Свойства и применение медных покрытий

Свежеосажденные медные покрытия весьма украшают изделие, особенно при использовании ванн с блескообразователями. Под воздействием атмосферы медь теряет блеск и покрывается темным налетом. Медные покрытия защищают сталь от коррозии только в том случае, если они беспористые. Если в медном покрытии существуют noры, достигающие подложки, то при доступе влаги образуются коррозионные пары, в которых растворимым электродом является стальная подложка, в результате чего появляются язвы под покрытием, приводящие к его отслоению.

Медные покрытия применяют в основном как подслой перед никелированием при нанесении многослойных (Cu—Ni—Сг) покрытий. Медь и медные покрытия можно химически и электрохимически окрашивать в разные цвета, что используется при отделке ювелирных и галантерейных изделий.

Функциональные медные покрытия применяются для защиты стали от цементации. Очень хорошая электропроводность меди широко используется в электротехнике и электронике. Примером этого служат волноводы и печатные платы. Очень интересной областью является электролитическое изготовление медных форм для производства изделий из пластмасс. Художественная промышленность использует меднение для получения точных копий ценных резьб, медальонов и т. д.

Развитие гальванической металлизации пластмасс увеличило заинтересованность медными покрытиями в равной мере как в виде тонких проводимых слоев, получаемых без использования электрического тока методом восстановления, так и в виде толстых электролитических покрытий, образующих первый слой при наложении многослойных покрытий.

Электролиты меднения

Основные виды электролитов для электролитического меднения —цианидные и кислые (предпочтительно сульфатные). Пирофосфатиые, фторборатные и аминосульфоновые ванны применяют для специальных целей.

Сульфатные ванны. С появления гальванотехники и до настоящих дней пользуются заслуженным признанием из-за их простого состава, легкости обслуживания и катодного выхода по току, достигающего 100 %.

Ниже приведены примеры кислых ванн:

Ванна

1

2

CuSO4•5H2O, г/л

180—220

60—80

H2SO4, г/л

40—60

180—200

Ванна 1: универсальна. Для гальванопластических процессов применяют более концентрированные ванны и нередко содержащие органические добавки, измельчающие зерно и противодействующие образованию наростов, в особенности создающих трудности при образовании толстых покрытий. Среди этих добавок чаще всего упоминают желатин, столярный клей, декстрин, вытяжку из мыльного корня, фенолсульфоновую кислоту, тиомочевину, этиловый спирт и т. д.

Ванна 2: применяется для меднения печатных схем с металлизованными отверстиями. Она характеризуется значительно меньшим содержанием меди и большой концентрацией серной кислоты. Желательно присутствие хлоридов, ~30 мг/л. В промышленности в ванну этого типа вводят специальные органические добавки.

Запасную ванну моют очень тщательно, ополаскивают 5 %-ной серной кислотой, а также проточной и деминерализованной водой, сначала вливают половину необходимой воды, нагревают ее до 50 °С и добавляют сульфат меди при непрерывном перемешивании. После полного растворения сульфата отфильтровывают его в рабочую ванну, которая очищается также, как и запасная, и добавляют порциями серную кислоту при непрерывном перемешивании. Фирменные ванны, содержащие специальные блескообразующие добавки, составляют в соответствии с пожеланиями производителя. Запасная и рабочая ванны должны иметь облицовку из твердой резины или поливинилхлорида. Для скоростного осаждения меди необходима установка для перемешивания сжатым воздухом, пропущенным через маслофильтр. Механическое загрязнение в ванне удаляется с помощью фильтрационного насоса. Это очень важно в гальванопластике в случае нанесения очень толстых покрытий. Ванну нагревают погруженными нагревателями, находящимися в керамическом кожухе.

В сульфатных ваннах, эксплуатируемых при комнатной температуре без перемешивания, плотность тока составляет 1,0—1,5 А/дм2. В ваннах, перемешиваемых воздухом, можно проводить меднение при 5 А/дм2, а при нагреве до 40 °С — даже при 10 А/дм2.

Значительным шагом вперед в области меднения была разработка кислых ванн с блескообразователями.

Эксплуатация сульфатных ванн. Самым простым способом эксплуатации является поддержание концентрации основных составляющих, исходя из результатов химического анализа. Важны также наблюдения за ванной, выполненные обслуживающим персоналом.

