Влияние толщины подложки на внутренние напряжения в никелевых покрытиях, полученных из ацетатно-хлоридных электролитов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 3 октября, печатный экземпляр отправим 7 октября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №34 (324) август 2020 г.

Дата публикации: 24.08.2020

Статья просмотрена: 1 раз

Библиографическое описание:

Ивчин, Д. С. Влияние толщины подложки на внутренние напряжения в никелевых покрытиях, полученных из ацетатно-хлоридных электролитов / Д. С. Ивчин, Т. С. Фомин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 34 (324). — С. 6-9. — URL: https://moluch.ru/archive/324/73299/ (дата обращения: 19.09.2020).



В статье авторы изучают внутренние напряжения в никелевых покрытиях, которые наносятся на подложку разной толщины.

Ключевые слова: внутренние напряжения, никелевые покрытия, ацетатно-хлоридный электролит.

Многим предприятиям необходимо получить толстый слой никеля 200–250 мкм. Такие осадки должны обладать хорошими физико-механическими свойствами. Одними из таких свойств являются внутренние напряжения.

Изучение внутренних напряжений вносит особый вклад, так как оно влияет на качество осаждаемого металла, что является самым важным в гальванике. Внутренние напряжения могут приводить либо к растрескиванию покрытия, либо к его вспучиванию. Если возникают внутренние напряжения растяжения — покрытие растрескивается, а если сжатия — может отслаивается и вспучиваться, образуя пузыри. В осаждаемом никеле обычно возникают внутренние напряжения растяжения. Покрытия с высокими внутренними напряжениями обладают меньшей пластичностью и повышенной хрупкостью. Также понижаются коррозионная стойкость и прочность сцепления [1].

Некоторые утверждают, что с ростом толщины покрытия происходит укрупнение структуры, что ведёт к уменьшению внутренних напряжений растяжения. Другие авторы [2] считают, что напряжения никелевых осадков с ростом толщины покрытия не меняются. Если в электролит никелирования добавить органические добавки, то зависимость внутренних напряжений от толщины будет иметь сложный характер.

Согласно данным [3] с ростом плотности тока напряжения никелевых осадков растут. При разной толщине осадка наблюдается различная зависимость между напряжениями и плотностью тока.

Внутренние напряжения осадков никеля во время электролиза определяли методом деформации гибкого катода во время электролиза. Наблюдения за отклонением нижнего или верхнего конца катода в зависимости от способа крепления производится с помощью микроскопа марки Мир 2. Отклонение конца катода отсчитывалось по условным делениям (1 деление = 0,00625 см) окуляра микроскопа (отсчет был от деления в 5 условных единиц). В качестве катода использовалась медная фольга толщиной 0,22 мм, рабочая поверхность 57×8 мм, что соответствует 0,0456 дм 2 . Толщину фольги измеряли с помощью микрометра МК 0–25 мм. Нерабочая поверхность покрывалась цапон лаком. Непокрытой оставалась лишь рабочая поверхность, которая была параллельна аноду, и токоподвод. Образец покрывался два раза для предотвращения диффузии Ni + через лак.

Время электролиза регистрировали с помощью секундомера.

Для удобства наблюдения за отклонением катода на образцы с помощью лака наклеивались волоски длиной 3 мм. Перед опытом образцы подвергались следующей обработке:

– Обезжиривание венской известью (CaO+MgO) при помощи щётки

– Промывка проточной водой

– Активирование в 10 %-й H 2 SO 4

– Промывка проточной, а затем дистиллированной водой.

При измерении внутренних напряжений применяли электролизёр из оргстекла (ёмкостью 0,3л), оснащённый термостатической рубашкой (температура 50 0 С). Температура в рубашке поддерживалась с помощью термостата марки LTTWC/11.

Анодом служили никелевые пластины размером 80×5×0,5 мм. Отклонению катода в сторону анода придаётся знак (+) — это напряжение растяжения, т. е. осадок стремится к сжатию, а подложка растягивает его. Отклонению от анода придаётся знак (-) –это напряжение сжатия.

Образцы закрепляются так, чтобы точка его опоры находилась у края рабочей поверхности и была погружена в электролит. Для этого на крышке электролизера предусмотрен специальный выступ.

Рассчитываем внутренние напряжения по формуле:

(1)

где: внутренние напряжения;

модуль Юнга, 1.2 10 6 ;

толщина подложки, см;

толщина осадка, см;

радиус кривизны катода, см.

