Сульфосалицилатный электролит для осаждения сплава медь-никель
Владельцы патента RU 2365683:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) (RU)
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для электроосаждения защитно-декоративных покрытий сплавом медь-никель. Электролит содержит, г/л: сульфат меди пятиводный 7-20, сульфат никеля семиводный 30-70, сульфосалициловую кислоту двухводную 60-90, сульфат аммония 5-25, гидроксид аммония (30% водный раствор аммиака) 3-7, сахарин 0,5-1,5. Технический результат: повышение производительности, повышение блеска, сцепления покрытий с основой. 4 табл.
Изобретение относится к гальваническому осаждению покрытий сплавом медь-никель с содержанием меди 15-80% и может быть применено для осаждения защитно-декоративных, коррозионно-стойких покрытий и для снижения переходного электрического сопротивления слаботочных контактов.
Известны цианидные, тиосульфатные, нитратные, пирофосфатные, тартратно-пирофосфатные, трилонатные, сернокислые и аммиачные электролиты для осаждения сплава медь-никель [1-4].
Недостатком известных способов является затрудненность осаждения толстых (свыше 5 мкм) блестящих покрытий с декоративными свойствами, высокая экологическая опасность (цианистый), низкий выход по току (тиосульфатный), необходимость перемешивания электролита при работе (пирофосфатный, трилонатный), низкая производительность.
Наиболее близким по характеристикам осаждаемого покрытия является пирофосфатный электролит, имеющий следующий состав электролита, г/л: никель (в пересчете на металл) 100, медь (в пересчете на металл) 6-7, пирофосфат калия (свободный) 65-70, сегнетова соль 25-30 [2].
Однако пирофосфатный электролит отличается сложностью в приготовлении и высокой концентрацией пирофосфата калия (450 г/л) для комплексообразования ионов металла, что значительно повышает себестоимость продукции и экологическую опасность гальванических стоков. Электролит характеризуется низкой производительностью, рабочая плотность тока составляет 0,5-1,0 А/кв.дм, выход по току 80%. При работе ванны необходимо осуществлять перемешивание.
Техническим результатом предлагаемого электролита является осаждение блестящих хорошо сцепленных с основой покрытий сплавом медь-никель с высокой производительностью. Так рабочая плотность тока составляет 1,5-2,5 А/дм.кв, выход по току свыше 90%. Концентрация сульфосалициловой кислоты для комплексообразования ионов металлов составляет 80 г/л.
Таким образом, применение сульфосалицилатного электролита позволяет повысить производительность процесса электроосаждения, а также получить хорошо сцепленные с основой блестящие покрытия сплавом медь-никель свыше 10 мкм.
Это достигается тем, что сульфосалициловый электролит для осаждения сплава медь-никель, содержащий сульфат меди пятиводный, сульфат никеля семиводный, согласно предложенному изобретению дополнительно содержит сульфосалициловую кислоту двухводную, сульфат аммония, гидроксид аммония и сахарин, при следующем соотношении компонентов, г/л: сульфат меди пятиводный 7-20, сульфат никеля семиводный 30-70, сульфосалициловая кислота двухводная 60-90, сульфат аммония 5-25, гидроксид аммония (30% водный раствор аммиака) 3-7, сахарин 0,5-1,5.
Механизм действия сульфосалициловой кислоты заключается в образовании комплексных соединений с ионами металлов в электролите, что приводит к сближению потенциалов восстановления ионов металлов на катоде. Для меди lgK1=9,52, lgK2=16,45; для никеля lgK1=6,61, lgK2=10,81 [5].
Решения, имеющие признаки заявляемого электролита, не выявлены.
Для исследования влияния концентрации ионов меди в электролите на состав осаждающегося сплава были приготовлены четыре водных электролита, составы которых приведены в таблице 1.
Электролит готовился следующим образом.
