Электрохимическое осаждение покрытий оловом с использованием импульсного электролиза

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

УДК 544-654-2

Д. А. Выпирайло, С. Н. Киреева, С. Ю. Киреев

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ОЛОВОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА

Аннотация. В статье изложены результаты исследования, в ходе которого определялся оптимальный режим потенциостатического импульсного электролиза, обеспечивающего формирование качественных гальванических покрытий оловом из кислого электролита с добавкой молочной кислоты с высоким значением катодного выхода по току и скорости осаждения.

Ключевые слова: импульсный электролиз, электрохимическое осаждение, гальваническое покрытие оловом.

Проблема создания высокопроизводительных, легко и оперативно управляемых технологий нанесения гальванических покрытий с требуемым комплексом свойств остается актуальной и в настоящее время [1, 2]. Решить ее только традиционными методами: разработкой новых электролитов, введением поверхностно-активных веществ-комплексо-образователей, повышением плотности тока за счет подогрева и перемешивания раствора и т.д. - не представляется возможным [3]. Применение импульсного электролиза позволяет улучшить эксплуатационные свойства гальванических покрытий, например таких, как жаропрочность, твердость, пластичность, электропроводность, паяемость, а также снизить капитальные затраты.

Целью работы являлось определение оптимального режима потенциостатического импульсного электролиза, обеспечивающего формирование качественных гальванических покрытий оловом из кислого электролита с добавкой молочной кислоты с высоким значением катодного выхода по току и скорости осаждения.

Эксперимент проводили в прямоугольной ячейке емкостью 0,2 л с применением в качестве катода медных пластин площадью 4-10-4 м2 и графитовых анодов. Подготовка катода проводилась в соответствии с требованиями, изложенными в работе [4]. Выработка электролита по ионам металла не превышала 5 %.

Электроосаждение проводили в потенциостатическом режиме импульсного электролиза, особенностью которого является поддержание на постоянном уровне амплитудных значений электродного потенциала во время четных и нечетных импульсов. В качестве источника поляризующего тока использовали потенциостат-гальваностат IPC-ProMF. Данный прибор позволяет одновременно выступать в роли и источника тока, и устройства для регистрации значений потенциала и силы тока в электрохимической системе во вре-

128

Актуальные вопросы естествознания

мени. Потенциалы приведены относительно хлоридсеребряного электрода. рН электролита определяли рН-метром-ионометром И-160.

Для приготовления растворов электролитов использовали реактивы марки «х.ч.» или «ч.д.а.» и дистиллированную воду. Взвешивание реактивов осуществляли на электронных весах AND EK-6ioi с точностью до 0,01 г, а образцов до и после формирования покрытия - на электронных аналитических весах AND HR-200 с точностью до 0,0001 г. Объем растворов доводили и определяли с помощью мерной посуды класса 2. Готовый раствор выдерживали при комнатной температуре в течение 12-24 ч.

Катодный выход по току олова определяли гравиметрическим способом, причем количество электричества, пропущенного через электролит, вычисляли интегрированием зависимостей силы тока I от времени электролиза т:

X

Q = j Idx.

0

В ходе данной работы было исследовано влияние основных режимов импульсного электролиза (амплитудных значений потенциалов первого (E1) и второго (E2) импульсов, следующих друг за другом, а также их длительностей (т и Т2) (рис. 1)) и состава электролита на катодный выход по току никеля и качество осаждаемых покрытий.

Рис. 1. Форма импульсного поляризующего тока, применяемая в исследовании

Исследование зависимости катодного выхода по току (ВТк) олова от технологических параметров процесса проводили в электролите следующего состава [5, 6]: молочная кислота - 150 мл/л, хлорид олова [IV] (на металл) - 10 г/л, температура - 20 °С, рН - 1.

Зависимость выхода по току олова от значения потенциала E1 исследовали при значении потенциала E2 = -500 мВ и длительностях импульсов 0,25 с. Изменение значений потенциала E1 от -700 до -1300 мВ приводит к снижению значений катодного выхода по току олова с 89 до 54 % (рис. 2). Это обусловлено тем, что при смещении потенциала импульса в область более отрицательных значений наблюдается перераспределение тока, пошедшего на электродные процессы, и, в частности, увеличивается доля тока, затраченная на выделение водорода.

Зависимость выхода по току олова (ВТ(Бп) ) от значений потенциала нечетного импульса ( E1 ) достаточно точно (коэффициент корреляции 0,98) описывается следующим уравнением:

ВТ(Бп) = 98,27 +1,896 ^ 1 - е^“2,442'10 3'^

129

Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015

Зависимость скорости процесса формирования покрытий оловом от Е1 проходит через максимум при значении -1200 мВ. Дальнейшее смещение амплитудного значения потенциала нечетного импульса в более отрицательную область приводит к значительному снижению скорости процесса, выхода металла по току, а также способствует формированию темных покрытий. Покрытия наилучшего качества получаются при величине потенциала Е1 -1100 мВ.

