Успехи гальванотехники.
Обзор мировой специальной литературы
за 2007-2008 годы

Цель данного обзора, проводимого по многочисленным публикациям в специальных журналах отчетного периода, является тройственной: во-первых, дать общий обзор по специальности, во-вторых, сформулировать требования к разработкам и задачи исследований, и, наконец, поделиться с читателем опытом и нововведениями, которыми он может воспользоваться на собственном предприятии.

По экономической ситуации в Германии с гальванотехникой дела обстоят очень хорошо. В то время как немецкая экономика в 2007 году обнаружила прирост в 2.6%, в 2008 году было отмечено увеличение товарооборота в среднем на 11%. Даже при ухудшенных в настоящее время общеэкономических перспективах гальванические предприятия ожидают в наступившем году продолжение позитивного развития бизнеса [599]. Хуже оценивают свое положение американские гальванические фирмы и сожалеют (согласно данным опроса [385, 386, 518]) о плохих рыночных условиях и сильной иностранной конкуренции (имеется в виду в первую очередь Китай). Поэтому 18% предприятий полагают, что должны сокращать расходы (издержки), в то время как 15% хотели бы внедрить новые технологические процессы, либо ограничиться существующим рыночным сегментом, 5% стремятся к лучшему маркетингу и примерно 2% ожидают более низких цен.

В части экономических аспектов к наибольшим проблемам следующего года относится общий экономический спад, ожидаемый вследствие финансового кризиса. На отрасль гальванотехники и обработки поверхности он влияет посредством так называемого изменения климата [216] в форме роста цен на сырье [251, 349, 388, 646], но прежде всего этот спад отрицательно сказывается из-за отмены крупных заказов и, в худшем случае, даже потери заказчиков. Все перечисленное должно принуждать к изменению прежней постановки целей и задач и приводить к ряду мероприятий, обеспечивающих дальнейшее развитие фирм и целых отраслей при изменившихся условиях.

Одно из важнейших мероприятий состоит, вероятно, в том, чтобы расширять предложение (ассортимент), что позволяет проводить диверсификацию постоянной клиентуры и, таким образом, снизить зависимость от крупных заказчиков. Здесь можно задействовать специфические мощности гальванотехники. Важнейшие успехи гальванотехники по-прежнему основываются на межотраслевом взаимодействии [384]. В настоящее время используется способ испытанного межотраслевого применения гальванических покрытий и технологических процессов. Наряду с основными потребителями гальванической продукции появляются новые, например, в медицинской технике, микрогальванопластике, нанотехнологии, у которых имеются свои возможности [484]. Многослойные покрытия из модульных мультислоев с управляемым составом открывают перспективу для новых композитных материалов так же, как и композиционные покрытия с модифицированными свойствами, полученными при включении в покрытия твердых частиц [295]. Устойчивые к загрязнению поверхности [314] и возрождающиеся кадмиевые покрытия [526] также представляют интерес. Электроосаждение металлов по-прежнему является способом модификации технических поверхностей, дающим разнообразные возможности. В настоящее время этот метод применяется в сочетании с другими, ранее рассматривавшимися как конкурентные [141, 409, 652]. Обработка поверхности в области медицинской техники представляется требовательным (сложным), но и многообещающим направлением [151].

Поиск фирм, заинтересовавшихся описанными в экспериментальных отчетах перспективами, является третьей из упомянутых во введении задач данного обзора, который представляет собой анализ публикаций в 34 специальных журналах отчетного периода. Из рассмотренных журналов 19 изданы на немецком языке, семь на английском, четыре на русском, два на польском, а также по одному на французском и итальянском языках.

1. Постановка важных проблем

Некоторые из проблем, которые ранее уже обсуждались в обзоре многочисленных публикаций за прошедшие годы, вызывают и сейчас большой интерес. Очевидна также актуальность исследований и разработок в области нанотехнологий. К проблемам замены опасных для окружающей среды веществ на основании предписаний RoHS и REACh и другим задачам присоединяются усилия по энергосбережению.

1.1. Нанотехнология

Опрос крупных американских фирм, специализирующихся в области обработки поверхности, которые производят и поставляют (продают) нанопродукцию [333], позволяет получить представление о современном состоянии использования нанотехнологии в этой области.

