CC BY
46
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
В.Ф. Гологан*, Ж.И. Бобанова*, С.Х. Ивашку*, В. А. Попов*, В. А. Мазур**
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В СЛУЧАЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ СО ВСТРОЕННЫМ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫМ УСТРОЙСТВОМ
* Институт прикладной физики Академии наук Республики Молдова, ул. Академией 5, г. Кишинев, МБ-2028, Молдова ** Центр метрологии и автоматизации научных исследований АНМ, ул. Академией, 3,г. Кишинев, МБ-2028, Молдова
В предыдущих исследованиях установлено, что, изменяя параметры индуктивно-емкостного устройства (L, C), подключенного к 3-фазному выпрямителю, можно оказывать воздействие на процесс осаждения и физико-механические свойства покрытий [1]. При оптимальных значениях индуктивности L0H и емкости Соп обеспечивалось повышение скорости нанесения металла (в результате увеличения выхода по току и плотности тока) и износостойкости осадков в 1,5-2 раза.
Предварительные испытания показали, что при подключении таких устройств к выпускаемым промышленностью однофазным источникам питания (до 30 А) определение его оптимальных параметров затруднено из-за конструктивных особенностей указанных выпрямителей. Поэтому возникла необходимость в проведении специальных исследований.
Методика эксперимента
Источник питания состоял из трансформатора мощностью 40 Вт, блока выпрямления и последовательного подключения параллельного индуктивно-емкостного контура. Техническую характеристику выбрали таким образом, чтобы его можно было использовать для снятия поляризационных кривых и при осаждении покрытия на образцы, необходимые для других видов испытаний. Индуктивность формировалась в основном при помощи двух одинаковых дросселей с L2 = 5 Гн, обмотки которых соединялись последовательно (L1) и параллельно (L3).
Необходимая емкость обеспечивалась параллельным соединением электролитических конденсаторов емкостью 2200 мкФ.
Исследованиям подвергались покрытия из меди, осажденные из сульфатного электролита (CuSO4 - 250 г/л, H2SO4 - 50 г/л, 4л - 200С, DK - 2-10 А/дм2).
Поляризационные кривые снимали в гальваностатическом режиме. Осуществляли ступенчатое изменение тока с выдержкой его при каждой установке (30 сек), необходимой для стабилизации потенциала [2]. Влияние параметров контура на потенциал электрода фиксировали начиная с 5-10 мA, что удовлетворяло требованиям поставленных задач. Покрытия осаждали на Pt образцы с поверхностью 0,01 дм2.
Величина тока устанавливалась магазином сопротивлений и регистрировалась вольтамперметром модели М209. Для измерения потенциала катода использовался вольтметр модели В7-27А/1. Форма тока наблюдалась на экране осциллографа марки С1-55.
Для получения дополнительных сведений о влиянии контура на процесс осаждения меди изучались переменные составляющие в цепи источник питания-ванна с использованием частотного анализатора СЧ-56.
Морфология и структура покрытий толщиной 0,1 мм фиксировалась на образцах с поверхностью 0,042 м2 при помощи сканирующегоэлектронного микроскопа Tesla BS-340. Для оценки твердости покрытий применялся микротвердомер ПМТ-3.
© Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Попов В.А., Мазур В.А., Электронная обработка материалов, 2007, № 2, С. 12-16.
12
Результаты и их обсуждение
Установлено, что при подключении к выпрямителю наибольшей индуктивности (при последовательном соединении обмоткой двух дросселей) происходит сглаживание пульсаций в цепи источник питания-ванна при токе 80 мА. Параллельное соединение конденсаторов к индуктивности приводило к восстановлению исходной формы тока, если падение напряжения на контуре не превышало 1 В. Увеличение активного сопротивления индуктивности вызывало генерирование импульсного тока.
