CC BY
35
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
В.Ф. Гологан,* Ж.И. Бобанова,* С.Х. Ивашку,* В.А. Мазур,** Б. Пушкашу**
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКТИВНОЕМКОСТНОГО УСТРОЙСТВА НА ПРОЦЕСС НИКЕЛИРОВАНИЯ
* Институт прикладной физики АНМ, ул. Академией, 5, Кишинев, MD-2028, Республика Молдова
** ЦАМ АНМ,
ул. Академией, 3, Кишинев, MD-2028, Республика Молдова
Гальванические покрытия никеля широко применяются благодаря их коррозионной стойкости и механическим свойствам [1]. В результате многочисленных исследований были предложены для промышленного применения составы электролитов и условия электролиза, удовлетворяющие современным требованиям. Однако актуальными остаются работы, направленные на изыскания возможности повышения производительности осаждения и качества покрытий. Как было отмечено в предыдущих работах, для решения указанных задач можно использовать специальные индуктивно-емкостные устройства, встроенные или последовательно подключенные к примененным в гальванических производствах выпрямителях, изменением параметров которых можно оказывать существенное влияние как на кинетику электрохимического процесса, так и на физико-механические свойства покрытий [2]. Поэтому цель настоящей работы - исследования влияния параметров индуктивно-емкостного контура на процесс никелирования.
Методика проведения исследований
В настоящей работе использован однофазный источник питания, состоявший из трансформатора мощностью 40 Вт, блока выпрямления и последовательного подключенного параллельного индуктивно-емкостного контура (аналогичный использованному в [3]). Индуктивность формировалась соединением дросселей, которые позволяли изменять ее значение в пределах 2,5-30 Гн. Емкость включала в себя параллельно соединенные конденсаторы и изменялась в пределах 2200-35200 мкФ. Этот источник питания использовался при снятии поляризационных кривых, а также для нанесения покрытий на образцы для других видов испытания.
Осаждение покрытий проводилось в электролите, содержащем NiSO4 - 320 г/л, NiCl2 - 60 г/л, H2SO4 - 40 г/л, при следующих условиях электролиза: температура электролита - 40°C, pH4,5, плотность тока изменялась от 1 до 10 А/дм2.
Потенциал катода регистрировался при осаждении никеля на платиновую пластинку с площадью 1 см2 и ступенчатым регулированием тока с выдержкой при каждом значении 20 сек, необходимой для стабилизации потенциала [4]. Величина тока устанавливалась при помощи магазина сопротивлений и измерялась вольтамперметром модели М209. Электродом сравнения служил насыщенный каломельный электрод сравнения. Измерение потенциала катода осуществлялось вольтметром модели В7-27А/1. Форму тока регистрировали с помощью осциллографа марки С1-55.
Переменные составляющие тока в цепи источник питания-ванна [5] изучали с применением частотного анализатора СК4-56.
Покрытия толщиной 0,1 мм, осажденные на образцы, с поверхностью 0,04 дм2 использовались для изучения их морфологии и структуры при помощи сканирующего электронного микроскопа модели ТЕSLА ВS-340. Микрошлифы приготовлялись на торцевой поверхности образца.
Результаты и обсуждения
Проведенные исследования показали, что изменение параметров индуктивно-емкостного устройства (L, C) оказывало существенное влияние на поляризацию катода. На рис. 1,а, б, в, на
© Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Мазур В.А., Пушкашу Б., Электронная обработка материалов, 2007, № 5, С. 4-8.
4
основе снятых поляризационных кривых показаны разность отклонения потенциалов катода Дф для плотности тока 10 А/дм2 при подключении индуктивности (рис. 1,а), ^оп и емкости (рис. 1,б), Соп и L (рис. 1,в) и потенциал катода при этой же плотности тока для случая без подключения элементов контура (L, C). На рис. 1,г приведены поляризационные кривые при подключении выпрямителя без контура (кривая 1), выпрямителя и L0n (кривая 2), выпрямителя и L0n, Соп (кривая 3). L0n, Соп соответствуют значениям L, С, при которых получены наибольшие отклонения Дф.
