Гальванические покрытия (1245580), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Применение функциональных покрытий не является новостью. Функциональное хромирование известно много лет и не может быть заменено более дешевым желез- нением. Определенную конкуренцию для хрома представляет химический никель, который после термической обработки имеет твердость не намного меньше, чем хром и дает равномерное покрытие, независимо от формы детали.

Применение меди и никеля в гальванопластике известно повсюду, при этом для изготовления форм для литья под давлением применяют в настоящее время пре-имущественно никелевые формы.

Производство печатных плат постоянно возрастает и одновременно увеличивается потребность в электролитическом и химическом меднении, а также в покрытиях из сплава олова со свинцом.

Золотые покрытия не только являются декоративными, они приобрели огромное значение в полупроводниковой электронике. Вместо . традиционных ванн, содержащих свободный цианид, введены слабокислые ванны, нейтральные и щелочные. Чистое золото не удовлетворяет уже запросов потребителя и поэтому разработаны разные варианты покрытий его сплавами.

Растворы, применяемые в гальванотехнике

В рецептуре гальванических ванн приводится содержание их компонентов в граммах на литр. Например 250 г/л сульфата никеля обозначает раствор, содержащий в 1 л 250 г сульфата никеля. Не следует понимать так, что в 1 л воды добавляют 250 г соли, так как образованный при этом раствор по объему будет значительно больше 1 л.

Желая получить 500 л ванну, содержащую хромовый ангидрид в количестве 350 г/л, вливают в ванну 300 л воды и добавляют 175 кг хромового ангидрида. После полного растворения введенного вещества ванну доливают водой до объема в 500 л.

Часто концентрацию выражают в массовых или объемных процентах: так, например, 2 %-ный раствор борной кислоты означает, что в 100 г раствора содержится 2 г борной кислоты, это — массовая концентрация.

Для водных растворов, жидких веществ часто приводят их объемную концентрацию: так, например, в 1 л 20 %-ного раствора глицерина содержится 20 см3 глицерина.

Определенную трудность составляет подготовка растворов кислот с заданным процентным содержанием, так как их расчет сложен. Проще воспользоваться данными в соответствующих справочниках.

Классификация гальванических покрытий

В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают три типа покрытий:

- защитные, применяемые для защиты от коррозии деталей в различных агрессивных средах;

- защитно-декоративные, применяемые для декоративной отделки деталей с одновременной защитой их от коррозии;

- специальные, применяемые для придания поверхности деталей специальных свойств (износостойкости, паяемости, твердости, электроизоляционных, магнитных свойств и др.), восстановления изношенных деталей или обеспечивающие защиту основного металла от особых сред (местная защита от цементации, азотирования и пр.).

По способу защитного действия гальванические покрытия делят на катодные и анодные. Катодные покрытия имеют более положительный, а анодные более электроотрицательный электродные потенциалы по сравнению с потенциалом металла, на который они нанесены. Так, например, Сu, Ni, Ag, Аu, осажденные на сталь, являются катодными покрытиями, a Zn и Cd по отношению к стали -- анодными.

Защитные действия покрытий зависят не только от природы металла, но и от состава коррозионной среды. Олово по отношению к Fe в растворах неорганических кислот и солей является катодным покрытием, а в ряде органических кислот (пищевых консервах) -- анодным. Катодные покрытия защищают металл детали механически, изолируя его от окружающей среды. Основное требование к катодным покрытиям -- беспористость. Анодные покрытия защищают металл детали главным образом электрохимически. Поэтому степень пористости анодных покрытий в отличие от катодных не играет существенной роли.

Сравнительная характеристика цинковых электролитов

Электролиты для цинкования можно разделить на две основные группы: простые кислые (сернокислые, хлористые, борфтористо-водородные), в которых цинк находится в виде гидратированных ионов, и сложные комплексные, в которых цинк присутствует в виде комплексных ионов, заряженных отрицательно (анионы) или положительно (катионы). Из комплексных электролитов известны щелочно-цианистые, щелочные нецианистые (цинкатные), пирофосфатные, аммиакатные, аминокомплексные с различными органическими адендами и др.

