Лекция 9 Электрохимические покрытия металлами и сплавами. Теоретические основы.

Электрохимические (гальванические) покрытия металлами и сплавами – один из основных видов электрохимических процессов, широко используемых в машиностроении, приборостроении, ювелирной промышленности, микроэлектронике и др. Области и разновидности использования различных процессов настолько широки и разнообразны, что нет возможности подробно рассмотреть их в одном учебном пособии. Поэтому ниже будут приведены только несколько основных примеров таких процессов – железнение, хромирование и меднение. С технологическими процессами покрытия другими металлами и сплавами можно ознакомиться в специальной литературе.

Вместе с тем, для этих процессов существуют общие особенности, составляющие их теоретическую основу, которая будет рассмотрена ниже.

Два метода нанесения покрытий при электролизе

Все методы нанесения покрытий можно условно разделить на две группы методов: химические и электрохимические. Несмотря на то, что первая группа формально к электрохимическим методам не относится, в основе этих процессов лежат электрохимические реакции, методы управления которыми также можно анализировать в этом разделе.

Рассмотрим семейство из двух поляризационных кривых, представленных на рис. 9.1. Кривая 1 соответствует зависимости скорости восстановления окислителя от потенциала, а кривая 2 – скорости окисления восстановителя. При потенциале =_ст.обе скорости равны друг другу, т.е.:

i_к=i_а(9.1)

Если катодному процессу соответствует процесс восстановления металла, например, по уравнению:

Meⁿ⁺+nMe, (9.а)

а анодному - окисления восстановителя:

RedOx+n, (9.б)

то при условии равенства этих скоростей будет происходить процесс восстановления ионов металла и осаждение его на поверхности подложки (как металлической, так и непроводящей) в виде пленки:

Meⁿ⁺ + Red  Me + Ox (9.в)

Этот процесс будет происходить при потенциале, близком к постоянному и равном =_ст.(рис. 9.1).

Рис. 9.1 Схема, поясняющая химическое осаждение металла

Несмотря на то, что при использовании этого метода необходимость в источнике тока отсутствует, он по существу является электрохимическим, поскольку скорость реакции будет определяться величиной достигаемой плотности тока i_к, которая будет в свою очередь зависеть от скорости электрохимического окисления восстановителя (кривая 2), а, следовательно, от его концентрации, температуры раствора и наличия катализатора.

Необходимым условием осаждения металла на поверхность подложки, а не его выделение в объеме раствора, является создание на ней центров кристаллизации. Для этого поверхность перед покрытием металлом активируется (в частности покрывается специальным раствором активатора).

Преимуществом этого процесса является не только отсутствие необходимости использования дополнительного источника тока, но и возможность осаждения на неметаллические (непроводящие) поверхности, например пластмассы, керамику и т.д.

В случае электрохимических методов осаждения металлов необходимости в восстановителе нет (его роль играет источник тока, а, следовательно, отсутствует кривая 2 рис. 9.1). Осаждение происходит при плотности тока i_к, которую можно достичь только с использованием источника тока, т.е. поляризуя обрабатываемый электрод при постоянном токе (i_к) или (что реже) поддерживая при постоянном потенциале (который в данном случае уже не имеет смысла стационарного). В дальнейшем будут рассматриваться технологические процессы только этой группы методов. Конкретные описания технологий химического (безэлектролизного) нанесения металлических покрытий можно найти в специальной литературе.