Дальнейшие исследования проводили при данном значении потенциала. Изменение потенциала четного импульса от -480 до -550 мВ приводит к увеличению катодного выхода по току от 23 до 79 %, дальнейшее смещение потенциала Е2 до -610 мВ практически не изменяет выход по току (рис. 3), однако качество покрытий оловом ухудшается.

Рис. 3. Зависимость катодного выхода по току олова от значений потенциала четных импульсов

Проведенные исследования позволили определить оптимальные значения потенциалов четных и нечетных импульсов (Е1 =-1100 мВ, Е2 =-550 мВ), при которых из электролита, состав которого приведен в патенте, наблюдается формирование качественных покрытий оловом с выходом по току 70-80 % и скоростью 27-30 мкм/ч.

Как известно [1], при проведении процесса с использованием переменного тока часть тока затрачивается на нефарадеевские процессы (перезарядка двойного электриче-

130

Актуальные вопросы естествознания

ского слоя). Для определения доли тока, затраченной на данные процессы, нами был проведен эксперимент, в котором параллельно гальванической ванне подключались конденсаторы различной емкости. Режим питания ванны - гальваностатические импульсы прямоугольной формы. Зависимость выхода по току олова от емкости дополнительных конденсаторов приведена на рис. 4.

Из представленной зависимости видно, что в диапазоне частот до 250 Гц доля тока, затраченная на нефарадеевские процессы, незначительна и составляет единицы процентов, причем с увеличением частоты доля тока, затраченного на перезарядку двойного электрического слоя, увеличивается. Учитывая, что в описанном эксперименте частота не превышала 5 Гц, можно сделать вывод о том, что в расчете катодного выхода по току можно использовать значения общего количества электричества без учета доли тока, пошедшего на перезарядку ДЭС.

Рис. 4. Зависимость катодного выхода по току олова от емкости дополнительных конденсаторов при различных частотах: 1 - 50 Гц, 2 - 100 Гц, 3 - 250 Гц

Следует обратить внимание на тот факт, что если при поляризации рабочего электрода часть времени ток протекает в анодном направлении (реверсированный режим), то в электролите наблюдается выпадение осадка. Следовательно, лактатный электролит на основе четырехвалентного олова может работать только в униполярном режиме импульсного электролиза.

Таким образом, в ходе настоящего исследования установлено, что потенциостати-ческий режим импульсного электролиза позволяет значительно увеличить скорость процесса формирования гальванических покрытий оловом, что подтверждается проведенными ранее экспериментальными данными [7].

Список литературы

1. Костин, Н. А. Импульсный электролиз / Н. А. Костин, В. С. Кублановский, В. А. Заблудовский. -Киев : Наук. думка, 1989. - 168 с.

2. Костин, Н. А. Импульсный электролиз сплавов / Н. А. Костин, В. С. Кублановский. - Киев : Наук. думка, 1996. - 203 с.

3. Комплексные электролиты в гальванотехнике / Б. А. Пурин, В. А. Цера, Э. А. Озола, И. А. Ви-тиня. - Рига : Лиесма, 1978.

4. ГОСТ 9.305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий. - М. : Госстандарт, 1988. - 183 с.

5. Патент РФ № 2341592. Способ нанесения гальванического покрытия оловом / Перелыгин Ю. П., Киреев С. Ю., Киреев А. Ю. - 2008, Бюл. № 35.

131

Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015

6. Перелыгин, Ю. П. Электроосаждение олова из кислого лактатного электролита на постоянном электрическом токе / Ю. П. Перелыгин, С. Ю. Киреев, А. Ю. Киреев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 6. - С. 131-134.

7. Потенциостатический режим импульсного электролиза как возможность интенсификации процесса электроосаждения цинка / С. Ю. Киреев, С. Н. Киреева, Д. Ю. Власов, Л. И. Панюшкина // Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении. - Пенза, 2012. - С. 32-34.

Выпирайло Сергей Юрьевич студент, Пензенский государственный университет E-mail: lost1809@yandex.ru Vypiraylo Sergey Yur'evich student, Penza State University

Киреева Светлана Николаевна кандидат технических наук, доцент, кафедра химии, Пензенский государственный университет E-mail: sergey58 79@mail.ru Kireeva Svetlana Nikolaevna candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of chemistry, Penza State University

Киреев Сергей Юрьевич кандидат технических наук, доцент, кафедра химии, Пензенский государственный университет E-mail: sergey58 79@mail.ru Kireev Sergey Yur'evich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of chemistry, Penza State University

УДК 544.654.2 Выпирайло, Д. А.

Электрохимическое осаждение покрытий оловом с использованием импульсного электролиза /

Д. А. Выпирайло, С. Н. Киреева, С. Ю. Киреев // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. -№ 3 (11). - C. 128-132.