Реферат: Осаждение двойного покрытия медь-никель

ОГЛАВЛЕНИЕ:

TOC o «1-3» 1. ВВЕДЕНИЕ.______________________________________________________________________ PAGEREF _Toc18295862h 1

1.1 Общие сведения о покрытиях.______________________________ PAGEREF _Toc18295863 h

2. ОСАЖДЕНИЕ МЕДИ______________________________________________________________ PAGEREF _Toc18295864h 4

2.1 Общие сведения.__________________________________________ PAGEREF _Toc18295865 h

2.2 Простые (кислые) электролиты.___________________________ PAGEREF _Toc18295866 h

2.3 Комплексные (щелочные) электролиты._____________________ PAGEREF _Toc18295867 h

3. ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ__________________________________________________________ PAGEREF _Toc18295868h 12

3.1 Общие сведения._________________________________________ PAGEREF _Toc18295869 h

3.2 Электролиты никелирования.____________________________ PAGEREF _Toc18295870 h

3.3 Блестящее никелирование._______________________________ PAGEREF _Toc18295871 h

3.4 «Черное» никелирование._________________________________ PAGEREF _Toc18295872 h

4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ_________________________________________________________ PAGEREF _Toc18295873h 19

1. ВВЕДЕНИЕ.1.1 Общие сведения о покрытиях.

Известно, что значительнаячасть (5-10%) металла, производимого в мире, в результате коррозии ипреждевременного физического износа металлических изделий используетсянеэффективно. Это приводит к большим потерям. В связи с этим одной изпервоочередных является задача максимальной экономии металла и его защиты отпреждевременного физического разрушения. Эффективным и распространеннымспособом защиты металлов от коррозии является нанесение гальванических покрытий.

Область применениягальванических покрытий весьма велика: автомобильная и машиностроительная промышленности, электроника, пищеваяпромышленность и т.д.

Гальванические покрытияприменяются для:

q

защиты изделий от коррозии в различных агрессивныхсредах – защитные покрытия;

q

придания изделиям декоративного вида –защитно-декоративные покрытия;

q

покрытия могут изменять качественные характеристикиизделий – электропроводность, паяемость, антифрикционные и магнитные свойства,отражательную способность и т.д. – специальные покрытия.

q

восстановление изношенных деталей;

q

повышение сопротивляемости износу.

Выбор вида покрытия и еготолщины определяется назначением изделия, материалов, из которого оно сделано,условиями эксплуатации. При этом учитываются назначение и свойства покрытия,допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическую целесообразность.

Условия эксплуатацииделятся на 4 группы: легкие, средние, жесткие и особо жесткие. Принадлежность кгруппе и толщина покрытия определяются 3 факторами: загрязненностью средысернистым газом и хлористыми солями, климатическими условиями и условиямиразмещения изделия.

Различают защитныепокрытия на органической и неорганической основе. К первой группе относятсялакокрасочные, полимерные и пластмассовые покрытия. Ко второй группе относятметаллические, окисные, солевые. Помимо покрытий, предназначенных для защитыосновного металла от коррозии, существуют защитно-декоративные покрытия. Они нетолько защищают металл от коррозии, но и сообщают его поверхности красивый(часто блестящий) вид на протяжении определенного периода эксплуатации.Довольно широкое распространение имеют износостойкие покрытия, назначениекоторых – повышение сопротивляемости трущихся поверхностей механическомуизносу.

В зависимости отназначения защитных покрытий, к ним предъявляют различные требования.Предъявляемые требования в значительной степени удовлетворяются при надежнойподготовке основного металла, правильном выборе типа электролита и оптимальнойконцентрации компонентов электролита, а также надлежащем выборе режимаэлектролиза. Однако, независимо от назначения, общим требованием, которому должнысоответствовать все покрытия, является прочное сцепление с основой. Другимитребованиями, предъявляемыми к покрытиям, является мелкая структура осадка, апри нанесении блестящих покрытий, они должны блестеть без полировки. Покрытиядолжны иметь максимально равномерную толщину на различных участках (выступах иуглублениях), т.к. толщина является важнейшей характеристикой покрытия,определяющая срок его защитного действия. Покрытия должны иметь минимум пор (дажемикроскопических размеров). Это требование не так существенно при нанесениианодных покрытий.