в г
Рис. 1. Влияние параметров индуктивно-емкостного устройства L и C на поляризацию катода: а - влияние индуктивности (L) на отклонения потенциала электрода Аф от значения потенциала катода для случая отсутствия контура при плотности тока 10 А/дм2; б - влияние емкости на Аф при подключении оптимальной индуктивности (Ъоп = 20 Гн) при ik = 10 А/дм2; в - влияние индуктивности на Аф при подключении оптимальной емкости (Соп = 2200 мкФ) при ik = 10 А/дм2; г - поляризационные кривые: 1 - без контура; 2 - при Lm; 3 - при Соп,L^„
Подключения только индуктивностей к выпрямителю вызвало отклонение потенциала катода в более отрицательную область. Наибольшее отклонение - при плотности тока 10 А/дм2, и наблюдалось оно при индуктивности L = 20 Гн (LOT ). Дальнейшее ее увеличение не вызывало существенных изменений потенциала катода (рис. 1,а). В опытах с Lm = 20 Гн и различными емкостями было установлено, что величина емкости не оказывает большого влияния на потенциал катода. При выбранных значения C потенциал катода изменялся всего на 4 мВ (рис. 1,б). Наибольшее отклонение потенциала в положительную область наблюдалось при С = 22000 мкФ (Соп). В случае изменения значения индуктивности при Соп потенциал катода смещался в положительную область, и наибольшее отклонение установлено при L = LOT. Дальнейшее увеличение индуктивности не оказывало значительного влияния на поляризацию катода (рис. 1,в). Полученные поляризационные кривые свидетельствуют о том, что при подключении только Lm потенциал катода сдвигался в отрицательную область по сравнению со значениями, полученными в опытах без контура, и при плотности тока 10 А/дм2 отклоняется на 20 мВ. В случае подключения LOT и Соп поляризационная кривая сдвигалась в более положительную область относительно кривой, полученной от источника без подключения контура, и максимальное отклонение потенциала составило 30 мВ при плотности тока 10 А/дм2 (рис. 1,г). Таким образом, изменением параметров индуктивно-емкостного устройства L и C можно оказывать существен-
5
ное влияние на поляризацию электрода, следовательно, на структуру и физико-механические свойства никелевых покрытий.
Изучением спектров переменных составляющих в цепи источник питания - ванна установлено, что они заметно отличаются. При осаждении покрытий без контура при токе 80 мА (плотность тока - 2 А/дм2) максимальная частота переменных составляющих была 3,3 кГц (рис. 2,а).
а
б
□ 1 2 3 4 5
f, кГц
□ 1 2 3 4 5
f, кГц
в г
Рис. 2. Спектры переменных составляющих: 1 - без контура и ik = 2 А/дм2; 2 - при Lon и ik = 2 А/дм2; 3 - при Соп, Lon и ik = 2 А/дм2; 4 - при Соп, Lоп и ik = 4 А/дм2
Как и в предыдущих исследованиях [2, 3], при подключении индуктивности были зафиксированы только начальные составляющие спектра (рис. 2,б).
Подключение индуктивности и емкости (Ьоп, Соп) способствовало возрастанию как амплитуды, так и частоты составляющих спектра (рис. 2,в).
Такие же изменения происходили и при увеличении плотности тока О'к = 4 А/дм2, I=160 мА) при тех же параметрах контура (рис. 2,г).
Изучение морфологии покрытий показало, что у покрытий, полученных при плотности тока 2 А/дм2 (I = 80 мА), без подключения индуктивно-емкостного устройства наблюдалась высокая плотность дефектов на поверхности (рис. 3,а). Подключение индуктивности L0n оказывало незначительное влияние на морфологию осадков (рис. 3,в).
При работе с контуром (Гоп, Соп) количество дефектов на поверхности значительно уменьшалось (рис. 3,д). Увеличение плотности тока до 4 А/дм2 (I = 160 мА) привело к отсутствию питтингов и образованию на поверхности наростов круглой формы (рис. 3,.ж). Наибольшая шероховатость между поверхностными дефектами установлена у покрытий в случаях осаждения без контура и с подключением только индуктивности (рис. 3,б,г). Более гладкими были покрытия с подключением полного устройства (рис. 3,е,з).
Изучение структуры полученных покрытий вышеуказанными способами показало, что подключение только индуктивности Lоп способствовало некоторому уменьшению кристаллических агрегатов (рис. 4,а, б). В случае подключении полного контура (Гоп, Соп ) при той же плотности тока 2 А/дм2 осаждались дисперсные мелкокристаллические покрытия. Увеличение плотности тока (4 А/дм2) привело к некоторому укрупнению кристаллических агрегатов.