Равновесные потенциалы электродов определяются в условиях отсутствия во внешней цепи тока. При прохождении электрического тока потенциалы электродов меняются. Отклонение потенциала электрода от его равновесного значения называется электрохимической поляризацией или просто поляризацией. Поляризацию можно осуществить включением электрода в цепь постоянного тока. Так как поляризация может наблюдаться как на катоде, так и на аноде, то различают катодную DjК и анодную DjA поляризации. Любая электрохимическая реакция многостадийна. Условно ее можно разбить на 3 стадии: 1) подвод реагентов к электроду; 2) собственно электрохимическая реакция; 3) отвод продуктов реакции от электрода.

Если бы все эти стадии протекали мгновенно, то потенциал электрода при прохождении тока не изменялся бы и, соответственно, поляризация была бы равна нулю. Однако, все три стадии протекают с конечными скоростями, причем одна из них лимитирует всю реакцию и для ее ускорения необходимо изменение потенциала электрода, т.е. поляризация. Следовательно, возникновение поляризации обусловлено замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса. В зависимости от характера замедленной стадии на электроде возникает или концентрационная, или электрохимическая поляризация.

Изменение потенциала электрода в результате изменения концентрации реагентов в приэлектродном слое при прохождении тока называется концентрационной поляризацией.

Изменение потенциала, обусловленное замедленностью собственно электрохимических стадий реакций, называется электрохимической поляризацией. Величину поляризации электрода можно определить по разности между потенциалом при прохождении тока и равновесным потенциалом j p. А разность потенциалов катода и анода при прохождении тока называется напряжением гальваниеческого элемента. Таким образом, напряжение гальванического элемента при прохождении электрического тока меньше его напряжения при I » 0 вследствие поляризации электродов и омических потерь. Следует отметить, что при электрохимическом нанесении достаточно сложно получить равномерные по толщине металлические покрытия. Основными причинами разнотолщинности металлического слоя является положение обрабатываемой детали относительно анода и явления поляризации.

Потенциал катода в любой электрохимической системе при прохождении электрического тока становится более отрицательным, а потенциал анода - более положительным.

От природы и состава электролитов зависят качество осаждения металла на катоде и скорость процесса осаждения. Так как качество осаждения и скорость процесса в значительной степени определяются характером и степенью изменения катодных потенциалов. Чем резче выражена катодная поляризация, тем более мелкозернистые и равномерные по толщине осадки на катоде.

Прохождение электрического тока приводит к изменениям на поверхности электродов, которые зависят от ряда факторов и в первую очередь от силы тока. Изменение электрического состояния электрода (его потенциала, плотности заряда двойного электрического слоя) под влиянием проходящего через границу раздела электрод – электролит электрического тока называется поляризацией электрода. При поляризации потенциал электрода отличается от равновесного значения, которое он имел бы в данных условиях при отсутствии тока. Изменение расстояния между электродами влияет на равномерность получаемого покрытия. Чем меньше расстояние, тем более неравномерное покрытие получается из-за возрастания неравномерности распределения тока на анодах и катодах.

В кислых электролитах без специальных добавок катодная поляризация сравнительно невелика во всем рабочем интервале плотностей тока и выход металла по току возрастает. Осадки на катоде, образующиеся из таких электролитов, удовлетворительны по структуре, но менее равномерные по толщине слоя, чем, например, из цианистых и других комплексных электролитов. Однако допустимая плотность тока и, следовательно, скорость процесса, в кислых электролитах может быть значительно выше, чем в комплексных. Наиболее эффективными являются борфтористоводородные электролиты, так как они обладают высокими буферными свойствами, по-видимому, вследствие образования более сильной кислоты - гидрата трехфтористого бора HBF₃OH при гидролизе HBF₄.

Кислые электролиты применяются главным образом для цинкования изделий простой формы (листы, лента, проволока, стержни, пластины и т.п.). Электролиты, содержащие поверхностно-активные вещества, повышающие катодную поляризацию, могут использоваться для цинкования также и рельефных деталей.

В щелочно-цианистых электролитах цинк находится в виде комплексных анионов.

Выделение цинка на катоде из таких растворов происходит при высокой катодной поляризации, особенно при большом содержании свободного цианида. Поэтому осадки из цианистых электролитов получаются очень мелкозернистыми и более равномерными по толщине, чем из растворов простых солей цинка в отсутствие специальных добавок.