Анодным является покрытие,металл которого имеет более электроотрицательный потенциал, чем металл изделия.В результате коррозии разрушается такое покрытие, а не металл подложки.

Существуют катодныепокрытие (металл покрытия электроположительнее металла основы). Эти покрытиязащищают чисто механически. Они должны быть беспористыми, т.к. коррозионнаясреда, проникая через поры к основному металлу, разрушают его. Катодноепокрытие при наличии пор даже ускоряют коррозионный процесс.

Для того, чтобы уменьшитьвредное влияние пористости используют многослойные покрытия. В таких покрытияхпроисходит перекрытие пор. Это происходит из-за того, что поры нижнего слояперекрываются порами верхнего слоя в результате несовпадения пор. Благодаряэтому многослойные покрытия обладаютгораздо меньшей пористостью, по сравнению с монослойными при одинаковой толщинепокрытия.

Основным защищаемымматериалом является сталь. Но не все металлы могут осаждаться непосредственнона сталь, а также иметь с ней хорошее сцепление. Поэтому применяютсяпромежуточные слои. Промежуточные слои обеспечивают хорошее сцепление.

Многослойные покрытиятакже применяются, если металлы покрытия и подложки не должны сопрягаться.

Введение дополнительногослоя помимо снижения пористости обеспечивает уменьшение стоимости покрытия засчет применения более дешевых металлов без ухудшения качества. Напримерстоимость меди гораздо меньше стоимости никеля. Промежуточные слои такжеобеспечивают экономию редких и стратегических металлов.

2. ОСАЖДЕНИЕ МЕДИ2.1 Общие сведения.

Медь – пластичный, легкополирующийся металл. Плотность меди –8930 кг/м3, температураплавления – 1083°

С, атомная масса 63,54, удельное электрическоесопротивление – 0,017*10-6 Ом*м, теплопроводность – 319,5 Вт/(м*К).В химических соединения медь может быть одно- и двухвалентной. Стандартныйпотенциал Cu/Cu+=+0,521В, а Cu/Cu2+=+0,337В. электрохимический потенциал одновалентной меди 2,372 г/(А*ч),двухвалентной меди – 1,186 г/(А*ч). Медь пластична, твердость медных покрытий –2,5¸3,0 гПа.

Медь интенсивнорастворяется в аэрированных аммиачных и цианидных растворах, азотной кислоте,медленно – в хромовой кислоте, слабо – в серной кислоте, почти невзаимодействует с соляной кислотой. Электрохимически осажденная медь имеетрозовый цвет. На воздухе медь легко реагирует с влагой и углекислотой,вследствие этого окисляется и покрывается зеленым налетом углекислых солей. Привзаимодействии с сернистыми соединениями медь покрывается серым илитемно-коричневым налетом CuS.

Т.к. медь имеет болееположительный потенциал, чем железо, то по отношению к железу и его сплавамявляется катодным покрытием. Т.е. может защищать лишь при отсутствии пор.Пористые медные покрытия, наоборот, приводят к ускорению коррозии железа и егосплавов.

В жестких условиях медь иее сплавы не должны контактировать с хромом, оловом, сталями, цинком, кадмием,алюминием и магнием. Пластичность меди ее хорошая электропроводность привели кширокому использованию медных покрытий в промышленности.

Медные покрытияприменяются:

q

в качестве подслоя при нанесении многослойныхзащитно-декоративных и функциональных покрытий на изделия из стали, цинковых иалюминиевых сплавов во многих отраслях промышленности;

q

для улучшения пайки;

q

для создания электропроводных слоев;

q

для местной защиты стальных деталей при цементации,азотировании, борировании и других диффузионных процессах;

q

для покрытия деталей, подвергающихся глубокойвытяжке;

q

в гальванопластике для наращивания толстых слоев приснятии металлических копий с художественных изделий;

q

при создании поверхности для дальнейшего окрашиванияв разные цвета;

q

для создания слоев на деталях, работающих в вакууме.

