Влияние добавок и реверсивного тока на распределение осадков металла при электрохимическом меднении

Авторы: Кудряшов Виталий Александрович, Темников Станислав Романович, Бажанова Анна Игоревна

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 107-111

Объём: 0,27

Опубликовано в: «Наука без границ» № 4 (21), апрель 2018

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Кудряшов В. А., Темников С. Р., Бажанова А. И. Влияние добавок и реверсивного тока на распределение осадков металла при электрохимическом меднении // Наука без границ. 2018. № 4 (21). С. 107-111.

Аннотация: Исследовано влияние реверсивного (импульсного) тока в процессе электрохимического меднения. Осаждение меди проводилось из сернокислого электролита конкретного состава. Установлено влияние величины катодной плотности тока, а также влияние добавок ЦКН 71-73. Экспериментально исследован и рассчитан привес осадка меди. Все практические испытания проводились в ячейке Хулла. Установлены оптимальные параметры ведения процесса.

Введение

Медные покрытия, как известно, широко используются в гальванотехнике, они применяются в основном в качестве подслоя при нанесении многослойных покрытий, а также для улучшения пайки, создания электропроводных слоев, местной защиты стальных деталей при цементации. Ввиду широкого использования меди нередко возникает потребность нанесения медного покрытия на детали сложного профиля. В практике используют различные способы повышения равномерности толщины покрытий на изделиях сложной конфигурации: введение специальных добавок в электролиты, установка экранов, расположение анодов в ванне, чередование катодных и анодных импульсов тока, режима электролиза [1].

Использование в процессах электролиза переменного тока, толчка тока, перерыва тока, воздействия ультразвуковых колебаний обусловило создание нового научного направления в электрохимии – нестационарного электролиза. Многолетняя практика показала, что наиболее эффективное воздействие на процесс электроосаждения, структуру и свойства покрытий оказывает импульсный электролиз, в частности смена полярности импульсов тока. Одним из положительных результатов, который происходит в анодный полупериод тока, является растворение слабосцепленных ад-атомов, что позволяет получать компактные осадки металла.

Выбор процесса обусловлен тем, что выход меди по току имеет значения близкие к 100 %. Это в свою очередь исключает влияние сопутствующих реакций на измеряемые в ходе эксперимента значения.

Улучшение равномерности распределения электрохимических покрытий на поверхности сложнопрофилированных изделий обычно достигается путем повышения рассеивающей способности (далее – РС) электролита, которая в свою очередь зависит от его состава и условий электроосаждения. Однако увеличение РС часто сопровождается нежелательными изменениями свойств получаемых покрытий (рост внутренних напряжений, появление хрупкости и т. п.). Ввиду этого представляет интерес улучшение равномерности распределения тока и металла, не связанные с какими-либо изменениями состава электролитов. Одним из этих методов является использование реверсного, периодического тока.

Реверсивный ток, используемый в работе, представляет собой периодически чередующиеся катодные и анодные прямоугольные импульсы, без прерывания электрохимического процесса. Он может изменить распределение металла как в направлении меньшей, так и большей равномерности [2].

Целью данной работы является получение данных о влиянии соотношения катодного и анодного импульса тока на распределение осадка меди на угловом катоде.

Экспериментальная часть

При проведении эксперимента использовано следующее оборудование: источник тока (LABPS3005D); потенциостат (Elins P-8); аналитические весы CY 223; мультиметр (DT-830B); ячейка Хулла (250 мл). В качестве углового электрода использовали односторонние медные пластины. В качестве анода использовали медную пластину толщиной 2 мм.

Подготовка поверхности катода перед электроосаждением проведена стандартным методом: обезжиривание в щелочном растворе, активация в 5…10 % растворе серной кислоты или 30 % растворе HCl, промывка дистиллированной водой.

Сила тока подбиралась таким образом, чтобы покрытие осаждалось не менее, чем на 30 % длины углового электрода. После электроосаждения меди катод тщательно промывали проточной и дистиллированной водой, сушили и взвешивали.

Для приготовления электролита использовали чистые химические реактивы, которые растворяли в дистиллированной воде. В качестве дополнительной очистки электролита от примесей более электроположительных металлов электролит подвергали электролизу в течение 2 часов при плотности тока 0,5 А/дм2.

Рекомендуемые технологические параметры при использовании добавок класса ЦКН 71-73 (ТУ 2499-019-40195384-09) для меднения из сернокислых электролитов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Рекомендуемы технические параметры для добавок ЦКН-71, ЦКН-72, ЦКН-73

Плотность тока, А/дм2

1…6 (оптимально ≤ 3)

Температура, °C

20…35

Скорость осаждения, мкм/мин (при 2 А/дм2)

0,51

Аноды

Медь МФ

В свою очередь окончательный состав сернокислого электролита меднения составлен таким образом: CuSO4 · 5H2O – 200 г/л; H2SO4 – 70 г/л; HCl – 0,05 г/л; добавки (ЦКН-71 – 0,25 мл/л; ЦКН-72 – 6 мл/л; ЦКН-73 – 1,25 мл/л).

