Электролит и способ меднения
Владельцы патента RU 2282682:
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (RU)
Изобретение относится к области гальваностегии и может быть использовано для электрохимического меднения стальной поверхности деталей без нанесения дополнительного подслоя. Электролит содержит, моль/л: соединение меди 0,1-0,5, гидроксид щелочного металла 1,5-5,0, нитрат калия или натрия 0,2-0,8, пропиленгликоль 0,6-2,5, тетраалкиламмония гидроксид 0,0002-0,0006. Способ включает подготовку деталей и электролитическое осаждение меди, при этом осаждение проводят из электролита, приведенного выше, при катодной плотности тока 0,5-3,0 А/дм2 и температуре электролита 20-40°С. Технический результат: повышение микротвердости, прочности сцепления покрытия с основой, его равномерности, защитной способности за счет снижения пористости, уменьшение вероятности восстановления в объеме электролита комплексов меди. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области гальваностегии и может быть использовано для электрохимического меднения стальной поверхности деталей без нанесения дополнительного подслоя.
Для меднения широкое распространение в промышленности получили сернокислый и цианистый электролиты. Медные цианистые электролиты обладают высокой рассеивающей способностью, позволяют осаждать медь непосредственно на стальные детали. Осадки, полученные из этих электролитов, отличаются мелкокристаллической структурой, однако, цианистые электролиты токсичны, недостаточно устойчивы и имеют сложный многокомпонентный состав, дороги.
Для замены цианистых электролитов наибольшее внимание заслуживают пирофосфатные и аммиачные электролиты. Они очень просты по составу, нетоксичны и содержат общедоступные и дешевые компоненты. Недостатком их является узкий интервал рабочих плотностей тока. В пирофосфатных электролитах на основе К4Р2О7 допустимая плотность тока не превышает 1,5 А/дм2. В существующих аммиачных электролитах рабочий интервал плотностей тока составляет 1,2-1,8 А/дм2. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник под ред. М.А.Шлугера, Москва, Машиностроение, 1985, т.1, с.93-100.
Наиболее близким аналогом предложенного электролита и способа меднения являются электролит и способ, раскрытые в SU 1035097 A, МПК 7 C 25 D 3/38, опубл. 15.08.1983. Электролит содержит, г/л: сернокислую медь 40-60, гидроксид натрия 90-110, глицерин 40-60, меламин (2,4,6-триамино-1,3,5-триазин) 0,4-0,6 и воду. Подготовку деталей перед меднением проводят обычным способом. Покрытие наносят при температуре электролита 10-30°С и катодной плотности тока 0,5-2,0 А/дм2.
Электролит имеет хорошую рассеивающую способность 50-70%, высокий выход по току 85-95%, однако, является нестабильным в силу восстановительных свойств глицерина. Покрытия, полученные из этого электролита, при небольших толщинах имеют низкую микротвердость и высокую пористость.
Задачей предложенного изобретения является расширение ассортимента отечественных бесцианидных электролитов меднения, позволяющих получать качественные медные покрытия на стальных изделиях, в том числе и сложнопрофилированных.
Техническим результатом является повышение микротвердости, прочности сцепления покрытия с основой, его равномерности, защитной способности за счет снижения пористости, а также уменьшение вероятности восстановления в объеме электролита комплексов меди.
Указанный технический результат достигается тем, что электролит меднения стальной поверхности деталей включает соединение меди, гидроксид щелочного металла, многоатомный спирт, азотсодержащую органическую добавку и воду, при этом электролит дополнительно содержит нитрат калия или натрия, в качестве соединения меди электролит содержит сульфат или нитрат или гидроксид меди, в качестве многоатомного спирта - пропиленгликоль, а в качестве азотсодержащей органической добавки - тетраалкиламмония гидроксид при следующем соотношении компонентов, моль/л:
| Соединение меди | 0,1-0,5 |
| Гидроксид щелочного металла | 1,5-5,0 |
| Нитрат калия или натрия | 0,2-0,8 |
| Пропиленгликоль | 0,6-2,5 |
| Тетраалкиламмония гидроксид | 0,0002-0,0006 |
В качестве гидроксида щелочного металла электролит содержит гидроксид натрия, и/или калия, и/или лития. Кроме того, электролит может дополнительно содержать углекислый натрий в количестве до 0,3 моль/л.
В качестве тетраалкиламмония гидроксида можно выбрать тетраметиламмония гидроксид, или тетраэтиламмония гидроксид, или тетрапропиламмония гидроксид, или тетрабутиламмония гидроксид и т.д.
Указанный технический результат достигается также тем, что способ меднения стальной поверхности деталей включает подготовку деталей и электролитическое осаждение меди, при этом осаждение проводят из электролита, приведенного выше состава, при катодной плотности тока 0,5-3,0 А/дм2 и температуре электролита 20-40°С.
Подготовка поверхности включает обезжиривание, активирование в соляной кислоте и межоперационные промывки.
Предложенный электролит свободен от токсичных цианид-ионов и представляет собой щелочной раствор на основе тетрагидроксокупритных комплексов и смешанных пропандиоловых гидроксокомплексов Cu(II).