В отдельных емкостях растворяются указанные компоненты, затем растворы солей меди и никеля смешиваются. В полученный раствор вливают растворенную сульфосалициловую кислоту и перемешивают. Образовавшуюся смесь нейтрализуют постепенным добавлением раствора гидроксида аммония, производя непрерывное перемешивание, до образования темно-зеленого раствора и доводят pH до 7,2-7,5. В конце вводится раствор сахарина, и электролит доводится до необходимого объема. Проверяется pH полученного электролита и в случае необходимости корректируется раствором гидроксида аммония или серной кислотой, применяя перемешивание, после чего приготовленный электролит в герметичной емкости, непрозрачной для света, или в темном месте выдерживают неделю. Перед эксплуатацией корректируют рН указанным выше способом.
| Таблица 1. | ||||
| Составы электролитов. | ||||
| Компоненты | Электролит | Электролит | Электролит | Электролит |
| №1 | №2 | №3 | №4 | |
| Сульфат меди пятиводный | 7 | 10 | 15 | 20 |
| Сульфат никеля семиводный | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Сульфосалициловая кислота | 80 | 80 | 80 | 80 |
| Сульфат аммония | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Гидроксид аммония (30% водный раствор аммиака) | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 |
| Сахарин | 1 | 1 | 1 | 1 |
Электролиз проводили в ванне объемом 0,5 л при температуре электролита 30-60°С, катодной плотности тока 0,5-3,0 А/дм2, pH=6,0-8,0 при соотношении рабочей поверхности катодов и анодов 1:5.
В качестве материала анодов рекомендуется применять медноникелевый сплав или медь. Применение никелевых анодов нежелательно, так как выявлена их пассивация.
Данные о влиянии концентрации ионов меди в электролите и катодной плотности тока на состав осаждающегося сплава приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Влияние концентрации меди в электролите на состав осаждающегося сплава. | ||||
| Плотность тока, А/дм2 | Содержание меди в осаждающемся сплаве, % | |||
| Концентрация Сu2+ в электролите, М | ||||
| 0,028 | 0,04 | 0,06 | 0,08 | |
| 0,5 | 63 | 85,7 | 90 | 94,3 |
| 1,0 | 35,4 | 52,2 | 68,3 | 83 |
| 1,5 | 26,5 | 43 | 34 | 30 |
| 2,0 | 19 | 34 | 45,7 | 53 |
| 2,5 | 16,5 | 30 | 42 | 46,7 |
| 3,0 | 16 | 25,6 | 37,8 | 43,0 |
Как видно из таблицы 2, с увеличением концентрации соли меди в электролите растет доля меди в осаждающемся сплаве во всем интервале рабочих плотностей тока. Прослеживается общая закономерность изменения доли меди в осаждающемся сплаве с изменением катодной плотности тока при различном содержании соли меди в электролите. С увеличением плотности тока наблюдается уменьшение меди в осаждающемся сплаве, что связано со смещением потенциала катода в сторону отрицательных значений.
В таблице 3 представлены данные влияния температуры электролита на состав осаждающегося сплава.
Как видно из данных таблицы 3, увеличение температуры электролита приводит к возрастанию доли меди в осаждающемся сплаве, связанному со смещением потенциала катода в сторону положительных значений. Также температура влияет на внешний вид покрытия, блестящие покрытия сплавом осаждаются при температуре 45-50°С и плотности тока 1-2 А/дм. Электроосаждение рекомендуется вести при температуре 50°С, обеспечивающей блестящий внешний вид покрытия.
| Таблица 3 | ||||
| Влияние температуры электролита на состав осадающегося сплава. | ||||
| Плотность тока. А/дм2 | Содержание меди в осаждающемся сплаве, % | |||
| Температура электролита, °С | ||||
| 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 0,5 | 50,2 | 56 | 85,7 | 99 |
| 1,0 | 34,7 | 37,8 | 52,2 | 71,7 |
| 1,5 | 27 | 28,5 | 43 | 48,6 |
| 2,0 | 22,2 | 23,7 | 34 | 40 |
| 2,5 | 21,1 | 24,7 | 30 | 34,2 |
| 3,0 | 19 | 20 | 25,6 | 30 |
Данные влияния рН электролита на состав осаждающегося сплава представлены в таблице 4.
