Золочение: твердое или мягкое

Чтобы правильно определить, какой тип золотого гальванопокрытия лучше подойдет для конкретного применения, необходимо рассмотреть пять основных факторов.

Выбор твердого или мягкого золочения – это распространенная тема для обсуждения среди специалистов в этой области.  Твердое золочение – это гальваническое покрытие золотом, которое сплавляется с другим элементом для изменения его зернистой структуры. Мягкое золочение обеспечивает золотое покрытие наиболее высокой степени чистоты, которое, по сути, представляет собой чистое золото без добавления легирующих элементов.

Чтобы правильно определить, какой тип покрытия требуется для конкретного применения, необходимо рассмотреть пять ключевых факторов:

  • Износостойкость и контактное усилие. Имеется ли в данной сфере применения износ при скольжении или переключении, каково контактное усилие изделия?
  • Соединение. Имеются ли в данной сфере применения особые требования по сцеплению или паяемости?
  • Коррозия или биосовместимость. Какие требования к коррозионной стойкости и биосовместимости в данной сфере применения?
  • Температура и контактное сопротивление. Какова рабочая температура в данной сфере применения?
  • Внешний вид. Имеются ли какие-либо требования к внешнему виду в данной сфере применения?

Все эти вопросы, рассматриваемые в данной статье, помогут определиться с выбором подходящего типа золочения.

Рисунок 1. Твердое золотое покрытие образуется, когда недрагоценный металл (обычно кобальт, никель или железо) сплавляется с золотом.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И КОНТАКТНОЕ УСИЛИЕ

Как говорилось выше, твердое золотое покрытие образуется, когда недрагоценные металлы (обычно кобальт, никель или железо) сплавляются с золотом. Они изменяют гранулярную структуру покрытия, делая ее более мелкозернистой, блестящей и стойкой к износу при трении скольжения. Размер зерен твердого золотого покрытия составляет примерно 20-30 мм, в то время как зерна мягкого золотого покрытия обычно имеют размер 1-2 мм. Как правило, твердое золотое покрытие обладает твердостью 130-200 HK25 (твердость по Кнупу), мягкое золотое покрытие – 20-90 HK25, что делает его весьма восприимчивым к износу при трении скольжения и к контактному износу.

При выборе типа золочения необходимо учитывать нормальное усилие контакта. Как правило, для мягких золотых покрытий рекомендуется усилие контакта менее 50 г, в то время как твердые золотые покрытия показывают хорошие результаты при стандартном усилии контакта 50 г и более. В связи с отсутствием изолирующего оксидного слоя или образования соединений, мягкие золотые контакты можно использовать при контактном давлении до 10 г и расстоянии   скольжения до 0,010 дюйма, однако рекомендуется, чтобы усилие контакта составляло 15-35 г.

Рисунок 2. Сопротивление контакта упрочненных кобальтом (CoHG) и никелем (NiHG) золотых покрытий при температуре 125°C (верхний график) и 300°C (нижний график).

Если в данной области применения предполагается многократный износ от трения скольжения или включения/выключения, то целесообразно выбрать твердое золочение. Количество жизненных циклов пропорционально толщине золотого покрытия; более толстое покрытие может выдержать больше циклов. Типичная толщина функционального твердого золотого покрытия варьируется от 0,000015 дюйма для применений с малым количеством циклов до 0,0001 дюйма для применений с большим количеством циклов; наиболее распространены покрытия толщиной 0,000035 - 0,000075 дюйма.

В таблице ниже приведены результаты лабораторных испытаний на износ твердого золотого покрытия с подслоем никеля толщиной 0,00005 дюйма. Испытания проводились с использованием шарика диаметром 0,25 дюйма на расстоянии 0,50 дюйма при нормальном усилии 100 г на цикл.

Кроме выбора твердого золочения и толщины покрытия для золотых контактов или межкомпонентных соединений, необходимо также правильно выбрать подслой, чтобы повысить износостойкость золотого покрытия. Обычно в качестве подслоя выбирают сульфаматный никель, блестящий электролитический никель и химическое никелевое покрытие. Никель, применяемый в качестве подслоя перед твердым или мягким золочением, выполняет множество функций:

  • Диффузионный барьер. Подслой никеля перед твердым или мягким золочением обеспечивает барьер для диффузии в твердой фазе между металлами медной подложки и легирующими металлами (например, цинк из латуни). Благодаря этому диффузионному барьеру между металлической подложкой и золотом не образуются неустойчиво связанные интерметаллические слои, таким образом обеспечивается долговременная целостность золотого покрытия. Это особенно важно в областях применения с использованием повышенных температур.
  • Ингибитор коррозии. Подслой никеля перед твердым или мягким золочением способствует повышению коррозионной стойкости. Подслой никеля защищает подложку в случае появления пор в слоях золота. Обычно это приводит к пассивному образованию оксида в основании поры, при условии, что в атмосфере не содержится высококислотных коррозионноактивных веществ. Подслой никеля предотвращает образование оксида меди или пленок из оксидов и сульфидов на поверхности золотого слоя, тем самым сохраняя контактную поверхность без оксидного слоя.
  • Выравнивание поверхности. Подслой никеля может улучшать качество контактной поверхности, снижая коэффициент трения, а, следовательно, и износ при трении скольжения золотого покрытия.
  • Несущая способность. Подслой никеля помогает выдерживать контактную нагрузку компонента. Благодаря этому снижается риск растрескивания позолоченных контактов и повышается общая износостойкость.

 

СОЕДИНЕНИЕ

Присутствие недрагоценных элементов (таких как кобальт, никель и железо) в твердом золотом покрытии может сделать пайку более трудновыполнимой, чем при использовании мягких золотых покрытий. Эти соосажденные металлы могут окисляться при температуре пайки, нарушая целостность паяного соединения. Для особо чувствительных применений, например, термоультразвуковая сварка или ультразвуковая сварка выводов, рекомендуется использовать только мягкое золочение.

Кроме того, мягкое золочение типа III высокой степени чистоты идеально подходит для областей применения, в которых возможна термодиффузия золота, таких как термокомпрессионное соединение.

При использовании оловянно-свинцового припоя также необходимо учитывать толщину золотого покрытия. Известно, что соединение с помощью оловянно-свинцового припоя, на 3% превышающее золото по весу, приведет к охрупчиванию. Поэтому в таких случаях обычно рекомендуется, чтобы толщина золотого покрытия составляла 30 микродюймов (0,75 мм) и меньше.

И наконец, помимо выбора твердого или мягкого золочения, необходимо снова рассмотреть правильный выбор подслоя. При пайке на золотом покрытии происходит начальное смачивание припоем и образование паяного соединения.

Однако быстрое растворение золота в припое приводит к окончательному паяному соединению с низлежащим слоем. Поэтому подслой должен образовывать прочную паяемую поверхность, или может произойти образование несмачиваемых припоем участков. Чтобы обеспечить наиболее прочное паяное соединение рекомендуется использовать никель высокой степени чистоты без соосаждения органических элементов, например, сульфаматный никель.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ И БИОСОВМЕСТИМОСТЬ

Как уже отмечалось, мягкое золотое покрытие состоит из практически чистого золота без намеренно соосажденных элементов. Правильно приготовленная ванна мягкого золочения позволит получить золотое покрытие с чистотой 99,9% и больше и суммарным содержанием примесей всего 10 м.д. и менее (обычно углерод). Для сравнения, при твердом золочении намеренно добавляются недрагоценные металлы, что в результате дает чистоту всего 99,0% с примесями этих элементов до 2 800 м.д., которые включают углерод, водород, кислород, азот и калий.

Поскольку при мягком золочении сохраняются истинные характеристики золота, оно обеспечивает превосходную коррозионную стойкость и стойкость к воздействию кислот или образованию каких-либо соединений при взаимодействии с элементарными частицами. Соосажденные при твердом золочении примеси снижают общую коррозионную стойкость. Кроме того, добавление таких элементов, как кобальт, приводит к окислению и образованию других соединений, особенно при повышенных температурах.

Поэтому мягкое золочение идеально подходит для медицинских применений, в которых требуется биосовместимость. При мягком золочении характеристики золота как драгоценного металла обеспечивают пассивное покрытие, которое не реагирует с биохимическим составом живых организмов. К тому же, благодаря высокой степени чистоты мягкого золотого покрытия можно получить беспористый слой при нанесении до достаточной толщины. И наконец, фотонепрозрачность мягкого золотого покрытия делает его отличным вариантом для таких устройств, как катетер, при использовании которых в медицинских процедурах требуется визуальный контроль.

ТЕМПЕРАТУРА И КОНТАКТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Из-за высокой степени чистоты мягкое золотое покрытие обладает более низким сопротивлением контакта, чем твердое. В стандарте ASTM B4882 указано, что контактное сопротивление твердого золотого покрытия в три раза выше, чем мягкого покрытия (0,10 Ом для твердого и 0,03 Ом для мягкого покрытия).

При использовании твердого золотого покрытия при высоких температурах контактное сопротивление будет увеличиваться в связи с ускоренным образованием оксидов и других соединений. В статье Ютаки Окинавы и Масао Хосино 1998 года приводится зависимость контактного сопротивления для золотых покрытий с подслоем кобальта и никеля от температуры и времени. Это исследование показало, что значительное увеличение контактного сопротивления происходит через 1000 часов (41 день) при температуре 125°C. Этот временной интервал сокращается до одной минуты при повышении рабочей температуры до 300°C.

ВНЕШНИЙ ВИД

Твердое золотое покрытие с уменьшенным размером зерна выглядит более блестящим и глянцевым, чем мягкое золотое покрытие. К тому же, из-за пониженной твердости мягкое золотое покрытие больше чувствительно к царапанию и/или особенностям отделки при полировке или контакте с другими поверхностями. Максимальная твердость мягкого золотого покрытия 90 HK25 соответствует твердости человеческого ногтя. Поэтому твердое золочение обычно рекомендуется для тех областей применения, в которых важен привлекательный внешний вид контакта, например, находящиеся на виду соединения.

Помимо правильного выбора типа золотого покрытия, также необходимо обратить внимание на подслой. Неблестящий сульфаматный никель целесообразно использовать, когда предполагается соединение и пайка. Однако из-за такого подслоя готовое золотое покрытие часто выглядит более матовым, что эстетически менее привлекательно. Блестящий электролитический сульфатный никель или блестящий химический никель со средним содержанием фосфора в качестве подслоя перед твердым золочением обеспечивают блестящее золотое покрытие, которое потребители обычно ассоциируют с высоким качеством и функциональностью.

Хотя блестящие золотые покрытия более привлекательны на вид, зачастую они не так  функциональны, особенно в сферах применения, где требуется соединение и гибкость. В этих случаях лучше использовать более пластичный подслой никеля, например, сульфаматный никель, или мягкое золочение.