В гальванотехнике электролитическое осаждение структур с узким диапазоном размеров межзеренных границ, примерно в 10 нм (в сравнении с обычным от 1 до 100 нм), не только позволяет модифицировать свойства покрытий, но также может способствовать оптимизации получения деталей методом гальванопластики. Это реализуется путем модификации параметров осаждения, прежде всего применением различных видов тока (переменный, постоянный).

Встраивание наночастиц оксида алюминия в гальванические твердые хромовые покрытия не только повышает их твердость и износостойкость, но также увеличивает выход по току [113].

Важную роль играют наноструктуры при замене пассивирующих хроматных пленок, содержащих соединения хрома (VI) [152, 167, 427]. Получаемые гальваническим способом гибридные металл-полимерные пленки позволяют сочетать металлические свойства с возможностью формования и незначительным весом пластмасс и применяются в автомобилестроении, в производстве электронной аппаратуры и спортивных снарядов [383].

Разнообразные особенно интересные приложения предполагает использование органических покрытий [582]. Большинство из них основано на применении наноразмерных частиц, которые добавляются к лакам и обеспечивают устойчивость к загрязнению и легкость очистки. Так, пигменты с использованием серебряных наночастиц придают лакам деформируемость без ухудшения защитной способности [40]. Нанопигменты, содержащие оксиды цинка, титана и кремния, защищают покрытия от последствий УФ-излучения [468, 491] и воздействия микробов [335]. Введение мягких наночастиц может улучшать эластичность лаков [475]. Европейский исследовательский проект направлен на развитие коррозионозащитных нанолаков [91]. Лаки с использованием нанопигментов, содержащих покрытые серебром медные частицы, защищают от электромагнитного излучения [490]. Особо коррозионностойкие многослойные покрытия, включающие диоксид кремния, могут быть получены на протравленной поверхности стали в золь-гель-процессе [124].

Способность наноматериалов придавать устойчивость к загрязнению и эффект самоочищаемости применяется при обработке текстильных изделий [242]. Нанокомпозиты на основе тефлона улучшают сцепление медных проводников печатных схем и токопроводящих дорожек с фторполимерами [248] и уменьшают загрязняемость печатных шаблонов [255]. Нанопокрытия применяются при изготовлении специальной оптики из стекла [584]. Проводится исследование процесса получения наночастиц из железа [645]. Институты предлагают специальный последипломный курс по наноматериалам, обеспечивающий выпускникам востребованность [132].

1.2. Энергопотребление, замена опасных для окружающей среды веществ, проблемы предприятий

Почти все размышления об эффективности различных источников энергии и видов получения энергии приводят к заключению, что лучшим решением данного вопроса является рациональное использование энергии [103]. Особенно актуально оно в промышленности, доля энергопотребления которой составляет до 40 %, при этом некоторые рацпредложения могут дать даже определенную выгоду. Например, только на одном гальваническом предприятии можно сэкономить 775 киловаттчасов в год путем нагрева ванн с помощью отходящего тепла [104].

Наряду с этим, возрастающая стоимость энергии и строгие правила в области защиты окружающей среды являются причиной того, что мероприятия по энергосбережению становятся предметом многих публикаций. Сравниваются издержки при применении различных энергоносителей и способов облицовки печей [376]. Показано, что большую экономию на предприятиях обеспечивает подогрев воздуха для газовых конвекционных печей и сушилок путем теплообмена [52]. Форма газовых горелок для сушильных конструкций плавно модулируется таким образом, что расход поступающей смеси топлива с воздухом соответствует требуемой производительности [258]. Используя более легкие и менее массивные подвески, на лакокрасочном предприятии можно на 40 % снизить потребление энергии на нагрев, охлаждение и транспортировку [461]. Применение ротационных теплообменников и прямых горелок является в случае вентиляционных установок практическим примером внедрения в технологический процесс предложений по энергосбережению [301].

На основании европейских директив ELV, RoHS, WEEE, IPCC и других [38, 350, 380, 382, 633, 634, 636] в Европе запрещено применение некоторых металлов. В гальванотехнике этот запрет прежде всего касается процессов «шестивалентного» хроматирования, что способствует развитию альтернативных методов. Так, упоминается коммерческий процесс с использованием силанов [336], а также описаны полимерные покрытия для цинка с фторидами титана и циркония [244]. Однако нанесение нанокерамических покрытий (в том числе силановых) на цинк, новые методы анодирования алюминия и нанесения грунтовочных слоёв не охватывают весь спектр применения процессов хроматирования с использованием соединений хрома (VI). Как правило, в каждом конкретном случае нужно проводить исследование эффективности того или иного метода [243, 458].

Межотраслевое значение гальванических покрытий и методов приводит к тому, что многие из общих проблем промышленного производства отражаются на гальванических предприятиях. На примере применения процессов обработки поверхности при изготовлении корпусов мобильных телефонов показано, что можно автоматизировать мелкосерийное производство (что в будущем, вероятно, будет становиться все важнее), несмотря на концепцию штучного производства [23]. Предпринятые поставщиками разработки будут иметь успех только в том случае, когда они востребованы заказчиками [24]. Помимо прочего, оптимизация предприятий отрасли обработки поверхности с точки зрения совместимости с окружающей средой, стабильности процессов и потерь веществ является путеводной нитью снижения затрат [561]. Обсуждается, как можно защититься от пиратской продукции, к примеру, путем перебазирования (перемещения) предприятия [215]. Эффективность, качество и сотрудничество коммерческих гальванических фирм с заказчиками выгодно, если они внедряют собственное программное обеспечение [25, 36].

2. Применение гальванических и других покрытий и процессов

2.1. Обработка поверхности в автомобилестроении

Автомобильная промышленность по-прежнему является как одним из важнейших потребителей отрасли гальванотехники и обработки поверхности, так и инициатором многих исследований и разработок.

Очевидно, что гальванические покрытия часто используются для декоративных целей [447]; при этом важнейшими требованиями являются хорошее сцепление с основой, цветовое решение и высокая коррозионная стойкость [22]. Декоративные покрытия Cu-Ni-Cr или покрытия из благородных металлов можно с хорошим сцеплением осаждать с помощью вновь разработанного процесса на дверные ручки, щеколды, защелки и другие детали из магниевого литья [73]. Из-за значительной склонности к растрескиванию покрытия Zn-Ni осаждают на нержавеющую сталь из щелочных электролитов [112]. Химические никелевые покрытия, помимо прочего, защищают пластмассовые баки от некондиционных видов (сортов) горючего [579, 580]. Подсвечиваемые клавиши получают путем испарения химических никелевых покрытий [676]. Описан широкий спектр функциональных приложений гальванических покрытий в автомобилестроении [27].

PVD/CVD-тонкослойные покрытия на эмалях кузовов снижают нагрев внутренних полостей и предотвращают износ в моторном отделении [28].

Полученные плазменным напылением кремнийорганических соединений при атмосферном давлении стекловидные покрытия на алюминиевых колбах (баллонах) повышают их герметичность [30], использование соединений молибдена снижает износ [416]. Селективная лазерная закалка с последующим быстрым охлаждением сжатым воздухом может быть внедрена в технологические линии [77], применение специальных органических покрытий обеспечивает защиту от истирания нагруженных деталей [84].

В области органических покрытий представляет интерес способ лакирования кузовов с помощью возобновляемого сырья (льноволокна) [41a]. Проводятся исследования с целью замены жидкостного лакирования для обработки внутренних полостей на методы, предполагающие использование твердых частиц (High-Solids), и другие методы без вредного отравляющего воздействия на воздух в цехе [184]. Для получения поверхностей с жемчужным и хромовым эффектом (для автомобилей премиум-класса) применяется так называемый Tricoat-Verfahren («тройное покрытие») [257, 612]. К незначительным отклонениям от первоначальной окраски лакового покрытия может приводить использование восстанавливающих лаков, либо слишком сильное давление при полировании, известным как метамерия (вид изомерии). Однако эти нюансы различимы только при искусственном освещении [303].

Дорогостоящую фосфатную обработку поверхности перед лакированием можно заменить на одноступенчатый процесс с использованием цирконий-силановых полимерных пленок [438]. Из соображений безопасности окружающей среды исследуется возможность замены лакирования деталей кузовов на способ, предполагающий обработку с использованием фольги [302, 595]. Велосипеды, используемые для поездок в больших городах защищают (от коррозии) с помощью метода нанесения порошковых покрытий [680].

2.2. Обработка поверхности в медицинской технике, электронике, технологии получения инструментов и в других областях

Благодаря внедрению инновационных технологий обработка поверхности в медицинской технике в данном отчетном периоде представляет особый интерес. Так обнаружено, что плазмохимические методы пригодны для оптимизации пористых структур мембран из полых волокон для очистки крови [29]. Износостойкие керамические поверхности обеспечивают длительный срок службы бедренных и коленных протезов [50]. В импульсном режиме осаждается биосовместимый гидроксиапатит на костные и зубные протезы [127]; для обеспечения биосовместимости в медицине и фармацевтике служат плазматехнические методы [297]. Получаемые методом PVD нанопленки, содержащие наночастицы серебра, используются с целью обеззараживания медицинских инструментов [139]. Применение лаков, содержащих ионы серебра и меди, позволяет поддерживать гигиеническую чистоту в больницах и домах престарелых [496, 497]. Микроструктурированная полимерная фольга, помимо прочего, позволяет проводить дифференциацию стволовых клеток при исследованиях [345]. Тонкие провода (нити), имплантируемые под кожу либо в мозг, покрываются электрохимическим способом [402]. Микротехнологии, в том числе электрохимические, играют важную роль при изготовлении комплекта инструментов для минимально инвазивной хирургии [593].

В электронике, особенно в производстве печатных плат, методы обработки поверхности относятся к основным технологиям, но несмотря на это для всех производителей [37] являются предметом для исследований и последующих публикаций. Микроструктуры с особенно хорошими свойствами могут быть получены в прямом LIGA — методе [80]. При травлении проводников печатных схем посредством так называемого вакуумного травления удается избежать образования луж (неровностей) [79]. При соответствующих обстоятельствах химические покрытия Ni-B заменяют покрытия благородными металлами [179]. В производстве печатных плат с применением вновь разработанного метода межоперационной пассивации получают почти беспористые медные покрытия [348]. Ряд публикаций посвящен проблемам производства печатных плат без использования свинца [172, 176, 252, 278, 546] и другим, более функциональным аспектам соответствующей темы [11, 168, 169, 170, 171, 173, 174, 175, 177, 180, 346].

Микро- и наноструктурированное стекло с высокой твердостью получают химическим травлением, а также термической обработкой, либо УФ-облучением связанных в пучок трубчатых стеклянных волокон [81].

Возрастает значение способов обработки поверхности для оформления декоративных элементов (включая пластмассовые) [105, 337, 363, 364]. При отделке украшений дорогие электролитические родиевые покрытия комбинируются с серебром и палладием [114]. При износостойкой отделке дорогостоящих (высококачественных) часов находят применение комбинации гальванических и физических методов [343].

Получаемые жидкостными методами полиамидные покрытия используются для защиты от коррозии в самолетостроении [140]. Лакирование алюминиевых и стальных полос обеспечивает получение устойчивых к загрязнению гидрофильных и гидрофобных поверхностей для наружного применения [254]. Для обработки поверхностей боеприпасов разрабатывается новый выгодный процесс лакирования [422]. Экспериментальные исследования позволили разработать оптимальный способ обработки поверхности ветровых пропеллеров (ветровых генераторов тока), эксплуатируемых при различных коррозионных условиях [238].

Гальванические никелевые покрытия способствуют улучшению паяемости керамических и металлических деталей [144]. Срок службы режущих инструментов повышается после термохимической [241, 419] и PVD-обработки [463, 495, 591], а срок службы формующих инструментов после нанесения покрытий с помощью диффузионного метода [542]. Керамические покрытия улучшают трибологические свойства алюминия [414].

Крупноформатные микроструктурированные формующие насадки (например, микродозаторы жидкостей) для изготовления сложнейших пластмассовых деталей получают с помощью гальванопластического нанесения никеля [541, 562].