Без рубрики 'Осаждение меди на неметаллических предметах

Осаждение меди на неметаллических предметах

0 комментов
просмотров
16 мин. на чтение

Покрываем медный орех

С металлами мы разобрались, но как быть с диэлектриками, они ведь не проводят ток и реакция попросту не начнётся. Но выход есть: нужно покрыть наш предмет токопроводящим материалом. В качестве последнего отлично подходит графит, из которого делают стержни для простых карандашей.Берём самый мягкий карандаш. Мягкие карандаши маркируются буквой «B», а цифра в начале говорит о степени мягкости. С мелкими деталями лучше справляется твёрдый карандаш. Раскрашиваем наш орех.Нанесение графита данным способом – очень утомительное занятие, поэтому в строительных магазинах продаётся специальный графитовый спрей. Он с этой задачей справится намного быстрее.После раскраски сверлом вручную проделываем отверстие под «веточку». Заливаем в него супер клей, закупориваем толстой медной проволокой и засыпаем графитовым порошком, оставшимся после разукрашивания ореха.К проволоке подключаем минус питания через резистор на 1 кОм. На данном этапе не следует подавать большой ток, в противном случае слой меди получится рыхлым, что не есть хорошо. Спустя полчаса орех немного покрылся медью и можно уменьшить сопротивление до 220 Ом.Ещё через некоторое время рост меди замедлится и придётся ещё уменьшить сопротивлениеДля этого воспользуемся бруском дерева и нихромовой нитью, нанизанной змейкой на шурупы по его краям.Выставляем сопротивление в 70 Ом.Когда медь покроет орех полностью, устанавливаем значение импровизированного резистора в 5 Ом и оставляем орех ещё на пять часов для толстого и равномерного покрытия.За это время медный электрод сильно истощился.Вся эта медь осела на нашем орехе, создав шероховатый слой.По окончании процесса орех заметно прибавил в весе.

Лиганды

Из большого числа веществ, образующих комплексы с ионами меди (II), лишь немногие лиганды подходят для растворов химического меднения. Эти вещества должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Образовывать достаточно прочный комплекс с медью (II) в щелочной среде, чтобы предотвратить выпадение гидроксида меди и обеспечить смещение потенциала меди в электроотрицательную сторону.

2. Обеспечивать достаточную стабильность раствора по отношению к реакции восстановления меди в объеме раствора.

3. Не реагировать с формальдегидом (нельзя, например, применять первичные и вторичные амины).

4. Не тормозить каталитический процесс восстановления металла, то есть не затруднять анодное окисление СН20. Поэтому не пригодны в качестве лигандов цианиды; соединения, содержащие сульфидную серу; гетероциклические соединения с азотом.

Среди простых неорганических лигандов нет ни одного, удовлетворяющего всем указанным условиям.

Установлено, что из органических соединений, содержащих карбоксильные или гидроксильные группы, наиболее приемлемыми лигандами ионов Сu2+ являются бидентант-ные, структура которых позволяет при ком-плексообразовании сформироваться пятичленному циклу:

В производстве чаще всего используются в качестве лигандов ЭДТА и тартрат Na-K.

Тартратные растворы. Как следует из состава и прочности комплекса меди (II) с тартратом (табл. 1), минимальное общее содержание тартрата в растворе меднения должно соответствовать соотношению С(Т) : С(Сu(П)) > 2. Увеличение этого соотношения до 3 несколько снижает скорость меднения, но повышает стабильность раствора. Увеличение концентрации формальдегида сравнительно мало влияет на скорость восстановления меди (рис. 1).

Более сильное влияние на скорость меднения оказывает изменение концентрации меди (II) в растворе (рис. 2) .

При постоянстве рН и концентраций других компонентов раствора скорость меднения повышается при увеличении концентрации как СН20, так и Cu(II) до самых больших значений, обычно используемых в растворах химического меднения.

Скорость меднения меди возрастает при увеличении рН раствора, максимум скорости наблюдается около рН = 13,0.