В цианистых электролитах выход металла по току ниже, чем в кислых растворах, и снижается при повышении плотности тока (особенно резко при большом содержании свободного цианида). Последнее в значительной мере способствует улучшению равномерности распределения металла на катоде.

Допустимая плотность тока в щелочно-цианистых электролитах, как правило, ниже, чем в кислых. Перемешивание сжатым воздухом, позволяющее в кислых электролитах значительно увелличить плотность тока, в цианистых растворах недопустимо вследствие карбонизации свободного цианида и выделения в атмосферу токсичного цианистого водорода

Этот процесс, хотя и менее интенсивно, протекает также в отсутствие перемешивания вследствие взаимодействия электролита с окружающей атмосферой, поэтому ванны с цианистыми растворами должны быть оборудованы специальными (бортовыми) вентиляционными отсосами. За счет карбонизации состав цианистых электролитов менее устойчив по сравнению с кислыми и требует частого корректирования - добавления цианида.

Анодная поляризация в цианистых цинковых электролитах несколько выше, чем в кислых. При электролизе с высокой анодной плотностью тока (выше допустимого предела) наступает пассивирование анодов и потенциал анодов резко смещается в сторону положительных значений. Это обусловливает выделение на аноде кислорода и снижение анодного выхода металла по току. Особенно сильно проявляется пассивирование анодов при недостатке в электролите свободного лиганда (цианида и щелочи): чем ниже концентрация лиганда, тем при меньшей плотности тока наступает пассивирование анодов.

Щелочно-цианистые электролиты широко применяют в промышленности для покрытия изделий различной формы - простых и сложных по конфигурации. Серьезным недостатком обычных цианистых электролитов цинкования (без специальных добавок) является значительное наводороживание в них стальных деталей, что приводит к резкому ухудшению механических свойств деталей после покрытия: уменьшается пластичность, увеличивается склонность стали к хрупкому разрушению.

Щелочные нецианистые - цинкатные электролиты в отличие от цианистых нетоксичны и более устойчивы по составу, чем щелочно-цианистые. Они содержат цинк в основном в виде комплексов типа Zn (OH) и щелочь. Катодная поляризация в цинкатных электролитах без специальных добавок ПАВ выражается сравнительно небольшой величиной, она имеет в основном диффузионный характер, химическая поляризация составляет небольшую долю и выражается величиной порядка нескольких милливольт (7-10 мВ).

Анодный процесс сильно зависит от концентрации основных компонентов и температуры. Характерной особенностью поведения цинкового анода в пирофосфатных электролитах является склонность к пассивированию. Анодная плотность тока, при которой наступает полное пассивирование, тем меньше, чем ниже концентрация Р₂О₇ своб. и температура. Критическая плотность тока, при которой наступает пассивирование, значительно снижается при уменьшении рН<8.

В аммиакатных электролитах цинк присутствует в виде аммиачного комплексного катиона Zn (NH₃). Восстановление этих ионов протекает при более отрицательном потенциале, чем восстановление простых гидратированных ионов, но с повышением плотности тока катодный потенциал изменяется не так резко, как в цианистых и пирофосфатных электролитах - наклон поляризационных кривых менее значителен.

Допустимый верхний предел плотности тока так же, как и в цинкатных электролитах, сильно зависит от концентрации металла и в обычно применяемых разбавленных растворах не превышает 1,5∙10² А/м2. Выход металла по току близок к теоретическому и мало изменяется при повышении плотности тока. Удовлетворительные по качеству осадки получаются из этих электролитов только в присутствии некоторых органических добавок.

Рассеивающая способность аммиакатных электролитов выше, чем простых кислых (без специальных добавок), но уступает рассеивающей способности цианистых. Аноды в аммиакатных электролитах растворяются в интервале рабочих плотностей тока (равных катодным) с высоким выходом по току.

В числе комплексных электролитов с органическими адендами в последнее время были разработаны этилендиаминовые, моноэтаноламиновые, триэтаноламиновые, полиэтиленполиаминовые, гликолевые, трилонатные и др.

Электролиты для никелирования металла

Характеристики

Список файлов учебной работы