Толщина медных покрытий взависимости от их назначения:

q

при нанесении в качестве подслоя при серебрении изолочении стальных деталей ……………………………..………….0,3¸0,5 мкм;

q

при нанесении в качестве подслоя многослойныхзащитно-декоративных покрытий ………………………..………….9¸36 мкм;

q

при нанесении в качестве подслоя при пайке.……………6¸36 мкм;

q

для снижения переходного сопротивления……………….9¸30 мкм;

q

для защиты деталей от цементации…………………..…….£50 мкм;

q

для покрытия деталей перед последующей глубокой вытяжкой……………………………………………………………...£9 мкм;

q

в гальванопластике………..……………………………………³1 мм.

Широкое применение медныхпокрытий в качестве промежуточных слоев в значительной мере обусловлено хорошимсцеплением меди с различными металлами. При электролитическом осаждении меди насталь не образуется диффузионного слоя. Решающую роль для обеспечения прочногосцепления играет тщательная подготовка поверхности основного металла(обезжиривание, травление). Причем, при применении химического илиэлектрохимического удаления деформированного слоя, часто наблюдаетсяпродолжение структуры основного металла в покрытии.

При защитно-декоративномникелировании роль медного слоя – максимальная экономия стратегического никеля из-за перекрытия пор, а также снижениетрудоемкости операций механической подготовки поверхности деталей.

Для меднения применяют каккислые (простые), так и щелочные (комплексные) электролиты. Из кислыхэлектролитов невозможно получить осадки с прочным сцеплением на стальных ицинковых изделиях. Это объясняется контактным вытеснением железом и цинкоммеди, а также работой коротко замкнутых гальванических элементов Fe – Cu и Zn –Cu. Т.к. в этих системах анодами являются железо и цинк, то вне зависимости отпродолжительности электролиза железо и цинк, находящиеся в контакте с медью вкислом электролите, растворяются, что обуславливает отслаивание покрытия. Поэтой причине предварительно наносят тонкий слой меди из щелочного электролита,затем медь наращивают до нужной толщины в кислом электролите.

2.2 Простые (кислые) электролиты.

Катодная реакция – Cu2++2е ®

Анодная реакция –Cu — 2е ®

Cu2+

К простым электролитамотносится целый ряд кислых электролитов: сернокислые, борфтористоводородные,кремнийфтористоводородные, сульфамидные, нитратные и хлористые. Они просты посоставу и допускают работу при высоких плотностях тока, особенно при условииперемешивания и повышенной температуре. Осаждение меди происходит, в основном,при разряде двухвалентных ионов меди. Простые электролиты отличаются малойкатодной поляризацией (не превышает 50¸

60 мВ). Поэтому осадки меди из таких электролитовимеют крупнозернистую, грубую, но вместе с тем плотную структуру. Электролитыотличаются высоким выходом меди по току (95¸100%) и значительной скоростью осаждения. Этиэлектролиты устойчивы и не токсичны, а также обладают хорошей выравнивающейспособностью. К недостаткам кислых электролитов следует отнести их низкуюрассеивающую способность, и невозможность непосредственного нанесения наизделия из железа и цинка. Но при введении в кислые электролиты некоторыхорганических добавок (столярного клея, сахаромицетов, и т.д.), тормозящихпроцесс контактного обмена, то можно получить медные осадки, прочно сцепленныесо сталью.

Составы кислых электролитов:

Сульфатный электролит:

CuSO4*5H2O– 180 ¸

220 г/л.

Н2SO4– 40 ¸

60 г/л.

NaCl – 0,03 ¸

0,06г/л.

Блескообразователи Б-7211или ЛТИ 3 ¸

5 мг/л.