| Таблица 4 | |||||
| Влияния рН электролита на состав осаждающегося сплава. | |||||
| Плотность тока, А/дм2 | Содержание меди в сплаве, % | ||||
| рН электролита | |||||
| 6,0 | 6,5 | 7,0 | 7,50 | 8,0 | |
| 0,5 | 87 | 86 | 85,7 | 87 | 86,6 |
| 1,0 | 58,8 | 53,9 | 52,2 | 54 | 64,4 |
| 1,5 | 46 | 45,7 | 43 | 45,7 | 50,1 |
| 2,0 | 35 | 34,6 | 34 | 37,7 | 41,3 |
| 2,5 | 32,5 | 28,9 | 30 | 32,7 | 34,6 |
| 3,0 | 28,2 | 27,3 | 25,6 | 29,5 | 31,6 |
Как видно из таблицы 4, изменение pH электролита практически не влияет на состав осаждающегося сплава. Блестящие покрытия сплавом медь-никель осаждаются при pH 6,5-7,5.
Сульфосалициловый электролит характеризуется выходом по току 90-95% в зависимости от состава осаждающегося сплава. С увеличением концентрации соли меди в электролите выход по току растет.
Рассеивающая способность сульфосалицилового электролита, измеренная в ячейке Молера, составила 43% по металлу.
Внутренние напряжения, измеренные методом гибкого катода, сильно зависят от состава осаждающегося сплава и изменяются от внутренних напряжений сжатия, при содержании меди в сплаве выше 60% к напряжениям растяжения, при содержании меди ниже 60% в сплаве. Однако они остаются сравнительно невысокими и составляют 100-200 МПа, что сравнительно ниже, чем для чистого никеля. Осаждающийся сплав медь-никель в области нулевых значений внутренних напряжений имеет блестящий глянцевый вид светлого цвета.
Значения переходных электросопротвлений покрытий сплавом при токе 10 мА колеблются в пределах 0,008-0,034 Ом при нагрузке на контакт от 2,0 до 0,2 Н соответственно. С увеличением содержания никеля оно уменьшается, но при нагрузке в 1 Н и выше электросопротивление практически равное для сплавов состава 35-80% меди.
Таким образом, использование сульфосалициловой кислоты позволяет осаждать толстые хорошо сцепленные блестящие покрытия сплавом медь-никель без механического перемешивания электролита.
Источники информации
1. Федотьев Н.П., Бибиков Н.Н., Вячеславов П.М., Грилихес С.Я. Электролитические сплавы. М., Машиностроение, 1962. 312 стр.с ил.
2. Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов. Изд. 5-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленинг. Отд-ние, 1986. - 112 с., ил. - (Б-чка гальванотехника; Вып.5).
3. В.В.Бондарь, В.В.Гринина, В.Н.Павлов. Электроосаждение двойных сплавов. (Итоги науки и техники), 1979, 16, 329 с., библ.1106.
4. Патент RU 2106436 С1.
5. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия. 1979. - 480 с., ил.
Сульфосалицилатный электролит для осаждения сплава медь-никель, содержащий сульфат меди пятиводный, сульфат никеля семиводный, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сульфосалициловую кислоту двухводную, сульфат аммония, гидроксид аммония, сахарин при следующем соотношении компонентов, г/л:
| Сульфат меди пятиводный | 7-20 |
| Сульфат никеля семиводный | 30-70 |
| Сульфосалициловая кислота двухводная | 60-90 |
| Сульфат аммония | 5-25 |
| Гидроксид аммония (30% водный раствор аммиака) | 3-7 |
| Сахарин | 0,5-1,5 |