С возрастанием температуры скорость меднения увеличивается, хотя большинство растворов меднения используют при комнатной температуре.

Скорость нанесения тонких пленок меди из тартратных растворов достаточно высокая — 3-8 мкм/ч, однако при снижении рН < 12 и повышении температуры выше 35 °С покрываемая поверхность легко пассивируется за счет образования соединений меди (I) на каталитической поверхности, и процесс восстановления меди прекращается.

Рис. 1. Зависимость скорости меднения от концентрации формальдегида при 20 °С в перемешиваемых тартратных растворах: 1 — ССu(II) = 7 ммоль/л, рН = 12,1; 2 — ССu(II) = 20 ммоль/л, рН = 12,1;3 — ССu(II) = 28 ммоль/л, рН = 12,5; 4 — ССu(II) = 28 ммоль/л, рН = 13.

Рис. 2. Зависимость скорости меднения от концентрации меди (II) в тартратном растворе:

1 — ССНОн = 0,17 моль/л, рН = 12,5; 2 — ССНОн = 0,33 моль/л, рН = 12,1; 3 — ССНОн = 0,33 моль/л, рН = 13

Рис. 3. Зависимость скорости осаждения меди от рН раствора, содержащего: 1 — калия натрия тартрат, 2 — трилон Б

Трилонатные растворы. Комплекс меди (II) с ЭДТА более прочен, чем с тартратом (см. табл. 1), поэтому для удержания меди в растворе достаточно малого избытка ЭДТА по отношению к меди (II). Минимальное соотношение С(ЭДТА) : С(Сu(П)) равно 1,0001 (рН = 12) и 1,001 (рН = 13).

Концентрация свободного ЭДТА не оказывает значительного влияния на скорость восстановления меди.

Растворы тонкослойного химического меднения на основе солей ЭДТА по сравнению с тартратными обладают некоторыми преимуществами: они стабильны в широком диапазоне температур, имеют высокую скорость осаждения (5-10 мкм/ч), существенно зависящую от температуры раствора, его рН (рис. 3) и концентрации меди (II), и не склонны к пассивации, так как в процессе восстановления не образуется Cu20 .

Можно использовать растворы, содержащие два лиганда. Уже небольшие добавки ЭДТА в тартратный раствор увеличивают скорость осаждения меди; особенно сильно этот эффект проявляется при рН = 12. Это в основном можно объяснить более высокой устойчивостью комплекса с ЭДТА и осаждением меди в присутствии смеси ли-гандов из этого комплекса.

Важно  Красивые и прикольные поздравления с 45-летием брату от брата, от сестры своими словами трогательные

Покрытие сплавом кадмий-олово.

Уникальные свойства кадмия, несмотря на его токсичность, не позволяют в полной мере отказаться от его использования. Химические свойства кадмия во многом аналогичны цинку, однако, он более пластичен, поэтому детали с резьбовыми соединениями предпочитают кадмировать (см. «Процесс кадмирования»). Кроме того, он надежно защищает сталь от коррозии в условиях тропического климата, морской воды и солевого тумана.

Осаждение сплава олово-цинк в значительной мере позволяет решить эту проблему: коррозионная стойкость стальных изделий, покрытых сплавом олово-цинк, выше, чем у олова и цинка и приближается к коррозионной стойкости кадмиевых покрытий (см. «Осаждение сплава олово-цинк»).

С развитием уровня промышленности все более разносторонними становятся характеристики, предъявляемые к гальваническим покрытиям: коррозионная защита в жестких условиях морского климата, пластичность, паяемость – эти требования могут быть выполнены только путем осаждения сплава кадмий – олово.

Покрытие сплавом кадмий – олово.

Для осаждения сплава кадмий – олово, содержащего 20 — 50% Sn, применяют борфтористый электролит.