Элетролит приготовляютрастворением основных компонентов в воде и последующим введением в электролитдобавок. Электролиз ведется при температуре 18 ¸

50°С, iк– 1 ¸5 А/дм2,iа– до 5А/дм2. При работе с высокимиплотностями тока следует перемешивать электролит сжатым очищенным воздухом.Анод – медь. Выход меди по току близок к 100%. Скорость осаждения меди приплотности тока 4,5 А/дм2 составляет 1 мкм/мин. Анодный выход по токунесколько больше катодного, поэтому наблюдается увеличение концентрации меди иуменьшение концентрации кислоты. Электролит отличаются относительно хорошейрассеивающей способностью. Осадки получаются с высоким блеском (до 95% по серебряномузеркалу), хорошей выравнивающей способностью (до 85% при толщине слоя 200 мкм),а также с относительно невысокими внутренними напряжениями (до 1100 мПа).

Борфтористоводородныйэлектролит:

Cu(BF4)2 – 450 г/л.

НBF4– 30 г/л.

Н3BO3–15 ¸

20 г/л.

Электролиз ведется притемпературе 20 ¸

40°С, iк– до 40А/дм2, iа– 5 ¸20 А/дм2. Анод – медь. Выход меди потоку 95 ¸100%. Фторборатные электролиты готовят введениемфторбората меди в борфтористоводородную кислоту. К достоинствам электролитаотносятся: высокая устойчивость раствора, нетоксичность, плотнаямелкокристаллическая структура осадков при плотностях тока, значительнопревосходящих обычные. Концентрационная поляризация и склонность кшламообразованию у борфтористоводородного электролита меньше, чем услабокислого, он дороже, однако, этот электролит обладает большойпроизводительностью. Поэтому рекомендуется его применение для нанесения меди надвижущуюся проволоку, ленту, а также для восстановления изношенных деталей.

Фторборатные и сульфатныеэлектролиты являются основными при осаждении меди. Также часто применяюткремнефтористый электролит меднения.

Кремнефтористыйэлектролит:

CuSiF6– 250 ¸

300 г/л

H2SiF6– 10 ¸

15 г/л

60°С, iк– до 40А/дм2, iа– 10 ¸20 А/дм2. Анод – медь. Электролитготовят, растворяя кремнефтористую медь небольшими порциями в кремнефтористойкислоте, затем раствор фильтруют.

Для непосредственногомеднения стали используют хлоридный электролит:

CuCl2*2H2O – 20 ¸

30 г/л.

НCl– 400 ¸

550 г/л.

HCOOH–5 ¸

10 г/л.

Электролиз ведется при температуре18 ¸

25°С, iк– 1 ¸1,5 А/дм2.Анод – медь.

В гальванопластикеиспользуется нитратный электролит:

CuCl2*2H2O – 0,4 г/л.

Cu(NO3)2 *3H2O –500 ¸

600 г/л.

Электролиз ведется притемпературе 18 ¸

25°С, iк– 5 ¸20 А/дм2,рН– 1 ¸2. Анод –медь.

При работе с кислыми электролитами важно использовать специальные,не дающие шлама медные аноды, содержащие 0,03 ¸

0,06 % фосфора. Рекомендуется также использоватьанодные чехлы из кислотостойкого материала (например, из полипропиленовоговолокна) и вести электролиз при непрерывной фильтрации. 
2.3 Комплексные (щелочные) электролиты.

В комплексных электролитахразряжается комплексный ион меди ([

Cu(CN3)]2-; [CuNH2CH2CH2NH2]2+; [Cu(C4H4O6)]2-; [Cu(NH3)4]2+; [Cu(P2O7)2]6-;[Cu(P3O10)2]8-).Степень диссоциации этих ионов мала, поэтомупотенциал становится электроотрицательнее (в цианидных электролитах на 0,9 ¸1,2 В).Из-за этого не происходит контактного осаждения меди. Щелочные электролитыобладают очень высокой катодной поляризацией. Поэтому осадки получаютсямелкозернистыми. Из комплексных электролитов применяют: цианистые,пирофосфатные, аммиакатные, этилендиамидовые, полиэтиленполиаминовые,гексаметафосфатные, триполифосфатные и т.д. Наиболее широко используются цианидныеи пирофосфатные электролиты.

