НПП Электрохимия
Гальванические покрытия и механообработка

elhim.ekb@yandex.ru

8-912-044-66-44

8-922-162-66-44

Механизм и технологический процесс гальванического меднения

galvanicheskoe_mednenie

 

• Заказать ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ стали

• Заказать ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ нержавейки

• Заказать ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ алюминия

• Заказать ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ ЦАМ

• Заказать ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ диэлектриков


1. Что такое медь?

Медь - металл розового цвета с атомной массой 63,5, плотностью 8,9 г/см3, температурой плавления 10830С, удельным электросопротивлением 0,017 Ом мм. Медь пластична, твердость медных покрытий 2500-3000 МПа. Медь интенсивно растворяется в аэрированных аммиачных и цианидных растворах, азотной кислоте, медленнее - в хромовой, слабо - в серной и почти не взаимодействует с соляной кислотой. На воздухе медь легко реагирует с влагой, углекислыми и сер­нистыми соединениями, окисляется и темнеет. Стандартный потенциал меди по отношению к ее одновалентным нонам +0,52 В, двухвалентным ионам +0,34 В.

 

В жестких условиях эксплуатации медь и ее сплавы не должны контактировать с хромом, оловом, сталями, цинком, кадмием, алюминием и магнием.


Медные покрытия широко применяются в основном в качестве подслоя при нанесении многослойных покрытиях, а также для улучшения пайки, создания электропроводных слоёв, местной защиты стальных деталей при цементации.

 

2. Кинетика процесса меднения.

Для электролитического осаждения меди разработано большое количество электролитов, которые, обычно, разделяют на две группы: кислые и щелочные.

 

Катодные поляризационные кривые для некоторых из них приведены на рисунке 1.

 

Polarizacia_medi_1\

Рисунок 1 - Катодные поляризационные кривые при меднении из электролитов: 1 - сульфатный; 2 - пирофосфатный; 3 - цианидный ; 4 -цианидный с повышенным содержанием свободных цианидов.

 

2.1 Процессы в кислых электролитах меднения.

К кислым электролитам относятся сульфатные и фторборатные электролиты. Их основные достоинства - простота состава и устойчивость в эксплуатации, но они обладают низкой рассеивающей способностью. Также из них невозможно непосредственно меднить сталь из-за выпадения контактной меди, а, следовательно, плохое сцепление со сталью слоя меди. Вследствие этого меднение осуществляется после предварительного осаждения медного слоя (3-4 мкм) из щелочных электролитов или после осаждения никелевого слоя (3-5 мкм).

 

Из кислых электролитов наиболее распространен сульфатный электролит. Основными компонентами сульфатных электролитов являются сульфат меди и серная кислота. Электропроводность нейтральных растворов сульфата меди невелика, поэтому в них добавляют серную кислоту, которая значительно повышает электропроводность растворов температуры перемешивания.

 

Предполагается, что на катоде разряд двухвалентных ионов меди протекает в две стадии:

 

Cu2+ + e → Cu+

Cu+ + e Cu


Замедленной стадией является первая реакция. Доля каждой стадии в общей кинетике меднения зависит от состава электролита и режима электролиза: плотности тока, температуры, перемешивания.

 

Выход меди по току около 100 %, так как выделения водорода на катоде не происходит, поскольку потенциалы выделения меди имеют более положительные значения, чем потенциалы выделения водорода.

 

Повышение кислотности электролита способствует уменьшению растворимости сульфата меди, что приводит к снижению верхнего предела допустимой плотности тока. Для увеличения концентрации ионов меди в катодном слое применяют перемешивание. В этом случае кислотность электролитов можно увеличивать. Чем интенсивнее перемешивание, тем выше может быть содержание серной кислоты. Повышение температуры способствует увеличению растворимости сульфата меди: при 25 °С - 23,05 г CuSO4 на 100 г воды; при 100 °С - 73,6 г. Повышенная кислотность способствует получению более мелкокристаллических осадков.