Шероховатость покрытий и образование наростов вызывается загрязнением ванны твердыми частицами. Действенным средством является фильтрование ванны. Чересчур большая плотность тока и низкая температура дают порошковидные и пригоревшие покрытия.

При очень малой концентрации серной кислоты ухудшается кроющая способность ванны и аноды покрываются темным налетом, приводящим к снижению плотности тока за несколько минут после включения. Поэтому необходимо добавить чистой серной кислоты, а если это не поможет, то следует увеличить подачу кислоты, пока аноды не перестанут покрываться налетом. Если аноды имеют очень блестящий и кристаллический вид, то это свидетельствует об избытке серной кислоты. Часть ванны отливают в меньшую ванну, нагревают до 50 °С и добавляют карбонат меди до нейтрализации ванны, после чего отфильтровывают в рабочую ванну.

Очень важной проблемой является хрупкость медного покрытия, что особенно болезненно чувствуют специалисты, занятые в гальванопластике. Причина лежит в органических, загрязнениях, часто присутствующих в ваннах с добавками желатина, казеина, столярного клея, вытяжки мыльного корня и других веществ, вводимых с целью снижения опасности образования наростов. Эффект таков, что наростов становится меньше, но в ванне накапливаются продукты распада органических веществ, что отрицательно сказывается на механических свойствах покрытия, они преимущественно охрупчиваются. С целью удаления вредных органических загрязнений следует добавлять активированный уголь «Carbopol S-extra». Уголь не следует добавлять прямо в рабочую ванну, а им следует заполнить фильтр, как это описано в главе о никелировании.

Сульфатные ванны характеризуются большой стабильностью по высоким катодному и анодному выходам по току. Но это не означает, что можно в течение длительного времени не дополнять ванны основными составляющими, которые уносятся изделиями из ванны. Доливание через определенное время воды приводит к чрезмерному разбавлению ванны, что равноценно снижению проводимости. Следовательно, необходимо через определенное время проверять плотность ванны ареометром и в случае необходимости доливать свежий раствор, составленный из сульфатов меди (50 г/л) и концентрированной серной кислоты (5 см3/л).

Очень опасно загрязнение ванны для меднения соляной кислотой, что проявляется, между прочим, в зеленом налете на анодах. Соляная кислота попадает в ванну преимущественно из-за неосторожности обслуживающего персонала. Ее устранение в условиях мастерской практически невозможно, и при сильном загрязнении ванну следует заменить новой. Следовательно, нельзя применять для приготовления кислотной сульфатной ванны городскую, сильно хлорированной воду. В крайнем случае необходимо такую воду обесхлорить.

Медные аноды

Медные анодовы разделены на аноды для кислой и щелочных ванн. Это особенно важно, так как не существует универсальных анодов, в одинаковой степени пригодных для работы в кислых и щелочных ваннах. Аноды для кислых ванн содержат 0,03—0,07 % Р, который препятствует образованию шлама — одной из причин шероховатости покрытий.

Медные аноды изготовляют в виде пластин толщиной 5, 7, 10 и 15 мм, шириной 100, 150, 200 и 300 мм, длиной 500, 600, 700, 800, 900 и 1000 мм. Кроме того, производятся прутки эллиптического сечения длиной 300— 2000мм.

Можно также применять аноды в виде кубиков размерами 25×25 (5—15) мм. Такие кубики в титановых коробках применяют в кислых ваннах. В заказах следует использовать стандартные обозначения.

Примеры обозначения: «Медный анод MIG/K, кубик 15» — означает кубик толщиной 15 мм для кислой ванны; «Медный анод MIG/K 5X300X1000» —анод в виде пластины толщиной 5 мм, шириной 300 мм и длиной 1000 мм для кислой ванны; «Медный анод MIG500» — анод в виде 500 мм прутка эллиптического сечения для щелочных ванн.

Удаление медных покрытий

Примеры растворов для удаления медных покрытий.

В ванне 1, содержащей, г/л: 250 СгО3 и 100 (NH4)2SO4, медь удаляют с поверхности стали химическим методом. Ванна работает при комнатной температуре до полного удаления меди. Ванна 2, содержащая, г/л: 100 NaCN, 50 NaOH, применяется для удаления меди с поверхности стали, причем изделия завешиваются как аноды, а катодами служат стальные пластины; температура — комнатная, напряжение ~ 6 В.