Параметры индуктивно-емкостного устройства оказывали существенное влияние на потенциал катода. С возрастанием только индуктивности происходил сдвиг потенциала электрода в более отрицательную сторону (см. таблицу). При подключении конденсаторов потенциал электрода становился более положительным по сравнению с его значениями в опытах без контура, и предельное отклонение было установлено при максимальной индуктивности (Хоп) и емкости (Соп) - 17,600 мкФ (табл., рис. 1).
Влияние параметров индуктивно-емкостного устройства на потенциал катода при плотности тока 10 А/'дм2
Индуктивность L Емкость С, мФ Потенциал катода ф, мВ
- - 313
L\ - 323
L2 - 368
L3 - 315
L2 8800 302
L2 13200 266
L2 17600 252
L2 22000 291
L2 24200 300
L2 28600 298
Таким образом установлено, что при выбранных условиях эксперимента с изменением только параметров индуктивно-емкостного устройства потенциал катода сдвигался на ~ 100 мВ при плотности тока 10 А/дм2, то есть наряду с изменением состава раствора и условий осаждения (плотности
тока, температуры, рН электролита и др.) появилась еще одна возможность управления электролитическим процессом нанесения покрытий и, значит, их физико-механическими свойствами.
Оценка переменных составляющих осуществлялась в процессе покрытия образцов при плотности тока 2 А/дм2 (1к = 80 мА) с подключением только индуктивности (Z0H), с контуром (Z0H, Соп) и без него (рис. 2).
Рис. 1. Поляризационные кривые при осаждении медных покрытий: 1 - с подключением устройства при оптимальном режиме настройки; 2 - без подключения устройства; 3 - с подключением индук-
тивности
13
Было установлено, что при осаждении без подключения индуктивно-емкостного устройства переменные составляющие отмечались до 5 кГц (рис. 2,а). В этом диапазоне частот их амплитуда изменялась неравномерно: при частоте 2,75 кГц происходило резкое уменьшение ее величины.
а
О
2,5
б
f, кГц
Рис. 2. Спектр переменных составляющих тока при осаждении медных покрытий при Бк=2А/дм2 (1=80 мА): а - без подключения устройства; б-с подключением индуктивности; в - с подключением устройства
Соединение индуктивности оказало существенное влияние на спектр переменных составляющих: они наблюдались только при низких частотах (рис. 2,б). Подключение емкости способствовало увеличению амплитуды «шумов» в 1,5 раза, расширению спектра до 6 кГц и их упорядочению (рис. 2,в).
Эти условия электролиза оказывали различное влияние и на морфологию покрытий меди (рис. 3). При осаждении без контура наблюдался равномерный пирамидальный рост покрытий по всей поверхности (рис. 3,а). Подключение только индуктивности оказывало существенное влияние на характер роста покрытия: выступающие грани «блоков» значительно уменьшались по величине, сглаживалась их конфигурация, и они равномерно распределялись по поверхности (рис. 3,б). Соединение конденсаторов привело к некоторому увеличению упомянутых граней (рис. 3,в).
Аналогичное влияние оказывали вышеуказанные условия нанесения осадков и на структуру меди, которая анализировалась на поперечных шлифах (рис. 4). В случае осаждения без контура покрытия формировались из «блоков», заметно отличающихся по своим размерам (рис. 4,а,б). Сами блоки состояли из кристаллитов небольших размеров (рис. 4,в). Подключение индуктивности приводило к уменьшению «блоков», искажению их формы и отсутствию четких границ (рис. 4,г,д). Они также образовывались из мелких кристаллических агрегатов нечеткой ориентации. Покрытия, полученные с контуром, являлись мелкодисперсными с тенденцией к колончатому росту. Образованные более крупные агрегаты имели преимущественно вытянутую форму и располагались перпендикулярно к зоне раздела (рис. 4,е,ж).