Радиус кривизны катода рассчитывается по формуле:

(2),

где длина образца (рабочая часть), см; смещение катода, см

На рис. 1 приведена схема ячейки для измерения внутренних напряжений. Из вида сверху видно, что термостатическая рубашка находится по бокам и сзади, а спереди её нет, чтобы лучше наблюдать через микроскоп за отклонением катода.

Схема ячейки для измерения внутренних напряжений: а) главный вид; б) вид сверху

Рис. 1. Схема ячейки для измерения внутренних напряжений: а) главный вид; б) вид сверху

1− токоподвод; 2− опора для катода; 3− катод; 4− волосок длиной 3мм; 5− электролит; 6− циркуляция воды от термостата по рубашке; 7− крышка; 8− анод; 9− корпус ячейки; 10− термостатическая рубашка

Первый опыт проводился в электролите состава: Ni(CH 3 COO) 2 ·4H 2 O (0,175 моль/л), NiCl 2 ·6H 2 O (0,3 моль/л), MgCl 2 ·6H 2 O (0,2 моль/л), pH=4,5.

Плотность никеля составляет 8,907 г/см 3 , электрохимический эквивалент =1,1 г/(А·ч), ВТ= 95 %. Зная площадь катода, которая составляет 4,56 см 2 , можем рассчитать силу тока, при котором будем проводить опыт. I= i k ·S = 5·0,0456 = 0,228 А.

В результате проведённых опытов были получены следующие результаты (таблица 1).

Таблица 1

Время,

мин

Толщина,

мкм

Отклонение катода, в условных единицах

Внутренние напряжения,

кг/см 2

1,02

1

1

27,96

2,03

2

1

14,25

3,05

3

1

9,69

4,07

4

1

7,40

5,08

5

1

6,03

6,10

6

2

10,23

7,11

7

6

26,79

8,13

8

13

51,67

9,15

9

14

50,32

10,17

10

15

49,34

Внутренние напряжения через 5 минут электролиза резко начинают возрастать, что иллюстрирует рис. 2.

График зависимости внутренних напряжений от толщины покрытия (подложка 50 мкм)

Рис. 2. График зависимости внутренних напряжений от толщины покрытия (подложка 50 мкм)

Второй опыт проводился в этом же электролите, но осаждение велось на подложку толщиной 220 мкм. В результате проведённых опытов были получены следующие результаты (таблица 2).

Таблица 2

Время,

мин

Толщина,

мкм

Отклонение катода,

в условных единицах

Внутренние напряжения,

кг/см 2

1,02

1

2

1066,23

2,03

2

5

1338,82

3,05

3

9

1613,82

4,07

4

11

1485,96

5,08

5

14

1519,74

6,10

6

17

1544,66

7,11

7

19

1486,31

8,13

8

22

1512,50

9,15

9

24

1473,10

10,17

10

26

1442,54

При более толстых подложках наблюдается сложная зависимость внутренних напряжений от толщины покрытия (рис. 3).

График зависимости внутренних напряжений от толщины покрытия (подложка 220 мкм)

Рис. 3. График зависимости внутренних напряжений от толщины покрытия (подложка 220 мкм)

Вывод : Исследуя ацетатно-хлоридный электролит, можно сказать, что при нанесении никелевого покрытия на подложку 50 мкм внутренние напряжения в несколько раз меньше, чем при нанесении на подложку 220 мкм. Это может быть связанно с растрескиванием менее толстой подложки.

Для подложки 50 мкм наблюдаются внутренние напряжения растяжения: при нанесении 1мкм никеля 27,96 кг/см 2 , а при 10 мкм 49,34 кг/см 2 . Для подложки 220 мкм наблюдаются внутренние напряжения растяжения: при нанесении 1 мкм никеля 1066,23 кг/см 2 , а при 10 мкм 1442,54 кг/см 2 .

Литература:

  1. М. Я. Поперека. Внутренние напряжения электролитически осаждаемых металлов. — Новосибирск: Изд. Западно-Сибирское, 1966. — 335с.
  2. А. Г. Самарцев, Ю. В. Лызлов. Внутренние напряжения в электролитических осадках никеля. — Киев; Одесса, 1956.- 12 с.
  3. М. А. Шлугер. В сб. Теория и практика электролитического хромирования, М., Изд. АН СССР. 1957.-147 с.
Основные термины (генерируются автоматически): напряжение, внутреннее напряжение растяжения, отклонение катода, время электролиза, рабочая поверхность, термостатическая рубашка, толщина покрытия, COO, LTTWC, ацетатно-хлоридный электролит.


Ключевые слова

внутренние напряжения, никелевые покрытия, ацетатно-хлоридный электролит
Задать вопрос