Galwanotechnika

Osnowa i dyspersja
Ogromna skuteczność cynkowania galwanicznego w zapewnianiu ochrony przed korozją nie zachęca do wprowadzania rewolucyjnych zmian w technologii przygotowywania powłok metodą elektrolizy. Dlatego sektor ten rozwija się raczej powoli, ale sukcesywnie – w kierunku zastępowania powłok jednoskładnikowych warstwami kompozytowymi o właściwościach lepszych zarówno od powłok klasycznych, jak i poszczególnych składowych. Co ciekawe, kompozyty takie bazują w mniejszym stopniu na cynku, a w większym – na niklu, cenionym zwłaszcza za wysoką jakość (połysk, gładkość, przyczepność i twardość) oraz łatwość sterowania procesem galwanizacji. 
Kompozytowe powłoki galwaniczne dostępne są na rynku nie od dziś: pierwsze publikacje na ich temat powstały już w latach 60. ubiegłego stulecia. Ponieważ jednak w owych czasach powłoki jednoskładnikowe dobrze spełniały swoje funkcje w większości popularnych aplikacji, popyt na ich mocniejszych, a tym samym i droższych kuzynów był stosunkowo mały. Wszystko zmieniło się w ostatnich dwóch dekadach wraz z rozwojem różnych form obróbki wysoko wydajnej i upowszechnieniem się materiałów o wysokich parametrach wytrzymałościowych, a przez to trudnych do przetwarzania konwencjonalnymi metodami. Powłoki kompozytowe z dnia na dzień stały się niezbędne, a to spowodowało, że prace nad ich kolejnymi wariantami szybko nabrały tempa. 

Szczególnym zainteresowaniem wśród nich cieszą się powłoki nanoszone metodą elektrolizy – głównie ze względu na niższy w porównaniu z metodami chemicznymi koszt realizacji tego procesu oraz możliwość prostego sterowania grubością warstwy przez skracanie lub wydłużanie czasu elektrolizy. Co więcej, powłoki takie otrzymuje się w podobny sposób jak klasyczne galwaniczne powłoki jednoskładnikowe – bez konieczności stosowania dodatkowego oprzyrządowania, a dalsza optymalizacja ich właściwości sprowadza się do zastosowania odpowiedniej metody obróbki wykańczającej. 
Niezależnie od metody otrzymywania wszystkie powłoki kompozytowe składają się z dwóch podstawowych faz: nośnej (osnowy) i dyspersyjnej (rozproszonej). Wybór materiału osnowy zależy w dużej mierze od zadanych właściwości powłoki, np. docelowej sztywności, przewodności i rozszerzalności cieplnej, twardości oraz odporności na ścieranie, promieniowanie, temperaturę, chemikalia czy korozję. Jak wspomniano, najczęściej jako fazę nośną stosuje się dziś nikiel, ale równie dobrze rolę tę mogą pełnić wszystkie metale osadzane elektrolitycznie z roztworów lub soli stopionych (m.in. miedź, żelazo, kobalt, chrom, srebro, złoto oraz ich stopy). Z kolei fazę dyspersyjną najczęściej tworzą pierwiastki: miedź, nikiel, kobalt, aluminium, chrom, wolfram, krzem, bor i diament oraz ich związki: borki, krzemki, węgliki, azotki i tlenki. Ciekawostką jest możliwość wykorzystania w tej roli także polimerów (np. PTFE), pigmentów oraz mikrokapsułek polistyrenowych z dodatkami uszlachetniającymi. Pierwiastki mają przeważnie formę proszków o cząsteczkach wielkości od 0,1 do > 10 µm, a ich stężenie w roztworze elektrolitu waha się między 5 a 100 g/dm3.
Z punktu widzenia producentów metalowych komponentów najważniejszą zaletą powłok kompozytowych jest fakt, że ich właściwości można niemal dowolnie modyfikować, sterując składem i stężeniem fazy dyspersyjnej. I tak, aby zwiększyć odporność na korozję, niklową osnowę można uzupełnić o dodatek Cr2O3, SiC, CrO3 lub Si3N4. Najlepsze efekty przynosi przy tym jej korelacja z azotkiem krzemu – wytworzona w rezultacie warstwa ochronna jest nawet 10-krotnie bardziej odporna na korozję niż konwencjonalna niklowa powłoka galwaniczna. Wspomniane związki zwiększają zresztą także odporność powłoki na ścieranie, wysoką temperaturę i chemikalia. Poprawiają również jej twardość, choć w tym zakresie lepsze efekty przynosi korelacja niklowej osnowy z diamentem, talkiem, popiołami, B2O3, BN, B4C, SiO2, Al2O3, TiO2 lub ZrO2. Tego typu kompozyty wykazują bardzo wysoką odporność na ścieranie, co zapewnia im szeroki zakres zastosowań, m.in. w produkcji części przekładni, turbin, implantów medycznych, łożysk, tarcz hamulcowych, tłoków oraz innych komponentów maszyn przemysłowych i pojazdów.
Na koniec przyjrzyjmy się kompozytom z polimerową fazą dyspersyjną – najnowszemu rozwiązaniu o sporym, choć nie do końca jeszcze zidentyfikowanym potencjale zastosowań. Pierwszym z nich są powłoki niklowe z dodatkiem PTFE, który zwiększa ich odporność na korozję, a jednocześnie znacznie obniża współczynnik tarcia. Drugi stanowią powłoki na bazie niklu z zawieszonymi w nim mikrokapsułkami zawierającymi substancję płynną. Także i one ograniczają tarcie i zwiększają odporność korozyjną detalu – i to w stopniu znacznie wyższym niż klasyczne powłoki jednoskładnikowe. Ich popularyzacja zależy jednak wprost od ceny, a ta wciąż jest zbyt wysoka, aby mówić o masowym zastosowaniu tego typu powłok w sektorze przemysłowym.