Физико-химические свойства и назначение медных покрытий

Электролитическое меднение

Медные гальванические покрытия применяются в основном как компоненты многослойных систем с целью повышения их защитной способности, для увеличения электропроводности поверхностного слоя деталей, улучшения их паяемости, при изготовлении деталей гальванопластическим способом.

Гальванически осаждаемая медь характеризуется кристаллической структурой и пористостью. Медь, осаждаемая из цианистых электролитов, более мелкокристаллична и менее пориста, чем при осаждении её из кислых электролитов. Микротвёрдость из цианистых электролитов 150–200 кГс/мм²(15–20×10^–6Па), из кислых – 80–120 кГс/мм²(0,8–12×10^–6Па). После отжига пластичность электролитически осаждённой меди значительно улучшается.

В химических соединениях и электролитах для её осаждения медь одновалентна или двухвалентна. Соответственно электрохимический эквивалент меди равен 2,372 (при +1) и 1,186 (при +2) г/(А·ч).

Гальванически осаждённая медь имеет розовый цвет, но в атмосферных условиях легко реагирует с влагой и углекислотой воздуха, с сернистыми промышленными газами, покрывается окислами и темнеет. Медь интенсивно растворяется в азотной, медленнее в хромовой кислоте, значительно слабее в серной и почти не реагирует с соляной кислотой. Из органических кислот на медь не действует уксусная, а из щелочей её легко растворяет аммиак.

Благодаря своей пластичности и легкой полируемости медь широко применяется в многослойных защитно-декоративных покрытиях типа Cu-Ni-Cr в качестве промежуточной прослойки.

В качестве индивидуального покрытия может применяться при обязательной дополнительной защите бесцветным лаком.

Характеристика существующих электролитов

Электролиты меднения подразделяются на две группы: простые, в основном кислотные, в которых медь находится в виде аква-иона, и комплексные, преимущественно щелочные, где она входит в состав сложного катиона или аниона.

К щелочным электролитамотносятся цианистые, в которых достигается наилучшее качество покрытий, железосинеродистые, пирофосфатные и др.

Старейшим и наиболее широко применяемым кислым электролитомявляется сернокислый. Остальные борфтористоводородный, кремнефтористоводородный и сульфаминовый имеют ограниченное применение.

Сернокислые электролитыпозволяют применять сравнительно высокие плотности тока, дают почти 100% выход по току, стабильны в работе и не требуют частых корректировок. Основные их недостатки:

1) крупнокристаллическая структура осадков;

2) вдвое более низкий электрохимический эквивалент двухвалентной меди по сравнению с одновалентной, входящей в состав цианистых электролитов;

3) относительно низкая рассеивающая способность;

4) невозможность непосредственно на железных деталях получить покрытия, имеющие прочное сцепление с основным металлом из-за контактного выделения меди на поверхности железа.

Цианистые медные электролитыобладают высокой рассеивающей способностью, позволяют осаждать медь непосредственно на железных и стальных деталях с хорошим сцеплением. Осадки мелкокристаллические и малопористые. Однако они приготавливаются из ядовитых и дорогих солей, требуют частой корректировки. Характеризуются пониженным выходом по току (60-80%). Часто требуют подогрева.

Пирофосфатные электролиты для меднения стали, цинкованного сплава и алюминия – наиболее надёжные заменители цианистых. Они обладают хорошей рассеивающей способностью, выход по току 90-95%.

Основные применяемые электролиты меднения

Цианистые электролиты.

Общепринятый электролит состава (г/л):

Комплексная цианистая соль NaCu(CN)₂ 40-50;

Цианистый натрий NaCN 10-20;

Рабочая температура, ºС 15-25;

Катодная плотность тока, А/дм² 0,5-1,0;

Катодный выход по току h_к, % 50-70.

В качестве растворимых анодов применяют медь при соотношении площади анодов к площади детали 2:1.

Осаждённая медь мелкокристаллическая, но матовая. Для получения блеска в электролит вводят блескообразователи: гипосульфит Na₂S₂O₃ или винная кислота H₂C₄H₄O₆ + сернокислый марганец MnSO₄´5H₂O.

Также используют реверсивный ток. Соотношение катодных и анодных периодов от 10:1 до 15:1. Реверсирование тока частично растворяет микровыступы на поверхности катода, устраняются пузырьки водорода на катоде, снижается наводораживание стали, устраняется пассивирование медных анодов, всегда имеющее место при повышенных плотностях тока.

Аммиакатный электролит.

Аммиакатные электролиты получили широкое применение при цинковании и кадмировании. Разработаны они и для меднения, г/л:

Медь хлорная CuCl₂´2H₂O 35-50;

Аммоний хлористый NH₄Cl 260-300;

Аммиак NH₄OH 150-200;

Аммоний щавелевокислый (COONH₄)₂ 10-30;

Рабочая температура, ºС 15-25;

Кислотность, рН 8,6-9,0;

Катодная плотность тока i_k, А/дм²1,3-2,5.

Кислые электролиты.

Наиболее общепринятый – сернокислый,г/л:

Медный купорос CuSO₄´5H₂O 200-250;

Серная кислота H₂SO₄ 50-70;

Рабочая температура, ºС 15-25;

Катодная плотность тока i_k, А/дм²1-2;

Катодный выход по току h_к, % 95-98.

При перемешивании электролита сжатым воздухом или его прокачивании с непрерывным фильтрованием катодную плотность тока можно повысить до 6-8 А/дм², а при вращении цилиндрических деталей на катоде – до 30-40 А/дм². Наличие серной кислоты предотвращает гидролиз медных закисных солей, снижает омическое сопротивление электролита, уменьшает активную концентрацию ионов меди, что способствует мелкозернистости покрытия и даст возможность применять высокие плотности тока.

Существенное значение для качества покрытий имеет химический состав медных анодов. Повышенное содержание мышьяка или закиси меди приводит к серьёзным неполадкам при меднении.

Реверсирование тока с катодным периодом 8 с и анодным – 2 с позволяет повысить катодную плотность тока без перемешивания до 3-5 А/дм². Покрытия образуются гладкие, беспористые, дендриты отсутствуют.

Наложение ультразвукового поля повышает скорость осаждения.

Для получения гладких и блестящих покрытий вводят различные блескообразователи.

Таблица 2.1

Электролитическое меднение

Физико-химические свойства и назначение медных покрытий