Электролит готовят следующим образом: расчетные количества компонентов растворяют в отдельных порциях воды, нагретой до 30-40°С, и смешивают при температуре растворов не более 50°С. Для приготовления раствора используют реактивы квалификаций "ч.д.а." и "х.ч.", тетрабутиламмония гидроксид (ТУ6-09-1369-76) - квалификации "ч". Свежеприготовленный электролит рекомендуется прорабатывать 2-3 А·ч/л, затем периодически корректировать по всем компонентам.
Контроль прочности сцепления медных покрытий со сталью проводили методом нанесения сетки царапин по ГОСТ 9.302-88, микротвердость определяли при нагрузке 10 г на микротвердомере ПМТ-3, пористость покрытия определяли по ГОСТ 9.302-88.
Пример 1. Стальную деталь обезжирили, промыли проточной, затем дистиллированной водой, активировали в растворе соляной кислоты и снова промыли дистиллированной водой. Электроосаждение проводили при температуре 20°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм2 из электролита следующего состава, моль/л:
| Гидроксид меди | 0,1 |
| Гидроксид калия | 1,5 |
| Пропиленгликоль | 0,6 |
| Нитрат натрия | 0,2 |
| Тетраметиламмония гидроксид | 0,0002 |
Было получено мелкокристаллическое розовое покрытие толщиной 5 мкм с пористостью 1 пор/см2 и микротвердостью 720 МПа. Скорость осаждения покрытий в этих условиях составила 2,8 мкм/ч. Прочность сцепления покрытия со сталью удовлетворяет требованиям ГОСТ 9.302-88.
Пример 2. Стальную деталь обезжирили, промыли проточной, затем дистиллированной водой, активировали в растворе соляной кислоты и снова промыли дистиллированной водой. Электроосаждение проводили при температуре 40°С и катодной плотности тока 3 А/дм2 из электролита следующего состава, моль/л:
| Сернокислая медь | 0,5 |
| Гидроксид натрия | 5,0 |
| Пропиленгликоль | 2,5 |
| Нитрат калия | 0,8 |
| Тетрабутиламмония гидроксид | 0,0006 |
Было получено мелкокристаллическое покрытие розового цвета толщиной 10 мкм с пористостью 0,2 пор/см2 и микротвердостью 750 МПа. Скорость осаждения покрытия в этих условиях составила 12 мкм/ч.
Прочность сцепления покрытия со сталью удовлетворяет требованиям ГОСТ 9.302-88.
Пример 3. Электроосаждение проводили при температуре 35°С и катодных плотностях тока от 1,0 до 3,0 А/дм2 из электролита следующего состава, моль/л:
| Сернокислая медь | 0,4 |
| Гидроксид натрия | 3,5 |
| Пропиленгликоль | 2,0 |
| Нитрат калия | 0,6 |
| Карбонат натрия | 0,25 |
| Тетрабутиламмония гидроксид | 0,0004 |
Были получены мелкокристаллические розовые покрытия толщиной 0,5 мкм до 15 мкм. Увеличение толщины медных покрытий от 0,5 мкм до 10 мкм приводит к уменьшению пористости с 5 пор/см2 до полного их отсутствия. При плотности тока 2 А/дм2 микротвердость медных покрытий достигает максимума и составляет 950 МПа. 720 МПа. Прочность сцепления покрытия со сталью удовлетворяет требованиям ГОСТ 9.302-88.
Влияние плотности тока на скорость осаждения медных покрытий приведено в таблице.
| Плотность тока, А/дм2 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| Скорость осаждения мкм/ч | 9,0 | 10,2 | 10,5 | 9,8 | 10,3 |
Независимость скорости осаждения меди от плотности тока обеспечивает нанесение равномерных по толщине медных покрытий по поверхности сложнопрофилированных деталей.
Таким образом, предложенный способ с использованием бесцианидного щелочного электролита на основе тетрагидроксокупритных и гидроксопропандиоловых комплексов позволяет получать твердые мелкокристаллические покрытия высокого качества, имеющие низкую пористость при толщинах более 2 мкм и высокую равномерность покрытий по поверхности сложнопрофилированных деталей.
1. Электролит меднения стальной поверхности деталей, включающий соединение меди, гидроксид щелочного металла, многоатомный спирт, азотсодержащую органическую добавку и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нитрат калия или натрия, в качестве соединения меди электролит содержит сульфат, или нитрат, или гидроксид меди, в качестве многоатомного спирта - пропиленгликоль, а в качестве азотсодержащей органической добавки - тетраалкиламмония гидроксид при следующем соотношении компонентов, моль/л:
| Соединение меди | 0,1-0,5 |
| Гидроксид щелочного металла | 1,5-5,0 |
| Нитрат калия или натрия | 0,2-0,8 |
| Пропиленгликоль | 0,6-2,5 |
| Тетраалкиламмония гидроксид | 0,0002-0,0006 |
2. Электролит по п.1, отличающийся тем, что он в качестве гидроксида щелочного металла содержит гидроксид натрия, и/или калия, и/или лития.
3. Электролит по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углекислый натрий в количестве до 0,3 моль/л.
4. Способ меднения стальной поверхности деталей, включающий подготовку деталей и электролитическое осаждение меди, отличающийся тем, что осаждение проводят из электролита по п.1 при катодной плотности тока 0,5-3,0 А/дм2 и температуре электролита 20-40°С.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что подготовка поверхности включает обезжиривание, активирование в соляной кислоте и межоперационные промывки.