 

Вблизи анодов наряду с ионами Cu2+ в растворе могут находиться в незначительном количестве ионы одновалентной меди, образующиеся в результате протекания реакции:

 

Cu + Cu2+ 2Cu+


При накоплении в растворе ионов Cu+ равновесие будет сдвигаться влево, и металлическая медь будет выпадать в виде осадка.

 

При недостаточной кислотности раствора сульфат одновалентной меди будет гидролизоваться с образованием Сu(ОН)2 или СuО2

 

Cu2SO4 + H2O Cu2O + H2SO4


В результате в электролите будут взвешенные частицы металлической меди и оксида меди, которые, включаясь в катодный осадок, делают его темным, шероховатым, а иногда - рыхлым.

 

Присутствие серной кислоты способствует протеканию реакций окисления одновалентной меди:

 

Cu2SO4 + H2SO4 + 1/2О2 2CuSO4 + Н2О
Cu2O + 2H2SO4 + 1/2O2
2CuSO4 + 2H2O


Таким образом, серная кислота прежде всего нужна для предупреждения накопления ионов Cu+ и гидролиза ее солей.

 

В сульфатные электролиты иногда вводят поверхностно-активные вещества. Эти вещества вводят для повышения катодной поляризации, что способствует получению более мелкозернистых плотных, иногда блестящих, осадков. Благоприятное действие этих добавок сказывается в том, что они предупреждают образование наростов на краях и выступающих частях деталей. Наилучшими добавками являются декстрин (не более 1 г/л) и фенол или его сульфосоединения (1-10 г/л).

 

Для получения блестящих медных покрытий предложено большое количество блескообразующих добавок, обеспечивающих зеркальный блеск покрытий, придающих им пластичность и снижающих внутренние напряжения.

 

При работе с электролитами для получения блестящих покрытий особое внимание следует уделять анодам. Анодный процесс растворения меди достаточно сложен и подробно описан в статье.

 

Взвешенные частицы шлама обычно являются причиной грубого шероховатого осадка. Вообще, медное покрытие особенно склонно к дендритообразованию при осаждении с нарушением технологического процесса, к которому относится и присутствие шлама в растворе. Частички шлама становятся при этом центрами кристаллизации и ток, вместо того, чтобы идти на зарождение новых зерен меди, расходуется на обрастание и разрастание этих частиц. Дендриты могут появляться и по другим причинам, одной из которых также является превышение допустимой плотности тока на выступающих частях деталей. Примеры дендритов на медном покрытии приведены на рисунке 2. Пример дендрита на циллиндрическом катоде и поперечный рез такого дендрита приведены на рисунке 3.

 

Dendriti_940_2 Dendriti_1170_1

Рисунок 2 - Примеры дендритов на медном покрытии.

 

Dendriti_3 Poperechniy_rez_dendrita_medi_1

Рисунок 3 - Пример дендрита на циллиндрическом катоде и поперечный рез такого дендрита.


На качество получаемых блестящих покрытий большое влияние оказывает концентрация ионов Сl-. При пониженной концентрации снижается блеск покрытий и образуются прижоги на острых кромках деталей, при повышенном содержании образуются полосы на покрытиях.


Вредными примесями в медных сульфатных электролитах являются мышьяк, сурьма, некоторые органические вещества, образующие коллоидные растворы, анодный шлам.

 

Кроме сульфатных, используют фторборатные электролиты. Эти электролиты обладают высокой устойчивостью; получающиеся покрытия плотные и мелкокристаллические, рассеивающая способность электролитов примерно такая же, как у сульфатных. Большая растворимость фторбората меди позволяет применять повышенные плотности тока. Из этих электролитов осаждать медь непосредственно на стальные детали нельзя; необходим подслой никеля или меди из цианидных электролитов.

 

2.2 Процессы в щелочных электролитах меднения.