Состав борфтористого электролита: г/л

Cd(BF4)2               240-250

NH4BF4               50-60

HBF4                   50-70

Н3ВО3                18-20

Sn(BF4)2             20-30

Клей столярный  1-2

Режим электролиза: температура электролита 20 – 30ºС, плотность тока = 1,5 ÷ 2 А/дм2, аноды – из сплава кадмий – олово.

Перемешивание электролита приводит к обогащению сплава оловом, как и при увеличении концентрации олова в электролите. Так, при содержании Sn(BF4)2  30 – 40 г/л в осадках олова содержится 60 – 80%.

С повышением температуры электролита резко снижается содержание олова в сплаве. При этом покрытие становится грубым.

С увеличением концентрации NH4BF4 в электролите количество олова в осадках уменьшается: ионы аммония экранируют поверхность катода и уменьшается скорость диффузии ионов олова в прикатодном слое.

Лучшей коррозионной стойкостью по сравнению с кадмием обладает сплав кадмий – олово (40—80 % Cd). Коррозионный потенциал этого сплава немного положительней, чем у кадмия. Покрытия легко паяются и пассивируются, образуя в зависимости от состава различного цвета пленки — от бесцветной до темной.

Применение этого покрытия позволяет снизить расход кадмия за счет возможности уменьшить толщину защитного покрытия и изменения его химического состава.

Для повышения коррозионной стойкости в условиях тропического климата покрытия сплавом кадмий – олово пассивируют в растворе, содержащем 200г/л хромового ангидрида и 0,25 г/л серной кислоты. Температура раствора 60 – 70ºС, продолжительность пассивации 15 – 30 сек.

Покрытия сплавами кадмий – олово и цинк – олово являются перспективными также для защиты алюминиевых сплавов (см. «Химические и электрохимические методы покрытия алюминия»).

Цинковые и кадмиевые покрытия можно наносить на алюминиевые сплавы. Сплавы кадмий – олово и цинк – олово обычно наносят с подслоем никеля или меди. Контакт алюминия с медью в коррозионном отношении менее желателен, чем с никелем.

  • «Покрытие сплавом олово-никель.»
  • «Процесс цинкования.»
  • «Осаждение сплавов олова.»

Обработка

Чтобы предать медной поверхности приятный блеск, мы покроем его патиной, а затем отполируем.Для этого нам понадобится:

  • Нашатырный спирт, он же раствор аммиака;
  • Серная шашка (можно найти в магазинах для дачи);
  • Химический либо одноразовый стакан;
  • Мелкозернистая наждачная бумага.

В стакан наливаем чуть аммиака и крошим немного серы. Опускаем туда орех, как показано на фото.

Стакан необходимо чем-то накрыть, ибо в процессе реакции выделяется сероводород – газ с резким запахом. Через 20 минут орех сильно потемнел, вытаскиваем его из стакана. Откусываем «веточку», конец загибаем плоскогубцами в петельку.

Осталось отполировать орех мокрой, затёртой наждачной бумагой.В петельку продеваем цепочку, и всё – изделие готово!

А на этом у меня всё. Всем удачных экспериментов!

Меднение изделия

Перед началом работ по меднению в домашних условиях нужно подготовить необходимые материалы и оборудование. Надо позаботится об источнике напряжения и постоянного тока. Существует много рекомендаций касательно силы тока, разброс которого может быть большим. Поэтому желательно иметь реостат с возможностью плавной регулировки напряжения и для постепенного завершения процесса. Источником может служить автомобильный аккумулятор или выпрямитель с напряжением на выходе не больше 12 вольт. Для первых опытов будет достаточно обычной батарейки от 4.5 до 9 вольт.

Затем выбирается ёмкость для электролитического раствора, лучше всего из жаропрочного стекла. В любом случае все ёмкости для электролиза должны быть диэлектриками и выдерживать температуру не менее, чем 80 градусов по Цельсию.

В качестве анодов подойдут два больших медных листа. Они должны перекрывать по размеру заготовку. Из химических реактивов потребуются:

  • Купорос медный.
  • Кислота соляная либо серная.
  • Вода дистиллированная.