14
Приведенные результаты исследований свидетельствуют о значительном влиянии параметров индуктивно-емкостного устройства на кинетику осаждения покрытий меди
а б в
Рис. 3. Морфология медных покрытий при Бк=2А/дм2 (1=80 мА): а - без подключения устройства; б - с подключением индуктивности; в - с подключением устройства
а
б
в
где
t/iL
Рис. 4. Структура медных покрытий, осажденных при Бк = 2 А/дм2(1 = 80 мА): a “* 600”, б “*3000”, в “*5000” - без устройства; г “*3000”, д “*5000” - с подключением индуктивности; е “*3000”, ж “*5000” - с подключением устройства
При анализе экспериментальных данных установлено, что, как и в предыдущих исследованиях [1, 3], изменения потенциала катода и переменных составляющих взаимосвязаны: увеличение амплитуды и расширение спектра «шумов» наблюдались при сдвиге потенциала в положительную сторону. В обычных условиях электролиза такой сдвиг потенциала возможен только в результате изменения состава и повышения температуры электролита или снижения плотности тока. Поэтому при-
15
менение индуктивно-емкостного устройства позволяет увеличивать производительность осаждения за счет повышения плотности тока [1, 3].
Наблюдаемое уменьшение размеров «блоков» при подключении только индуктивности, очевидно, вызвано более отрицательным потенциалом катода, и эти экспериментальные данные находятся в соответствии с общепринятыми представлениями о влиянии потенциала электрода на структуру покрытия [4]. Значительное сужение на частоте спектра переменных составляющих при этих условиях испытания подтверждает утверждение Тягая В. А. о связи «шумов» с кинетикой электродных процессов [5], а также возможность управления спектром переменных составляющих подбором параметров индуктивно-емкостного устройства [3].
Подключение емкости, несмотря на сдвиг потенциала в более положительную сторону, способствовало уменьшению размеров кристаллических агрегатов и формированию дисперсной структуры. Аналогичное влияние оказывал контур при осаждении и хромовых покрытий [1, 6].
Эти результаты, очевидно, вызваны электродинамическими условиями формирования при-катодного слоя, способствующими ограничению в росте кристаллов не в результате периодической пассивации поверхности, а исключительно увеличения скорости зародышеобразования
[2, 4].
Таким образом, проведенные исследования показали, что при проектировании однофазных источников питания для их использования в гальванических технологических процессах необходимо учитывать влияние отдельных конструктивных законов на процесс осаждения и, кроме того, целесообразно использование специальных индуктивно-емкостных устройств, подбором параметров которых (L, C) можно обеспечить увеличение производительности процесса и улучшение физико-механических свойств покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гологан В.Ф. Управление электрохимическим процессом индуктивно-емкостными устройствами (обзор) // Электронная обработка материалов. 2006. № 6. С. 39-43.
2. Ваграмян А.Т., Жемагорцянц М. Электроосаждение металлов и ингибирующая адсорбция. М., 1969.
3. Iva§cu C. Particuritatile cinetice a procesului de cromare cu utilizarea obiectului de rezonanta. Tehno-logii moderne. Calitate. Restructurare. V.2. UTM. Tehnico-info. Chisinau. 1999. P. 302-304.
4. Фрумкин А.И., Андреев В.Н., Богуславский Л.И.и др. Двойной слой и электродная кинетика. М., 1981.
5. Тягай В.А. Шумы электрохимических систем // Электрохимия. 1975. Т. 10. № 1. С. 3-24.
6. Ive§cu C. Contributia obiectului de rezonanta asupra variatiei unor parametri fizico-mecanice al de-punerilor de crom. Tehnologii moderne. Calitate. Restructurare. V.2. UTM. Tehnico-info. Chisinau. 1999. P. 305-307.
Summary
Поступила 14.11.06
In paper the experimental dates using special one-phase source of energy and inductance-capacitor device for electroplating of copper, are obtained it is shown that electrode potential and coating structure are depending on meanings of inductance and capacity through influence of alternating components.
16
