8

Тоэ Лекция 10,11

3. Распределение тока и металла на катодной поверхности при

гальваническом осаждении покрытий

3.1. Распределение тока и металла на макропрофиле катода

3.1.1. Общие положения

Качество и свойства электролитических осадков определяются не только структурой, но и равномерностью распределения металла по толщине слоя на поверхности покрываемых изделий. Среднюю толщину электролитических осадков находят из законов Фарадея. В практических условиях на поверхности электрода ток распределяется неравномерно. Особенно неравномерность проявляется при нанесении покрытий на изделия сложной конфигурации. Поэтому фактическая плотность тока и толщина покрытий на различных участках катода различна. На одних она меньше средних значений, на других больше. Это отрицательно сказывается на антикоррозионных, защитных и других свойствах покрытия. На отдельных участках толщина покрытия может быть меньше допустимых значений. В некоторых случаях из-за неравномерного распределения тока вообще не удаётся получить сплошного слоя осадка. Например, при покрытии сложнопрофильных изделий, имеющих небольшие отверстия, углубления и т.д.

Факторы, влияющие на распределение тока, можно разделить на две основные группы.

1. Электрохимические:

   • изменение катодного потенциала в зависимости от плотности тока (поляризуемость);

   • электропроводность раствора;

   • характер зависимости выхода металла по току от плотности тока.

2. Геометрические:

   • размеры и форма электродов и ванн;

   • расположение электродов относительно друг друга, а также стенок электролитической ванны.

Кроме того, на распределение тока и металла в начальный период электролиза могут также оказывать влияние:

• неоднородность состава и структуры поверхности покрываемого металла;

• характер её предварительной обработки

• ряд других случайных факторов.

Все эти факторы действуют взаимосвязано.

3.1.2. Рассеивающая и кроющая способность электролита. Первичное и вторичное распределение тока

Для оценки равномерности распределения тока и металла на поверхности катодов существует термин рассеивающая способность. Термин впервые предложен Херингом и Блюмом.

Рассеивающую способность электролита характеризует степень перераспределения тока и металла на поверхности катода в сторону бóльшей их равномерности.

Это связано с тем, что фактическое (вторичное) распределение тока всегда отличается от первичного. Вторичное распределение тока зависит от состава электролита и режима электролиза. Первичное распределение тока обусловлено только соотношением геометрических параметров.

Первичным распределением тока называется такое распределение, которое определяется только размерами электродов и расстоянием между ними в электролите.

Такое распределение возможно:

• при отсутствии катодной (анодной) поляризации;

• при одинаковой поляризации на различных участках электрода.

Электролитическое выделение металла сопровождается изменениями катодного потенциала во время процесса. Эти изменения происходят в соответствии с господствующей на отдельных участках покрываемых изделий плотностью тока. Поэтому первичное распределение тока практически невозможно при протекании процесса нанесения покрытия. С точки зрения равномерности толщины осадка оно наименее желательно.

Вторичным распределением тока называется фактическое распределение тока, которое также зависит от состава электролита и режима процесса.

Вторичное распределение тока в любом электролите в подавляющем большинстве случаев более равномерно, чем первичное.

Распределение металла зависит от вторичного распределения тока и характера изменения выхода по току с изменением плотности тока. Оно равно произведению вторичного распределения тока на отношение величин выходов по току при различных плотностях тока.

Для анодных процессов используют величину обратную рассеивающей способности – локализующую способность.

Помимо рассеивающей способности различают кроющую способность. Под кроющей способностью понимается способность электролита давать покрытия, сплошь или частично закрывающие рельефную поверхность детали без учёта толщины слоя.

Рассеивающая способность даёт представление о количественном распределении металла на катодной поверхности. Кроющая способность даёт представление о наличии или отсутствии покрытия на различных участках изделий безотносительно к толщине покрытия.

3.1.3. Природа рассеивающей способности электролитов

и механизм перераспределения тока в них

Появление поляризации электродов вызывает отклонение вторичного, то есть фактического, распределения тока от первичного. Механизм такого действия поляризации на перераспределение тока объясняется при помощи метода «тонкого слоя». Метод рассматривает электродную поляризацию как некоторое дополнительное сопротивление. В этом случае необходимо учитывать общую поляризацию электрода, включая её омическую составляющую. Это поляризационное сопротивление определяется наклоном поляризационных кривых, то есть поляризуемостью α:

R_пол = α = ∂φ ⁄ ∂i

Рассмотрим два катодных участка, находящихся на различном расстоянии от анода. В процессе прохождения тока концентрация ионов непосредственно у катодной поверхности быстро уменьшается. В связи с этим катодный потенциал смещается в сторону электроотрицательных значений. Эта концентрация будет быстрее уменьшаться около того участка катода, где плотность тока больше. Соответственно будет вести себя и потенциал, необходимый для продолжения прохождения тока. Он будет быстрее смещаться на том участке катода, где плотность тока больше. Можно принять, что повышению потенциала на ближайшем участке катода соответствует эквивалентное повышение сопротивления на том же участке. Вследствие этого плотность тока на ближнем участке катода снижается. В результате распределение тока делается более равномерным, чем первичное распределение.