Меднение в домашних условиях пользуется заслуженной популярностью, поскольку очень хорошо и надежно держится на стальных изделиях. Главное условие — правильно соблюдать технологию процесса.

Имеется два способа нанесения меди на поверхность:

  1. Помещение заготовки в раствор электролита.
  2. Неконтактный способ. В этом случае изделие не погружается в раствор.

Метод погружения

Подготавливается и обрабатывается поверхность изделия при помощи тонкого наждака и щеточки. После этого деталь моется в проточной воде, обезжиривается и еще раз промывается.

Этапы процесса омеднения следующие:

  • Два медных анода подключают в сеть к положительным контактам и размещают их в стеклянную банку.
  • К обработанному изделию подводят контакт с отрицательным значением напряжения и свободно подвешивают между анодами.
  • Подключают реостат согласно электрической схеме для возможности регулирования силы тока.
  • Подготавливается раствор в правильных пропорциях. На 100 г дистиллированной воды надо 20 г медного купороса и 2−3 г соляной кислоты. Вместо соляной кислоты можно использовать другую.
  • Раствор выливается в посуду с медными пластинами и деталью таким образом, чтобы они полностью скрылись под поверхностью раствора.
  • Подключается источник напряжения. Реостатом добиваются необходимой силы тока из примерного расчета 10−15 миллиампер на каждый квадратный сантиметр площади детали.
Важно  Поздравления с Днем памяти и скорби — днем начала Великой Отечественной войны в стихах и прозе

Покрытие медью без погружения

Этот метод интересен тем, что его можно использовать для обработки не только стальных предметов, но и сделанных из других материалов. Например, алюминия и цинка. Порядок процесса следующий:

  • Из многожильного медного провода изготавливается «кисточка». Конец провода оголяется. Из медных проводков создается подобие кисточки, чтобы затем прикрепить ее к деревянной ручке-держателю.
  • Второй конец провода подключается к плюсовому контакту электрической цепи.
  • В широкую ёмкость заливается стандартный электролитный раствор из медного купороса и соляной кислоты.
  • Предварительно очищенная и промытая металлическая заготовка присоединяется к отрицательному контакту и размещается в пустой ёмкости.
  • Импровизированная кисточка окунается в раствор электролита и проводится по поверхности заготовки без контакта. Это действие повторяется до получения результата.

https://youtube.com/watch?v=RVbR6LBkHdA

Обработка алюминия

Часто с помощью медного электролиза обновляют столовые приборы, сделанные из алюминия. Если нет опыта проведения этого процесса, то можно потренироваться нанести медь на алюминиевые пластинки. Порядок проведения процесса:

  • Алюминиевую пластинку зачищают и обезжиривают.
  • Наносят на неё небольшое количество раствора медного купороса.
  • Подсоединяют отрицательную клемму от источника питания к алюминиевой пластинке. Удачным способом соединения является металлический зажим-крокодил.
  • Положительный полюс питания подается на медную «щеточку». Это конструкция из медного провода, один конец которого освобожден от оплетки, а медные щетинки образовали кисточку. Зажим от питания присоединяется ко второму концу провода. Сечение провода должно быть от одного до полутора миллиметров.
  • Медную щетину обмакивают в раствор сернокислой меди и водят на близком расстоянии от поверхности алюминиевой пластинки. При этом нужно стараться не прикасаться щеточкой к заготовке, чтобы не замкнуть цепь.
  • Омеднение происходит буквально на глазах.
  • После окончания работы с пластины удаляют остатки не закрепившейся меди и протирают спиртом.

Способы меднения металлов

С помощью химического метода нельзя получить покрытия большой толщины, но оно проще, дешевле и может выполняться в крайне простых условиях. С помощью него легко получить тонкие декоративные пленки не только на металлах, но и на пластике, стекле, керамике и пр.

К примеру, химическое меднение стали происходит за несколько десятков секунд путем простого погружения в медный купорос.

