Нанесение материалов Гальваническое осаждение ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ Защита от

Нанесение материалов Гальваническое осаждение

ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ Защита от коррозии металлических деталей (Ni, Cd, Cr) Декоративные покрытия Производство печатных плат Покрытие трущихся поверхност ей Уменьшение переходного сопротивления Нанесение металлически х пленок, обладающих магнитными свойствами

Процесс гальванического осаждения покрытия Ионы металла

Гальваностегия • Электролит для электроосаждения металла состоит из солей осаждаемого металла (простых или комплексных), проводящих добавок, буферных добавок, блескообразователей, органических добавок для повышения рассеивающей способности электролита и кислот. • Основной закон электролиза описан Фарадеем: где δ – толщина осаждённого металла [мкм] C – электрохимический эквивалент осаждаемого металла (справочные данные) [г/А∙ч];

Гальваностегия • Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты Ci входящих в него элементов и через массовое содержание в процентах элемента ki в сплаве: t – время электролиза [час] d – плотность осаждаемого металла [г/см 3] I – плотность тока [А/дм 2] h – выход по току (типа КПД)

При электроосаждении металла деталь, на которую наносится плёнка, помещается на катод. Анодом служит либо пластинка металла, который хотят осаждать (растворимый анод), либо графит (нерастворимый анод). В случае нерастворимых анодов, ионы металла необходимо вводить в электролит в виде солей.

Электродный потенциал (Катод) - + (Анод) ++ ++ Деталь ++ ++

Вид гальванической линии

Реакции, происходящие на электродах ванны можно представить следующим образом: Реакции на катоде Реакции на аноде Меn+·m. H 2 O+ne→Meo+ +m·H 2 O Meo-ne→ Меn+ 2 H++2 e→H 2↑ 4 OH-- 4 e→ 2 H 2 O+O 2 ↑ На границе раздела «металл – электролит» образуется двойной электронный слой, состоящий из заряженного металла и расположенных у его поверхности ионов противоположного знака.

Разность потенциалов между металлом и электролитом называется электродным потенциалом. В установившемся режиме электродный потенциал описывается выражением: где φ0 – это нормальный электродный потенциал при Измеряется относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принят за нуль. - это активность ионов металла в растворе (приближённо это концентрация ионов металла в растворе); R – газовая постоянная; T – абсолютная температура; n – валентность металла электрода; F – число Фарадея.

• При включении тока происходит поляризация электродов. Величина перенапряжения зависит от природы ионов, материала электрода, плотности тока, состава электролита. Для увеличения перенапряжения (в результате чего получаются более мелкодисперсные покрытия) требуется применить комплексные соединения катионов и ПАВ. Они затрудняют разряд ионов, так как образование кристаллического зародыша, вокруг которого будет расти участок плёнки, связано с расходом добавочной энергии и, следовательно, облегчается с

• Чем выше скорость образования зародышей, тем более мелкодисперсным получается осадок. Для получения мелкозернистых осадков необходимо повышать плотность тока, уменьшать концентрацию ионов металла в растворе, вводить ПАВ, снижать температуру, то есть всячески повышать катодную поляризацию. • Эффективно также применять реверсирование тока при электроосаждении. Реверсирование тока позволяет получить мелкозернистые осадки за счёт того, что при подключении к детали положительного потенциала, процесс роста плёнки прекращается и возобновляется уже вокруг новых центров кристаллизации, тогда как деталь вновь приобретает отрицательный потенциал.

Величина поляризации зависит от свойств осаждаемого металла. В зависимости от её величины все металлы можно разбить на 3 группы: • 1. Металлы, выделяющиеся при потенциалах, близких к равновесным: Ag, Pb, Cd, Sn, Te. Для их осаждения (получения мелкодисперсной структуры) требуется искусственно увеличивать поляризацию; осаждать металлы нужно из комплексных соединений. • 2. Для металлов Cu, Zn, Bi поляризация достигает нескольких милливольт. Осадки еще довольно грубые. Для измельчения осадков необходимо вводить ПАВ, увеличивать

• 3. Для металлов Fe, Ni, Co поляризация составляет сотни милливольт. Осадки получаются мелкокристаллическими при осаждении их из растворов простых солей. Механические свойства осадков зависят от их структуры. Так, мелкокристаллические осадки обладают большей твердостью, по сравнению с крупнозернистыми, однако они обладают и большими внутренними напряжениями. Эти напряжения могут привести к шелушению покрытий. Для снижения напряжений в пленках в состав электролитов вводят ПАВ (сегнетову соль, тиомочевину и т. п. ).