Составы щелочных электролитов:

Цианидный электролит:

CuCN – 90 г/л.

NaCNсвоб.– 5 ¸

7 г/л.

КCNS – 40 г/л.

Фурфуриловый спирт – 0,3 ¸

0,6 г/л

Электролиз ведется притемпературе 60 ¸

70°С, iк– 2 ¸4 А/дм2.Анод – медь. Выход меди по току 92%. Перемешивание проводят качанием штанг.Цианидные электролиты дают мелкозернистые осадки с хорошим сцеплением со стальюи цинком, обладают очень хорошей рассеивающей способностью. Основные недостаткицианидных электролитов – это токсичность, большие затраты на очистку сточныхвод, низкий выход по току, а также относительно низкая устойчивость составаэлектролита при эксплуатации. Преимуществом цианидных электролитов являетсятакже то, что медь восстанавливается из одновалентных ионов, т.е. за 1 А*ч выделяетсягораздо больше меди, чем в простых электролитах. Отличительной особенностьютехнологии нанесения блестящих покрытий из цианидных электролитов являетсянеобходимость реверсирования тока. Оно повышает степень блеска покрытий иустраняет пассивацию анодов. Наряду с этим, для улучшения степени блескавводятся различные блескообразующие добавки. В зависимости от выхода меди потоку и применяемой плотности тока, скорость осаждения меди колеблется в большихпределах (5,3 ¸132,0 мкн/ч). Электролит готовят постепенным введениемцианида меди в концентрированный раствор цианида калия или натрия, нагретого до60 ¸70 °С, при постоянном перемешивании. После образованияраствора комплексной соли, его анализируют на содержание свободного циана,корректируют, вводят добавки, доливают водой до рабочего уровня ванны.

Пирофосфатный электролит:

CuSO4*5H2O– 70 ¸

90 г/л.

K4P2O7– 350 г/л.

NH4OH(25% раствор) – 1 ¸

2 г/л.

Кислота лимонная 20 г/л.

Na2SeO3– 0,002г/л.

Электролиз ведется притемпературе 35 ¸

40°С, iк– 0,8 ¸1,7 А/дм2,рН– 8,3 ¸8,5. Анод– медь. При нанесении покрытий на сталь следует загружать детали в электролитпод током. Кроме того, в начале электролиза необходима повышенная плотностьтока (1,0 ¸1,5 А/дм2) в течение 20 ¸50 сек.При составлении электролита, каждый из компонентов растворяют отдельно вгорячей воде, затем сливают в рабочую ванну, после чего доводят объем ванны дорабочего уровня. После приготовления электролита вводят различныеблескообразующие добавки. Введение в электролит нашатырного спирта и другихдобавок улучшает работу анодов и способствует повышению допустимой плотноститока при относительно высоком выходе меди по току (близок к 100%).

Пирофосфатные электролитыне уступают цианидным по рассеивающей способности, однако, неустойчивы инедостаточна адгезия со сталью полученных из них покрытий. Пирофосфатныеэлектролиты наиболее часто применяют для нанесения меди на алюминиевые сплавы ипри изготовлении металлизированных диэлектриков.

Этилендиаминовыйэлектролит:

CuSO4*5H2O– 100 ¸

125 г/л.

ZnSO4*7H2O – 15 ¸

25 г/л.

(NH4)2SO4 – 45 ¸

60 г/л.

Этилендиамин – 55 ¸

60 г/л.

Na2SO4*10H2O –45 ¸

60 г/л.

Электролиз ведется притемпературе 15 ¸

25°С, iк– 0,5 ¸2 А/дм2,рН– 7,8 ¸8,3.Анод – медь. Особенностью этилендиаминовых электролитов является то, что детализагружаются в ванну под током плотностью, в 3-5 раз превышающую рабочую.Длительность «толчка тока» составляет 30-60 сек. Электролит рекомендуетсяприготовлять на дистиллированной воде. Вслучае применения жесткой воды этилендиамин расходуется на осаждение различныхсолей. Сначала готовят раствор этилендиаминового комплекса: в раствор сульфатамеди при температуре 40-45 °С вводят при перемешивании 20-25% раствор этилендиамина.Отдельно готовятся растворы сульфатов натрия и аммония. В этилендиаминовыйраствор сначала вводят раствор сульфата натрия, затем аммония. Затем полученный раствор доводят до рабочегообъема, определяют рН, корректируют. Этилендиаминовый комплекс цинка вводят вготовый электролит для депассивации анода. Электролит необходимо проработатьтоком при iк– 0,5А/дм2.