Погружение в электролитный раствор

Оба метода могут применяться с полным погружением детали в раствор электролита. При гальваническом методе анионы меди отрываются от анода и движутся к катоду под воздействием электрического тока, а при химическом их движение происходит за счет разной электроотрицательности металлов.

Поэтому в первом случае при прочих равных условиях за одну и ту же единицу времени осаждается гораздо большее количество меди, но при этом затрачивается электрическая энергия.

Меднение алюминия рекомендуется производить только методом погружения, которое необходимо выполнять сразу после обезжиривания и травления в кислоте, иначе на его поверхности быстро образуется прочная оксидная пленка.

В видеоролике ниже подробно рассказывается об условиях, которые необходимо соблюдать для качественного меднения алюминия.

Без помещения в электролитный раствор

В первом случае необходимо изготовить медную кисточку из обрезка кабеля с большим количеством мягких медных жил. Ее подсоединяют к плюсу источника, а минус подают на изделие. Затем, постоянно обмакивая кисточку в электролит, «красят» подготовленную поверхность, подбирая по ходу условия и скорость меднения.

Во втором варианте изделие просто покрывают раствором медного купороса с помощью малярной кисти, очищая и обмывая его после каждого слоя. Толщина обмеднения в этом случае будет небольшой и зависит от условий обработки и количества наложенных слоев.

Этот метод хорошо подходит для меднения стали, к которой медь «липнет» даже при условии не очень хорошей подготовки поверхности. А при нанесении таким способом медного купороса на поверхность алюминия достаточно сложно добиться устойчивого результата из-за его склонности к быстрому окислению.

Использование медного купороса

Если на медном купоросе садово-огородного назначения не указан состав, то для электролита он не годится, т. к. может содержать различные добавки, влияющие на гальванический процесс.

При приготовлении электролита в домашних условиях не следует применять сырую водопроводную воду, поскольку она содержит недопустимые при меднении соединения хлора. Перед использованием ее следует отстоять и прокипятить или же просто приобрести дистиллированную.

ПОСМОТРЕТЬ медный купорос на AliExpress →

Тест по ячейке Холла

При тестировании процесса по ячейке Холла оценивается блеск осадка и его площадь, подгар и его площадь и др.

На рис. 2-5 представлены фотографии образцов, полученных в ячейке Холла, которые иллюстрируют, как влияют изменения в параметрах технологического процесса на внешний вид образца.

Рис. 2. Вид образцов при различном содержании меди

Рис. 3. Вид образцов при перемешивании электролита

Важно  Как я сделал ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ ВЕТОК своими руками с бензиновым приводом!

Рис. 4. Вид образцов без перемешивания электролита

Рис. 5. Вид образцов при различном содержании добавки БСД
Таблица 2. Основные возможные неполадки внешнего вида и методы их устранения

Поскольку продолжительность процесса контроля в ячейке составляет 10-12 мин, этот метод контроля состояния электролита позволяет оперативно оценивать готовность линии металлизации к работе и принимать необходимые решения по корректировке электролита.

Аноды

Необходимым условием правильной эксплуатации сульфатных электролитов в производстве печатных плат является использование фосфорсодержащих медных анодов, поскольку при этом снижается шламообразование, а пленка, образующаяся на анодах, препятствует окислению добавки. Считают, что фосфор, входящий в состав анодов, выполняет две основные функции:

  • способствует раскислению медного зерна при прокате, что предупреждает шламообразование;
  • приводит к включению ионов одновалентной меди в соединение Сu3Р, которое образует черную анодную пленку, устраняя тем самым реакцию диспропорционирования ионов меди.