К щелочным электролитам относятся цианидные, пирофосфатные и этилендиаминовые электролиты. Основные достоинства: высокая рассеивающая способность, получение мелкокристаллических осадков, возможность непосредственно меднить стальные детали.

 

2.2.1 Цианистое меднение.

Довольно распространены цианидные электролиты. Условия осаждения меди из цианидных электролитов существенно отличаются от условий осаждения в кислых электролитах.

 

В цианидных электролитах медь находится в составе комплексных ионов, степень диссоциации, а, следовательно, и активность ионов меди очень мала. Поэтому потенциал выделения меди в них примерно на 0,9-1,2 В отрицательнее, чем в сульфатных растворах.

 

При малом количестве цианида аноды пассивируются. При недостаточном количестве свободного цианида, когда происходит пассивация анодов и на них разряжаются ионы ОН- с выделением кислорода, то не весь образующийся кислород выделяется в виде газа, а часть его расходуется на окисление цианида в цианит. Уменьшение содержания цианидов происходит также из-за взаимодействия их с углекислотой воздуха и образования карбонатов (NaCN → Na2CO3 ).

 

Содержание свободного цианида оказывает на катодный и анодный процессы противоположное влияние: для катодного процесса требуется минимальное содержание цианидов, для анодного - максимальное. При недостатке свободного KCN на анодах образуется зеленоватая пленка CuCN из-за того, что ионы меди не в состоянии перейти в комплексное соединение. Свободная поверхность анода уменьшается, плотность тока растет, и анодное растворение происходит с образованием ионов двухвалентной меди, которые в виде нерастворимого гидрата осаждаются на аноде. При этом аноды пассивируются и наблюдается интенсивное выделение кислорода.

 

Основными компонентами медных цианидных электролитов являются комплексный цианид меди и свободный цианид натрия. Из приведенных данных видно, что степень диссоциации комплексных ионов очень мала и уменьшается с увеличением содержания CN- в комплексе. Этим, по-видимому, объясняется повышение катодной поляризации при увеличении содержания свободного цианида в электролите.

 

Содержание меди в электролите во время работы обычно уменьшается вследствие недостаточной растворимости анодов. Снижение концентрации ионов меди в электролитах приводит к образованию пористых осадков. Кроме того, работая с малоконцентрированными медными электролитами, можно применять только пониженные плотности тока.

 

Постоянным компонентом цианидных электролитов является карбонат. Он накапливается в результате окисления цианида кислородом воздуха, особенно при нагревании:

 

2NaCN + 2Н2О + 2NaOH + О2 = 2Na2CO3 + 2NH3


Присутствие карбонатов в небольших количествах полезно, поскольку при этом повышается электропроводность электролитов. Однако при их накоплении свыше 70 г/л, а в концентрированных - до 140 г/л аноды проявляют склонность к пассивированию, а покрытия получаются пористыми. Карбонаты можно удалять при помощи хлорида бария и вымораживанием, охлаждая электролит до -5 °С. Следует отметить, что карбонаты натрия легче выпадают в осадок, чем калиевые. Сульфаты существенного влияния на процесс электролиза не оказывают.

 

Введение в электролит депассиваторов, в качестве которых применяют сегнетову соль KNaC4H4O6•4H2O и роданид калия KCNS, позволяет повысить рабочую плотность тока и устранить пассивацию анодов, но при этом следует одновременно повышать температуру электролита.

 

Высококонцентрированные по меди электролиты, содержащие депассиваторы, позволяют применять высокие плотности тока (до 10 А/дм2) при повышенной температуре и перемешивании. При этом возможно получить выход по току, близкий к 100 %.

 

Сульфиды, вводимые в электролит, играют роль восстановителя, предупреждая накопление в ванне ионов меди Cu2+.

 

Для замены ядовитых цианидных электролитов применяют пирофосфатные и этилендиаминовые электролиты.

 

 

2.2.2 Пирофосфатное меднение.