• Электроосаждение сплавов является результатом совокупности процессов совместного разряда на катоде ионов двух или большего количества металлов и их взаимодействия при образовании кристаллической решетки. Совместное осаждение сплавов возможно, если потенциалы их разряда равны или близки по значению: где - величины перенапряжения разряжающихся ионов металла. Сближение потенциалов разряда осаждаемых металлов можно получить изменением концентрации их солей.

• Потенциал разряда металла меняется в результате применения комплексообразующих материалов и ПАВ. Благодаря этому, электрохимическим путём могут быть получены сплавы, значительно отличающиеся по составу от типовых. Кроме того, увеличение плотности тока приводит к возрастанию количества более электроотрицательного металла в сплаве, а перемешивание электролита – к возрастанию доли положительного металла (по месту в ряду активности). На состав сплава также влияет и температура электроосаждения.

Рассеивающая способность электролитов • Понятие «рассеивающая способность электролита» позволяет оценить равномерность покрытия по толщине на различных участках детали. Равномерность осадка (слоя) зависит от ряда факторов: • 1) геометрические факторы: форма и размер электролизёра (ванны или ёмкости, в которой проводится процесс), форма электродов, взаимное расположение электродов. • 2) электрические и электрохимические факторы: поляризуемость и электропроводность электролита.

Рассмотрим условия Очевидно, что ток при осаждения металла на прохождении между деталь сложной формы анодом и катодом встречает неодинаковое сопротивление. Это приводит к неодинаковой толщине осаждённой плёнки металла. Количественно оценить это явление можно, введя понятие рассеивающей способности Сопротивление току между анодом и катодом электролита. складывается из двух составляющих: 1)сопротивление участка электролита 2)переходное сопротивление на границе электрод-раствор

• При осаждении металла на деталь ступенчатой формы сопротивление электролита до ближней ступени будет Rб , а до дальней ступени - Rд. Введя обозначение K= Rб/ Rд, можно написать формулу для рассеивающей способности электролита: • Между распределением осаждённого металла и распределением тока существует зависимость: • где Mб и Mд – это толщина осаждённого слоя, соответственно на ближней и дальней ступени. • hб и hд – выход по току.

Приведенное выше уравнение для Т позволяет оценить равномерность толщины слоя металла на различных участках детали, однако в нем не учитывается влияние плотности тока на поляризацию катода и изменение при этом рассеивающей способности электролита. Более точное определение рассеивающей способности электролита получают из условия равенства падения напряжения между

где φа, φб, φд – потенциалы анода и разноудаленных поверхностей детали; Ед и Еб - падение напряжения в электролите для этих поверхностей. Учитывая, что можно записать:

Таким образом, рассеивающая способность электролита увеличивается • с ростом поляризации катода; • с увеличением электропроводности раствора; • с уменьшением выхода по току h. Использование ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс осаждения металла, улучшить структуру покрытия, повысить прочность сцепления с основанием. Обычно применяют колебания с частотой 20 50 к. Гц, интенсивностью от 0, 2 до 1 Вт/см 2. Например, скорость осаждения никеля при использовании ультразвука возрастает в 10 20 раз, а меди в 5 60 раз, при этом плотность тока можно увеличить в 5 30 раз.

В качестве гальванической ванны может быть использована любая стеклянная банка такого размера, чтобы покрываемый металлом предмет свободно в ней размещался и при этом не находился слишком близко от анодных пластин. Удобнее всего пользоваться четырехугольными стеклянными банками. Из толстой медной проволоки или трубок делают поперечные перекладины, из которых две (а) служат для подвешивания никелевых или медных пластин - анодов, а третья (б) - для никелируемых или омедняемых предметов. В круглой банке анодную пластину приходится сгибать в виде цилиндра (с). Покрываемые предметы подвешивают на медных проволоках.