Из этилендиаминовыхэлектролитов осаждаются плотные мелкозернистые и блестящие осадки меди. Дляулучшения сцепления осадков со стальной основой рекомендуется производитьосаждение из двух ванн (первый слой осаждается из электролита с более низкойконцентрации меди).

Также в промышленностииспользуются аммиакатные электролиты меднения. Они предназначены для заменыцианидных электролитов при непосредственном меднении стальных деталей. Осадкииз аммиакатных электролитов обладают прочным сцеплением со стальной основой.Однако для них характерна низкая устойчивость состава вследствие сильногоиспарения, а также наличие мощной вытяжной системы вентиляции. Аммиакатныеэлектролиты обладают несколько худшей рассеивающей способностью по сравнению спирофосфатными электролитами.

Состав электролита:

CuSO4*5H2O– 90 г/л.

(NH4)2SO4 – 80 г/л.

NH4NO3– 40 г/л.

NH4OH– 180г/л.

Электролиз ведется притемпературе 20°

С, iк– 1,5 ¸8 А/дм2,рН– 9,0 ¸9,5.Анод – медь. Одними из достоинств электролита являются высокая рабочаяплотность тока и достаточно большая производительность. Электролит готовят введением в водный растворгидроксида аммония растворенных в небольших количествах воды остальных компонентов.
3. ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ3.1 Общие сведения.

Никель – серебристо-белыйметалл с сильным блеском. Плотность никеля –8900 кг/м3, температураплавления – 1452°

С, атомная масса 58,71, удельное электрическоесопротивление – 0,068*10-6 Ом*м, теплопроводность – 90 Вт/(м*К),отражательная способность в видимой части спектра – 58 ¸62%.Стандартный потенциал Ni/Ni2+= -0,25В. Электрохимический потенциал никеля – 1,095 г/(А*ч). Никель ферромагнитен,твердость никелевых покрытий – 2,5¸5,5 гПа.

По отношению к воде ивоздуху при обычной температуре никель очень устойчив. Разбавленные кислотыдействуют на никель менее энергично, чем на железо, однако, он легко растворимв разбавленной азотной кислоте. Концентрированная азотная кислота пассивируетникель. В растворах щелочей никель устойчив при всех концентрациях и температурах.Обладает коррозионной устойчивостью в растворах некоторых органических кислот иминеральных солей. Особенность никеля—безвредность соединений, высокаягидростойкость, значительная износостойкость и склонность к пассивированию.Никелевые покрытия наносят на железо, медь, титан, алюминий, бериллий, вольфрами др. металлы и сплавы. Никель не должен сопрягаться с серебром, золотом,платиной, палладием, углеродистыми сталями, кадмием, магнием ввиду значительнойкоррозии в жестких условиях эксплуатации.

Т.к. никель имеет болееположительный потенциал, чем железо, то защищает только механически. Никелевыепокрытия должны быть беспористыми. Поэтому никелевые покрытия многослойны (умногослойных покрытий поры каждого слоя обычно не совпадают с порами соседнихслоев). Для получения многослойных покрытий никель осаждают из несколькихэлектролитов или на другой металл (например, медь). Многослойность такихпокрытий позволяет также снизить расход никеля в результате применения болеедешевой меди.

С учетом этих особенностейникель применяется в качестве:

q

защитно-декоративная отделка изделий и деталей;

q

защита от коррозии при повышенных температурах испециальных средах;

q </spa

еще рефераты

Еще работы по металлургии

Реферат по металлургии

Осаждение сплава олово-свинец

22 Июня 2015

Реферат по металлургии