Результаты представлены, как усредненные данные проведённых экспериментов, и скомпонованы в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Электрохимическое меднение без использования реверсивного тока в электролите с добавками ЦКН 71-73, плотность тока 0,5 А/дм2, время 1 час

№ обр.

mдо

mпосле

∆m

доб.

рев.

1

1,814

1,848

0,033

71-73

-

2

1,943

1,990

0,047

71-73

-

3

1,856

1,906

0,050

71-73

-

4

2,278

2,331

0,052

71-73

-

5

1,860

2,056

0,196

71-73

-

Таблица 3

Электрохимическое меднение с добавками ЦКН 71-73 и использованием реверсивного тока (1,5:1) , плотность тока 0,5 А/дм2, время 1 час

№ обр.

mдо

mпосле

∆m

доб.

рев.

1

1,794

1,926

0,132

71-73

+

2

1,853

2,007

0,154

71-73

+

3

1,888

2,076

0,188

71-73

+

4

1,885

2,123

0,238

71-73

+

5

1,908

2,295

0,387

71-73

+

В табл. 2 и 3 представлены результаты проведенных экспериментов, из которых можно заметить положительное влияние использования реверсивного (импульсного) тока на ход эксперимента (∆m). Кроме того, при плотности тока в 0,5 А/дм2 с реверсом тока наблюдаются выравнивающие свойства, что подтверждает пользу применения импульсного тока.

Результаты использования более высокой плотности тока при понижении времени ведения эксперимента представлены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Электрохимическое меднение без использования реверсивного тока в электролите с добавками ЦКН 71-73, плотность тока 1 А/дм2, время 0,5 часа

№ обр.

mдо

mпосле

∆m

доб.

рев.

1

1,831

1,842

0,011

71-73

-

2

1,951

1,985

0,034

71-73

-

3

2,031

2,094

0,063

71-73

-

4

2,011

2,123

0,112

71-73

-

5

2,086

2,338

0,252

71-73

-

Таблица 5

Электрохимическое меднение с добавками ЦКН 71-73 и использованием реверсивного тока (3:1), плотность тока 1 А/дм2, время 0,5 часа

№ обр.

mдо

mпосле

∆m

доб.

рев.

1

1,939

1,961

0,022

71-73

+

2

2,349

2,392

0,043

71-73

+

3

2,140

2,222

0,082

71-73

+

4

2,460

2,709

0,249

71-73

+

5

2,186

2,458

0,372

71-73

+

Из данных таблиц можно увидеть положительное влияние использования реверсивного (импульсного) тока. Выравнивающие добавки ЦКН также ведут к улучшению интенсивности процесса при заданных условиях.

При всех исследованных режимах в отсутствие реверса масса медного осадка на пятой секции пятисекционного катода при средних катодных плотностях тока 0,5…1 А/дм2 в некоторое количество раз превышала массу осадка на всех остальных секциях вместе взятых. Это было обусловлено тем, что фактическая плотность тока на пятой секции более чем в два раза превышала среднюю расчетную величину на всех пяти секциях.

В том числе найдено, что фактическая сила тока, проходящая через секции катода, составляла менее 10 % от средней расчетной плотности тока, и поэтому масса меди, выделившаяся на этих секциях, может существенно колебаться при относительно небольших колебаниях контактного сопротивления в точках токоподвода для ближних секций. Судя по изложенным в данной работе данным, стабильность величины контактного сопротивления вызывает сомнения – слишком велик разброс массы меди, выделившейся на отдельных секциях катода.

Эффект улучшения распределения толщины осажденного слоя в результате применения реверса проявлялся в большей степени на участках поверхности с пониженными локальными значениями плотности тока.

Известно, что реверс тока позволяет улучшить распределение металла на катодной поверхности в тех случаях, когда катодная поляризационная кривая является более пологой, чем анодная. Согласно литературным данным, измерение распределения электролитических осадков меди в сернокислом электролите при использовании реверсивного тока с частотой порядка 0,1Гц дает положительные результаты, что согласуется с теоретическим прогнозом.

Выводы

1) Проведены эксперименты по изучению влияния реверса тока и выравнивающих добавок на распределение металла на катодной поверхности, которые показали, что использование реверсивного тока при определённых условиях повышает качество покрытий;
2) Показано положительное влияние реверса тока при использовании выравнивающих добавок ООО ПК «НПП СЭМ.М»: ЦКН-71, ЦКН-72, ЦКН-73 на распределение металла;
3) При низких плотностях тока (0,5 А/дм2) было отмечено улучшение распределения металла при режиме реверса 1,5:1 с использованием добавок. При высоких плотностях тока (1 А/дм2) выравнивание более заметно при режиме реверса 3:1, также с добавками.

Список литературы

  1. Беленький М. А., Иванов А. Ф. Электроосаждение металлических покрытий : справочник. М. : Металлургия, 1985. 288 с.
  2. Кругликов С. С., Ярлыков М. М., Юрчук Т. Е. Влияние реверсивного тока на рассеивающую способность сернокислого электролита меднения // Электрохимия, 1991. № 3. 203 с.

 

Материал поступил в редакцию 16.04.2018
© Кудряшов В. А., Темников С. Р., Бажанова А. И., 2018