Ανάπτυξη Μεθόδων Επιμετάλλωσης σε Περιστρεφόμενο Κάδο (“barrel plating”) Μεταλλικών Αντικειμένων με Κράμα Χαλκού-Νικελίου
Creators: name: Αϊβαζόπουλος, Χρήστος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Επιμετάλλωση
Περιστρεφόμενος κάδος
Κράμα Cu-Ni
Cupronickel
Electroplating
Barrel-plating

description: Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η ηλεκτροαπόθεση κράματος Cu –Ni μέσω αλκαλικού κιτρικού – αμμωνιακού λουτρού θειικών και χλωριούχων αλάτων των δύο μετάλλων. Σκοπός είναι η ανάπτυξη μεθόδου επιμετάλλωσης κράματος 75%Cu – 25% σε μεγάλο αριθμό χαλύβδινων δισκίων , σε κυψέλη περιστρεφόμενου κάδου. Παράμετροι που επηρεάζουν την διεργασία είναι η πυκνότητα ρεύματος, η θερμοκρασία, η ανάδευση, το pH και οι συγκεντρώσεις των μετάλλων στο λουτρό. Τόσο η σύσταση του κράματος, όσο και η συγκέντρωση των μετάλλων στο λουτρό προσδιορίστηκε μέσω φασματοσκοπίας XRF. Προκαταρτικά πειράματα σε κυψέλη ενός δισκίου έδειξαν εμπλουτισμό του αποθέματος σε χαλκό κατά την εφαρμογή ανάδευσης και την αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης του χαλκού στο διάλυμα (για συγκεντρώσεις 1,27 – 3,06 g∙L-1 Cu, που αντιστοιχούν σε 5-12 g∙L-1 CuSO4.5H2O). Αντιστοίχως, αύξηση της πυκνότητας ρεύματος (0,3 – 2,0 A∙dm-1) έδωσε αποθέματα αυξημένης περιεκτικότητας σε νικέλιο. Τα συμπεράσματα της κυψέλης ενός ηλεκτροδίου εφαρμόστηκαν στην κυψέλη περιστρεφόμενου κάδου, όπου εκτελέστηκαν πειράματα σε διάφορες παραλλαγές σχήματος περιστρεφόμενου κάδου, σε διαφορετικό πλήθος υποστρωμάτων (35 – 150) με εφαρμογή διαφορετικής πυκνότητας ρεύματος (0,2 – 1,5 A∙dm-1) και διαφορετική αρχική συγκέντρωση Cu (0,76 – 3,06 g∙L-1 Cu). Όπως και στην κυψέλη ενός ηλεκτροδίου, έτσι και σε αυτήν του περιστρεφόμενου κάδου, παρατηρήθηκε αύξηση της περιεκτικότητας του χαλκού στο απόθεμα με την μείωση της πυκνότητας ρεύματος και την αύξηση της συγκέντρωσης του χαλκού στο διάλυμα, ενώ αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης νικελίου (18,5 – 29,7 g∙L-1 Ni, το οποίο βρίσκεται σε περίσσεια και αντιστοιχεί σε 50-100 g∙L-1 NiSO4.6H2O + 30 g∙L-1 NiCl2 . 6H2O) και αύξηση της πυκνότητας ρεύματος έδωσαν απόθεμα αυξημένης περιεκτικότητας σε νικέλιο. Για την επίτευξη αποθέματος σε στενό εύρος του επιθυμητής σύστασης 70-80% Cu, απεδείχθη σημαντική η ρύθμιση με μεγάλη ακρίβεια της αναπλήρωσης χαλκού στο διάλυμα, προς διατήρηση του λόγου Cu/Ni στο λουτρό. Κάτω από βέλτιστες συνθήκες ( πυκνότητα ρεύματος 0.22 A ∙ dm-1, σύσταση λουτρού 0,76 g ∙ L-1 Cu + 29,7 g∙L-1 Ni, 150 δισκία, ~2L όγκος λουτρού, ρυθμός αναπλήρωσης Cu 34 mL ∙ h-1 διαλύματος 200 g ∙ L-1 CuSO4.5H2O) παρασκευάσθηκε απόθεμα σύστασης 75% Cu – 25% Ni τυπικού πάχους 9.5μm μετά 6.5h επιμετάλλωσης.
description: In the present work, the electrodeposition of Cu – Ni alloys through an alkaline citrate-ammonia bath of metal sulfates and chlorides was studied. The aim is to develop a 75% Cu - 25% Ni alloy plating method in a rotating drum cell on multiple steel tablets. Parameters affecting the process are current density, temperature, stirring, pH, and metal concentrations in the bath. The composition of of both the alloy and the bath was determined by XRF spectroscopy. Preliminary experiments on a single tablet showed copper - enriched deposits upon bath stirring and increased copper bath content (in the range of 1,27 – 3,06 g∙L-1 Cu, that correspond to 5 - 12 g ∙ L-1 CuSO4.5H2O). Correspondingly, an increase in current density (0,3 – 2,0 A ∙ dm-1) gave nickel – enriched deposits. The single electrode cell conclusions were applied to the rotating drum cell, where experiments were performed on different drum shapes, on a number of substrates (35 - 150) using different current densities (in the 0.2 - 1.5 A ∙ dm-1 range) and different initial CuSO4.5H2O concentrations (in the 3 - 12 g ∙ L-1 range). Similarly to the single electrode cell, there was an increase in the deposit’s copper content as the current density decreased or the bath’s copper concentration increased. An increase in Ni content is seen upon increasing nickel concentration (in the range of 18,5 – 29,7 g∙L-1 Ni, that corresponds to 50-100 g∙L-1 NiSO4.6H2O + 30 g∙L-1 NiCl2 . 6H2O), which was in excess, and increasing current density. In obtaining deposits within 70-80% at Cu concentration, it was crucial to finally adjust continuous replenishment of Cu in solution, in order to keep the Cu/Ni ratio constant. Under optimal conditions (current density of 0,22 A ∙ dm-1, bath composition of 3 g ∙ L-1 CuSO4.5H2O, 29,7 g∙L-1 Ni, 150 substrate tablets, ~2L of bath volume, 34mL ∙ h-1 addition of a 200 g ∙ L-1 CuSO4.5H2O solution) deposits of a 75% Cu – 25% Ni composition and 9.5μm thickness were typically obtained after 6.5h of plating operation.