Свойства основных электролитов в гальваностегии По характеру ионов осаждаемого металла 1 группа Электролиты, в которых осаждаемый металл находится в виде простого иона 2 группа Электролиты, в которых осаждаемый металл связан в комплексный ион (например, [Cu(CN)2]-)

Преимущества первой группы электролитов: 1) большой выход металла по току; 2) возможность применения большой плотности тока; 3) простота состава; 4) низкая токсичность.

Недостатки первой группы электролитов: 1) ограниченные возможности получения мелкозернистых осадков; 2) низкая рассеивающая способность.

Преимущества второй группы электролитов: 1) возможность получения мелкозернистых осадков высокой плотности; 2) высокая рассеивающая способность;

Недостатки второй группы электролитов: 1) низкий выход по току (h резко падает с увеличением плотности тока); 2) в ряде случаев электролиты второй группы ядовиты (например, цианистые).

Почему применяют электролиты 2 группы? Потому, что детали сложной формы можно покрыть ровным слоем металла только при условии высокой рассеивающей способности электролита Потому, что улучшается структура и адгезия покрытий. Cu 0 + Ag+NO 3 - → Ag 0 + Cu 2+(NO 3)22 K[Ag(CN)2] → K+ + [Ag(CN)2]- ; [Ag(CN)2]- → Ag+ + CN- ; Ag+ + e → Ag 0 Плохая адгезия Ag к Сu Хорошая адгезия Ag к Сu

1 группа Типы электролитов Сульфатные Хлоридные Борфтористоводородны е, Кремнийфтористоводоро дные 2 группа Пирофосфатные Железосинеродис тые. Цианистые Аммиакатные

Гальваническая установка "Вариан" ТММ 3. 1 (гальваностат) Установка предназначена для нанесения гальванических покрытий на малогабаритные детали на подвесках (в основном варианте), колокольчатой ванне или барабане. Установка выполнена из щелочно и кислотостойких материалов с профилированием на технологические процессы электролитов, отвечающих ГОСТ 9. 305 -86 и выпускаемых НТЦ гальванического нанесения "Технокомм АС". драгоценных металлов и при Процесс электролиза осуществляется гальваностатически, т. е. помощи автоматически поддерживается установленный оператором ток, в диапазоне 0, 01 - 10 А. Предусмотрены функции "ударный ток" длительностью 3 сек. и "реверс тока". Процесс прекращается автоматически по истечении установленной оператором

Линия химико-гальванической металлизации. Фирма STS.

Гальваническое золочение

Информацию об основных типах электролитов, применяемых в ТПЭА, изучить самостоятельно по раздаточному материалу (в электронном виде)

Прибор "Трибогальваника. 02" предназначен для нанесения металлических гальванических покрытий без погружения в ванну с электролитом. В приборе реализован принцип "трибоэлектрохимического" осаждения металла с нерастворимым анодом. Процесс осаждения ведется с непрерывным перемещением (трением) по поверхности покрываемого изделия, являющегося катодом, пористого стежня (сепаратора), пропитанного специальным электролитом. Сепаратор вставлен в наконечник - анод. Работа прибора осуществляется в четырех режимах: - "РОДИЙ" (покрытие родием); - "СЕРЕБРО" (покрытие серебром); - "ЗОЛОТО" (покрытие золотом); - "ПАЛЛАДИЙ" (покрытие палладием). Отличительной особенностью покрытия является высокая адгезия и сплошность в сравнении с традиционными гальваническими покрытиями. Возможность локального нанесения вплоть до 1 мм 2

Прибор "Трибогальваника. 04" предназначен для нанесения металлических гальванических покрытий без погружения в ванну с электролитом. В приборе реализован принцип "трибоэлектрохимического" осаждения металла с нерастворимым анодом. Процесс осаждения ведется с непрерывным перемещением (трением) по поверхности покрываемого изделия, являющегося катодом, пористого стержня (сепаратора), пропитанного специальным электролитом. Сепаратор вставлен в наконечник - анод. Работа прибора осуществляется в одном режиме, в - NT - покрытие никелем; зависимости от выбранной вами модификации - GT - покрытие золотом; - PT - покрытие палладием; - RT - покрытие родием; - SN - покрытие серебром. Отличительной особенностью покрытия является высокая адгезия и сплошность в сравнении с традиционными гальваническими покрытиями. Возможность локального нанесения вплоть до 1 мм 2.

Конец темы