Вышеприведенные результаты свидетельствуют о существенном влиянии параметров индуктивно-емкостного устройства на кинетику осаждения и структуру никелевых покрытий. Сравнивая эти результаты с данными, полученными при осаждении меди (при тех же условиях экспериментов), можно сделать вывод, что выбор оптимальных параметров индуктивно-емкостного устройства зависит от особенности осаждаемого металла и состава раствора [3]. Для никелирования оптимальны значения индуктивности и емкости от значений, установленных для меднения: индуктивность возросла с
6
10 до 20 Гн, а емкость - с 17600 до 19800 мкФ. Кроме того, в случае подключения только АопАф при осаждения никелевых покрытий был равен -20 мВ, а при осаждении меди -50 мВ при плотности тока 10 А/дм2. В случае подключения Ьоп, Соп Аф при осаждения никелевых покрытий был равен +30 мВ, а для меди +50 мВ при той же плотности тока. Эти данные свидетельствуют о том, что при осаждения никеля потенциал катода изменялся в пределах 50 мВ, а при меднении - в пределах 100 мВ. Таким образом, оптимальные значения параметров индуктивно-емкостного контура зависят от природы осаждаемого металла и оказывают различное влияние на поляризацию катода [2, 4].
а
б
в
г
д
е
ж з
Рис. 3. Морфология покрытий, полученных: а (x100), б (x3000) - без контура и ik = 2 А/дм2; в (x100), г (x3000) - при Ьоп и ik = 2 А/дм2; д (x100), е (x3000) - при Соп, Ьоп и ik = 2 А/дм2; ж (x100), з (x3000) -при Соп, Ьоп и ik = 4 А/дм2
7
а
б
в г
Рис. 4. Структура полученных покрытий (x3000): а - без контура и ik = 2 А/дм2; б - Lon и ik = 2 А/дм2; в - при Соп, Lоп и ik = 2 А/дм2; г - при Соп, Lоп и ik = 4 А/дм2
Изучение переменных составляющих показало, что частотная ширина спектра и значение ее составляющих (при том же значении тока и плотности тока) коррелируют с потенциалом катода: с ростом их величины и количества в спектре потенциал катода сдвигался в более положительную область. Однако эти показатели спектра зависят от величины тока (рис. 2,в,г). Сравнивая спектры, приведенные в данной работе, с полученными при осаждении меди при тех же условиях электролиза, можно заметить, что при осаждении никеля в экспериментах без контура наибольшая частота переменных составляющих уменьшилась с 5 до 3,3 кГц, а в случае подключения контура с параметрами L0n и Соп - с 6 до 4,2 кГц. При этом (при осаждении никеля) уменьшились и значения переменных составляющих.
Изменения кинетики осаждения, спектров переменных составляющих оказали существенное влияние и на структуру покрытий никеля. При оптимальных условиях (£оп, Соп) была получена более совершенная структура.
Таким образом, настоящие исследования подтверждают ранее полученные результаты [2, 3] о возможности применения индуктивно-емкостных устройств с целью увеличения производительности гальванического процесса и улучшения физико-механических свойств покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ваграмян А.Т., ПетровЮ.Н. Физико-механические свойства электролитических осадков. М., 1960.
2. Гологан В.Ф. Управление электрохимическим процессом индуктивно-емкостными устройствами (обзор) // Электронная обработка материалов. 2005. № 6. С. 39-43.
3. Гологан В. Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С., Попов В. A., Мазур В.А. Особенности процесса осаждения гальванических покрытий в случае применения однофазного источника питания со встроенным индуктивно-емкостным устройством // Электронная обработка материалов. 2007. № 2. С. 12-16.
4. Ваграмян А.Т., ЖемагорцянцМ. Электроосаждение металлов и ингибирующая адсорбция. М.,1969.
5. Тягай В.А. Шумы электрохимических систем // Электрохимия. 1975. Т. 10. № 1. С. 3-24.
Summary
Поступила 13.04.07
The experimental data received at various parameters of the inductance-capacitor device are discussed. It is possible to change kinetics electrochemical process and structure of nickel coating by varying inductance L and capacity C under other identical conditions of electrolysis.
8