Из пирофосфатных электролитов получают медные осадки с мелкозернистой структурой. При нанесении тонких слоев осадки получаются гладкими, блестящими или полублестящими. Преимущества пирофосфатных электролитов перед кислыми заключаются в высокой рассеивающей способности и возможности непосредственно проводить меднение стальных деталей в разбавленном пирофосфатном электролите.

 

Основные компоненты пирофосфатных электролитов: CuSO4 или Сu2Р2О7 и К4Р2О7 или Na4P2O7. В растворах в присутствии Na4P2O7 образуется комплексная соль Na6[Cu(P2O7)2]; при избытке свободного пирофосфата может образовываться Na2[Cu(P2O7)2]. Константы нестойкости комплексов [Сu(Р2О7)2]6- и [Сu(Р2О7)2]2- соответственно равны 3•10-3 и 2•10-9.

 

В щелочных растворах при рН 8 и достаточном избытке свободных ионов Р2О74- медь находится преимущественно в виде шестизарядных комплексных ионов [Сu(Р2О7)2]6-.

 

В пирофосфатные электролиты вводят NH4NO3, который способствует повышению допустимой катодной и анодной плотностей тока и улучшает качество осадков. Из пирофосфатных электролитов можно получать блестящие осадки. В качестве блескообразующих добавок вводят Na2SeO3 совместно с лимонной или триоксиглутаровой кислотой, 2-меркаптотиазол и другие вещества.

 

При повышенных плотностях тока может происходить пассивация анодов за счет образования на их поверхности труднорастворимой оксидной или солевой пленки.

 

Катодный потенциал меди в пирофосфатных электролитах имеет более отрицательное значение, чем в кислых. Большая катодная поляризация объясняется пассивированием поверхности катода вследствие адсорбции ионов Р2О74- или образования оксидных (Сu2О8) и труднорастворимых соединений (Сu2Р2О7) в виде фазовой пленки.

 

Предполагают, что выделение меди на катоде из пирофосфатных растворов происходит в результате восстановления двухзарядных комплексов:

 

CuP2O72- + 2e- Cu + Р2О74-,

 

образующихся при диссоциации шестизарядных комплексов:

 

Cu(P2O7)26- CuP2O72- + Р2О74-.

 

С повышением температуры ускоряется выделение меди, что связано как с ускорением диффузии комплексных анионов к катоду, так и с облегчением их разряда.

 

Структура осадков меди из пирофосфатного электролита более мелкая, по сравнению с сернокислымирастворами, с ростом плотности тока она укрупняется (рисунок 4)

 

cooper_pirofosfat_1  cooper_pirofosfat_2

Рисунок 4 - Микроизображения медного покрытия из пирофосфатного электролита при плотности тока 0,5 А/дм2 (слева) и 1 А/дм2 (справа).

 

Анодный выход по току в этих электролитах несколько выше катодного, поэтому при корректировке нет необходимости добавлять медные соли. Анодную плотность тока рекомендуется поддерживать в пределах 2-4 А/дм2. При более низкой плотности тока растворение идет недостаточно быстро, при более высокой - на поверхности анодов образуется труднорастворимая оксидная пленка.

 

Для предотвращения пассивации анодов должно быть достаточное количество свободных анионов Р2О74- и достаточно высокое рН раствора. Повышение температуры способствует отводу продуктов реакции и, следовательно, уменьшению пассивации анодов. Для этой же цели в электролиты вводят депассиваторы, которые способствуют снижению активности ионов Cu2+ в прианодном слое.

 

При работе пирофосфатных ванн рекомендуется проводить фильтрацию электролита: для полублестящих осадков - периодически или непрерывно, для блестящих - непрерывно.


Особенностью этилендиаминовых электролитов меднения является возможность непосредственного меднения стальных деталей. Детали в ванну загружают под током плотностью в 3-5 раз превышающей рабочую.

 

  Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО "НПП Электрохимия" Любое копирование без прямой ссылки на сайт www.zctc.ru преследуется по закону. Текст статьи обработан сервисом Яндекс "Оригинальные тексты"