Нормативная документация на анодную медь марки АМФ предусматривает содержание фосфора в прокате от 0,07 до 0,1%, растворяющегося более равномерно, без шламообразования. При более высоком содержании фосфора (0,13%) на аноде образуется пассивная пленка почти черного цвета, что сопровождается значительным увеличением переходного сопротивления
на границе медь-электролит вплоть до прекращения процесса при ia= 2,5 А/дм2. При низком его содержании, менее 0,07%, образующиеся при растворении одновалентные ионы меди не связываются фосфором, а в результате реакции 2Сu+ —> Сu + Сu2+ частицы меди образуют шламы, которые, включаясь в состав покрытия, создают шероховатость слоя меди. Отмечается, что при горячей прокатке меди в наружном слое листа выгорает фосфор, поэтому рекомендуется новые аноды
выдержать
в растворе персульфата аммония 20-30 мин для растворения наружного слоя толщиной 40-50 мкм. Выявлено, что по мере работы фосфорсодержащих медных анодов в электролите накапливается фосфор, при содержании которого 0,16 г/л катодные осадки
«охрупчиваются». В этом случае рекомендуется пропустить электролит через угольные фильтры.

Для стабилизации анодного процесса желательно иметь большую анодную поверхность (в 2-3 раза превосходящую катодную), не изменяющуюся при длительной эксплуатации ванн. Для решения этой задачи и с целью экономии дефицитного материала анодов, разработаны и внедрены насыпные аноды, позволяющие безотходно использовать анодную медь (рис. 1).

Насыпной анод конструктивно представляет собой перфорированную корзину из титанового сплава марки ВТ 1-0, в которую до отметки не ниже уровня электролита в ванне гальванического меднения насыпаны пластинки из отработанных листовых анодов размером 20×20 мм или Си-Р гранулят. Анодные корзины подвешиваются в гальваническую ванну на латунных крючках и помещаются в мешки из хлориновой ткани, защищающей электролит от загрязнения шламом. При использовании Си-Р гранулята можно применять 30-мм корзины вместо 50-мм.
Сразу же отчетливо видно, сколько медных анодов осталось в корзине. При необходимости их легко можно досыпать. В этом случае расходы сокращаются, а загрузка упрощается. Кроме того, при использовании насыпных анодов расстояние между анодами и печатной платой не изменяется в течение всего процесса.

Существенное влияние на работу медных анодов оказывает содержание NaCl в электролите. При концентрации NaCl > 80 мг/л резко усиливается анодное шламообразование, снижаются физико-механические свойства и блеск медных осадков.


Рис. 1. Си-Р гранулят в титановых корзинах

Выводы по литературному обзору

В производстве ПП создание проводников электрического тока на поверхности и в отверстиях диэлектрического материала осуществляется путем нанесения меди гальваническим способом.

Нанесение медного покрытия возможно в кислых и щелочных электролитах. К кислым электролитам относятся сульфатные и фторборатные электролиты. Их основные достоинства — простота состава и устойчивость в эксплуатации, но они обладают низкой рассеивающей способностью.

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

Для практических целей в гальванике в основном используют сернокислые и пирофосфатные электролиты меднения.

Подготовка поверхности является неотъемлемой и весьма существенной операцией всего технологического процесса нанесения металлических покрытий. Основное требование ‒ прочность сцепления между основой и металлическим покрытием. Подготовка поверхности включает в себя механическую обработку, обезжиривание и травление. Критерием оценки качественной подготовки служит полная смачиваемость металлизируемой поверхности.

Качество и свойства электрохимических покрытий определяется структурой и равномерностью распределения металла по толщине слоя на поверхности покрываемых изделий. Способность электролита изменять первичное распределение тока называют рассеивающей способностью электролита.

Рассеивающая способность электролита (РС) — это способность электролита давать равномерные по толщине покрытия на деталях сложного профиля или способность электролита изменять первичное распределение тока.

Распределение тока и металла по поверхности катода зависит: от размера и формы электродов и ванны, расположения электродов относительно друг друга и стенок ванны; от электрохимических факторов электропроводимости электролита, характера изменения катодной поляризации и выхода по току металла с изменением плотности тока.

Для осуществления быстрого исследования и тестирования работоспособности различных электролитов, применяемых в гальваническом производстве, используется электрохимическая ячейка с угловым катодом — ячейка Хулла.

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»

Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит
Добавить комментарий
Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *