiska.

Flash

Charakteryzuje się bardzo cienką warstwą powłoki wynoszącą zazwyczaj 5 – 12 μm. Pełni funkcję głównie dekoracyjną, ale w minimalnym stopniu zabezpiecza również przed korozją. Nie ma istotnego wpływu na twardość.

Zastosowanie: elementy dekoracyjne samochodów, armatura, przybory kuchenne

Chromowanie twarde (inżynieryjne)

Jest to powłoka o grubości najczęściej przekraczającej 20 μm. Jednak wymagania co do zakresu mogą się znacząco różnić pomiędzy poszczególnymi specyfikacjami. Cechuje się wysoką twardością wynoszącą 65 – 70 HRC. Chromowanie twarde stosowane jest w przypadku elementów wymagających wysokiej odporności na tarcie oraz korozję. Chromowanie twarde jest dużo dłuższym i również droższym procesem niż flash.

Zastosowanie: elementy narażone na zużycie np. tłoki, wały rozrządu, korbowody

Zapamiętaj! Powłoka po chromowaniu twardym jest dość szorstka i wymaga szlifowania.

Cynkowanie

Cynkowanie zapewnia wysoką odporność korozyjną elementów wykonanych ze stali. Zwiększa także wytrzymałość powierzchniową części. Nie jest jednak odporna na uszkodzenia mechaniczne.

Zastosowanie: elementy złączne, poszycia karoserii, elementy konstrukcyjne

Proces cynkowania może być wykonywany nie tylko galwanicznie, ale także ogniowo, natryskowo czy też proszkowo.

Zapamiętaj! Cynkowane elementy nie powinny mieć kontaktu z wodą morską.

Cynkowanie-niklowe

Cynkowanie-niklowe jest to powłoka stopowa stosowana w celu zabezpieczenia antykorozyjnego stalowych elementów. Wykorzystywana jest także jako warstwa uniemożliwiająca bezpośredni styk dwóch różnych materiałów zabezpieczając w ten sposób przed występowaniem zjawiska korozji galwanicznej. Chociaż właściwości te są gorsze w przypadku kontaktu ze stopami aluminium.

Zastosowanie: siłowniki, elementy podwozi lotniczych, złącza stosowane w motoryzacji

Zapamiętaj! Proces cynkowania-niklowego często stosowany jest jako alternatywa dla kadmowania, które zaliczane jest do toksycznych procesów.

Kadmowanie

Kadmowanie stosowane jest w celu zapewnienia odporności korozyjnej elementów stalowych. W porównaniu do powłoki cynkowej części poddane procesowi kadmowania mogą mieć kontakt z wodą morską. Zapewnia wysoką przewodność elektryczną a także analogicznie jak powłoka cynkowo-niklowa ochronę przed korozją galwaniczną na styku dwóch różnych metali, w tym z aluminium.

Zastosowanie: elementy złączne zwłaszcza w przypadku kontaktu z aluminium, części narażone na wodę morską

Warto wiedzieć! Ze względu na toksyczność kadmowanie jest w wielu krajach zabronione, zwłaszcza na terenie Unii Europejskiej i Stanów Zjednoczonych. Pewnymi wyjątkami są jedynie aplikacje dla branży lotniczej lub wojskowej.

Kadmowanie-tytanowe

Kadmowanie-tytanowe jest zmodyfikowaną wersją procesu kadmowania, gdzie poza anodami kadmowymi stosuje się również dodatek tytanu np. w formie past. Pozwala to w nieznacznym stopniu na zmniejszenie toksyczności powłoki, ale i poprawę ochrony antykorozyjnej. Cechuje się także wyższą twardością, odpornością na ścieranie a także mniejszym efektem kruchości wodorowej.

Zastosowanie: mocowania silników, układy paliwowe, tuleje, elementy złączne

Warto wiedzieć! Kadmowanie-tytanowe w dalszym ciągu bazuje na anodach kadmowych i podlega podobnych obostrzeniom jak zwykłe kadmowanie.

Miedziowanie

Miedziowanie pozwala na uzyskanie powłoki cechującej się najwyższą przewodnością elektryczną w porównaniu do innych pierwiastków aplikowanych galwanicznie. Zapewnia estetyczne wykończenie jednak ma tendencję do natychmiastowego utleniania się (wydziela się patyna). Powłoka uzyskana w wyniku miedziowania jest miękka, odporna na zginanie a także bardzo szczelna. Może być stosowana także jako warstwa podkładowa pod inne powłoki.

Zastosowanie: styki i złącza elektryczne, armatura, biżuteria i ozdoby

Warto wiedzieć! Ze względu na wysoką temperaturę topnienia (1085°C) miedziowanie może być stosowane jako maskowanie w trakcie obróbki cieplno-chemicznej. Miedź z jednej strony wytwarza bowiem szczelną barierę ochronną przed dyfuzją węgla, azotu czy też boru do materiału bazowego a także sama nie tworzy trwałych związków z nimi.

Niklowanie

Niklowanie ma na celu zwiększenie odporności korozyjnej danego elementu. Powłoka niklowa zapewnia również estetyczne wykończenie wyrobu nie wymagając jednocześnie szlifowania jak to ma miejsce w przypadku chromowania twardego. Wygląd niklu na części może mieć różny stopień połysku – od całkowicie matowego do błyszczącego. Może być stosowana jako warstwa podkładowa pod chrom.

Zastosowanie: biżuteria, elektronika, klamki, zderzaki samochodowe

Warto wiedzieć! Dużo popularniejszą odmianą jest niklowanie bezprądowe (chemiczne), które stosowane jest zwłaszcza w przypadku bardziej skomplikowanych kształtów. Proces ten zapewnia równomierne pokrycie, co byłoby trudne do osiągnięcia stosując niklowanie elektrochemiczne. Powłoki uzyskane w ramach niklowania bezprądowego cechują się także niższym współczynnikiem tarcia oraz lepszą ochroną antykorozyjną.

Srebrzenie

W wyniku srebrzenia uzyskuje się estetyczną powłokę, która może być zarówno błyszcząca jak i matowa. Cechuje się większą twardością niż słoto a także dużo większą odpornością na ścieranie. Dobrze przewodzi zarówno ciepło jak i prąd. Poprawia lutowność. Nie powinno być jednak stosowane w przypadku części narażonych na wysoką wilgotność oraz korozję galwaniczną.

Zastosowanie: styki diod, kondensatorów czy też rezystorów, jako smar stały, szczotki silników

Warto wiedzieć! Srebro matowieje w wyniku kontaktu z powietrzem zanieczyszczonym siarką, siarkowodorem a także ozonem.

Złocenie

Złocenie stosowane w celu zapewnienia estetycznego wyglądu oraz zwiększenia odporności korozyjnej. Powłoka ma małą odporność na ścieranie. W przypadku pokrywania elementów miedzianych złoto ma tendencję do matowienia. Proces cechuje się wysoką ceną i może sprawiać problemy podczas lutowania.

Zastosowanie: wyroby luksusowe np. biżuteria, zegarki

Warto wiedzieć! Złocenie może odbywać się zarówno jako proces elektrochemiczny jak i bezprądowy. Złoto jako pierwiastek cechuje się bardzo dobrą przewodnością elektryczną a w porównaniu z miedzią dodatkowo nie podlega procesowi utleniania. Dlatego często spotkamy się z zastosowaniem procesu złocenia w elektronice. Jednak ze względu na konieczność zapewnienia precyzyjnego i równomiernego pokrycia najczęściej wykonuje się je jako proces bezprądowy. Natomiast powłoka uzyskana w przypadku złocenia prądowego będzie charakteryzowała się wyższą twardością.

Jakie są podstawowe testy stosowane do weryfikacji procesów galwanicznych?

Procesy galwaniczne zaliczane są do grona procesów specjalnych. Oznacza to, że kontrola części da nam wyłącznie częściową odpowiedź co do właściwości wykonanej powłoki.

Kontrola części obejmuje testy nieniszczące, do których zaliczamy:

• kontrolę wizualną pod kątem występowania miejsc bez pokrycia, mikroporowatości (pitting) czy też innych wizualnych defektów
• grubość powłoki – najczęściej za pomocą miernika prądów wirowych lub stosując spektrometr fluorescencji rentgenowskiej (XRF)
• weryfikację składu powłoki – przy użyciu XRF

Dodatkowo procesy galwaniczne wymagają okresowej kontroli procesu za pomocą metod niszczących. W tym celu pokrywane są dedykowane próbki o różnych wymiarach i kształcie. Bada się:

• przyczepność poprzez zginanie lub dłutem
• odporność korozyjną za pomocą komory solnej
• kruchość wodorową przy użyciu pełzarek

Co więcej każda kąpiel stosowana w procesie wymagana okresowej kontroli stężenia, zaś płuczki badane są pod kątem czystości.

Lubisz czytać Jakościowca przy kawie? Wesprzyj rozwój portalu.

5 zł 10 zł 15 zł

Nadcap – wymagania dla procesów galwanicznych w lotnictwie

Nadcap to szeroko rozpowszechniony i przeznaczony dla branży lotniczej program akredytacyjny. W głównej mierze obejmuje on swoim zakresem procesy specjalne. Audyty Nadcap wykonywane są przez niezależnych przedstawicieli jednostki akredytacyjnej (PRI – Performance Review Institute) i traktowane jako audyty trzeciej strony.

Procesy galwaniczne w programie Nadcap zaliczane są do grona procesów chemicznych. Kryteria zdefiniowane zostały w listach kontrolnych:

• AC7108 – Główna lista dla procesów chemicznych
• AC7108/4 – Analizy kąpieli oraz testy
• AC7108/9 – Galwanizacja i elektroformowanie

Więcej na temat Nadcap przeczytacie w pięcioczęściowym cyklu artykułów poświęconych temu programowi:

• Jak zdobyć akredytację Nadcap (1/5) – wprowadzenie do programu

CQI-11 oceny procesów galwanicznych w motoryzacji

W przypadku branży automotive ocena procesów galwanicznych oparta jest o wydawany przez AIAG standard CQI-11. W zależności od wymagań klienta może być ona wykonywana przez jego przedstawicieli i/lub samego dostawcę. Ocena wykonywana jest raz do roku.

Podsumowanie

Procesy galwaniczne mają na celu zbudowanie na powierzchni części cienkiej warstwy powłoki metalu przy użyciu elektrolizy. Kluczowymi elementami do przeprowadzenia procesu są:

• anoda – rozpuszczany metal
• katoda – pokrywana część
• elektrolit – kąpiel, w której zachodzi proces utleniania i redukcji
• prąd stały

W zależności od powłoki procesy galwaniczne mogą poprawiać odporność korozyjną, odporność na zużycie, estetyką, lutowność, przewodność cieplną i elektryczną.

Do najpopularniejszych procesów galwanicznych zalicza się chromowanie, cynkowanie, cynkowanie-niklowe, kadmowanie, kadmowanie-tytanowe, miedziowanie, niklowanie, srebrzenie oraz złocenie.

Procesy galwaniczne mogą być wykonywane zanurzeniowo, metodą bębnową lub metodą stykową.

Procesy galwaniczne zaliczane są do procesów specjalnych i wymagają wykonywania testów zarówno nieniszczących (na części) oraz niszczących (na próbkach) w celu potwierdzenia zgodności wykonanej powłoki.

A jakie są Wasze doświadczenia w kwestii procesów galwanicznych? Czy macie z nimi kontakt na co dzień, czy może jednak wykonywane są one przez Waszych dostawców? Z którymi procesami spotykacie się najczęściej? Zapraszam do sekcji komentarzy. Do zobaczenia w następny poniedziałek!

FAQ, czyli najczęściej zadawane pytania