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【簡(jiǎn)介】
倪 娜, 李明明, 冒 麗, 張 寧, 吳華強(qiáng)
(安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,安徽蕪湖241000)
摘要:以焦磷酸銅和錫酸鈉為主鹽,焦磷酸鹽為配位劑,加入一種自制的銅-錫合金添加劑組成焦磷酸鹽鍍液,通過(guò)赫爾槽實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出最佳鍍液配方和工藝條件,并對(duì)鍍液的分散能力、深鍍能力、陰極電流效率和沉積速率等性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:鍍液的分散能力為98.05 %,深鍍能力為100 %,平均電流效率為86.65 %,平均沉積速率為59.2μm/h。加入添加劑后明顯改善了鍍液的極化性能,提高了銅離子及錫離子的析出電位,得到均勻致密、結(jié)晶細(xì)致、光亮整平的銅-錫合金鍍層。
關(guān)鍵詞:焦磷酸鹽;銅-錫合金;鍍液性能
中圖分類(lèi)號(hào):TQ 153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-4742(2011)04-0009-03
0 前言
電鍍銅-錫合金廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、微電子器件和特殊的電化學(xué)反應(yīng)電極材料。工業(yè)生產(chǎn)銅-錫合金的成本低,且具有優(yōu)良的裝飾性、耐蝕性、硬度及電抗?jié)B移性[1-2]等性能,越來(lái)越受到研究者的重視。傳統(tǒng)的電鍍銅-錫合金工藝為氰化物體系,對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,并且鍍液工作溫度高,生產(chǎn)成本高,能量及材料消耗大,經(jīng)濟(jì)效益差[3]。近年來(lái)我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高,因此檸檬酸鹽、硫酸鹽、酒石酸鹽和焦磷酸鹽電鍍銅-錫合金作為效益型、環(huán)保型的替代物而受到重視[4-6]。焦磷酸鹽銅-錫合金鍍液穩(wěn)定,易于控制,陰極電流效率高,沉積速率快[7],所獲鍍層結(jié)構(gòu)致密,厚度均勻。為了獲得滿(mǎn)意的鍍層,必須選擇適宜的添加劑。以往的添加劑一般都要2種或2種以上配合使用才能達(dá)到分散和光亮作用,為了簡(jiǎn)化鍍液成分,便于鍍液調(diào)控、維護(hù)和管理,本實(shí)驗(yàn)研制出一種既能起光亮和分散作用,又能起穩(wěn)定作用的多功能電鍍銅-錫合金添加劑。本文采用焦磷酸鹽鍍銅-錫合金,在最優(yōu)鍍液配方和電鍍操作條件下,對(duì)含有自制銅-錫合金添加劑的鍍液性能進(jìn)行了研究,分別測(cè)試該鍍液的分散能力、深鍍能力、陰極電流效率和沉積速率,同時(shí)對(duì)鍍液的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,為電鍍銅-錫合金的實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)支持。
1 添加劑的合成及性能
1.1 添加劑的合成
將明膠用水浸泡,再加入苯并三氮唑和苯胺,控制在適當(dāng)溫度下反應(yīng)一段時(shí)間,即變成微紅色溶液。經(jīng)液體紅外分析儀(FTIR-8400S型)和元素分析儀(Vario EL型)測(cè)定,表明該添加劑是胺與三氮唑的縮合物。
1.2 添加劑的性能
電鍍銅-錫合金添加劑為微紅色液體,在15℃時(shí),測(cè)得該添加劑的折光率為1.335 5,比重為1.026 g/cm3,pH值為11.0~12.0。在堿性焦磷酸鹽鍍液中十分穩(wěn)定,無(wú)懸浮物及沉淀物產(chǎn)生。
2 焦磷酸鹽鍍銅-錫合金工藝
2.1 工藝流程
鍍件(鋼鐵片)→堿性除油→水洗→化學(xué)除銹→水洗→浸漬→預(yù)鍍銅→水洗→烘干→鍍銅-錫合金→水洗→烘干
2.2 鍍液配方及工藝條件
采用267 mL輕研-1型赫爾槽進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以確定電鍍銅-錫合金添加劑的質(zhì)量濃度、陰極電流密度、電鍍時(shí)間和操作溫度范圍。采用小槽實(shí)驗(yàn),確定了最優(yōu)鍍液配方和工藝條件:焦磷酸銅10~15 g/L,水合錫酸鈉50~60 g/L,焦磷酸鉀230~260 g/L,酒石酸鉀鈉30~35 g/L,硝酸鉀40~45 g/L,添加劑0.025~0.040 g/L,陰極移動(dòng)20~30次/min,pH值11~12,2.0~3.0 A/dm2,20~50℃,5~10 min。
該鍍液無(wú)毒,成分簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,易于操作,加入自制的銅-錫合金添加劑能有效地增大陰極極化,鍍液的分散能力和深鍍能力都得到提高;工藝溫度范圍變寬,陰極電流密度范圍變大,沉積速率加快。經(jīng)小槽電鍍所得銅-錫合金鍍層外觀結(jié)晶細(xì)致、致密無(wú)孔、光亮平整。
3 鍍液性能的測(cè)試
3.1 鍍液的分散能力
采用遠(yuǎn)、近陰極法,使用遠(yuǎn)、近陰極梯形槽,在室溫(20℃)下,每升鍍液中加1.2 mL添加劑,用鋼鐵片電鍍10 min,將所得數(shù)據(jù)代入式(1)求算鍍液的分散能力(Tp):
式中:M1,M2分別為近、遠(yuǎn)陰極上所得鍍層的質(zhì)量;K為遠(yuǎn)、近陰極與陽(yáng)極之間的距離比,本實(shí)驗(yàn)中取K=6。
由測(cè)試結(jié)果可知:鍍液的分散能力好,隨著電流密度的增加,分散能力降低,平均值為98.05 %。
3.2 鍍液的深鍍能力
采用內(nèi)孔法,用一空心紫銅管做陰極,內(nèi)徑為5mm,長(zhǎng)度為50 mm,將圓管水平掛入實(shí)驗(yàn)槽中,管口正對(duì)陽(yáng)極,在溫度為20℃,陰極電流密度為2~3A/dm2的條件下,電鍍10 min;切開(kāi)紫銅管,測(cè)得內(nèi)孔上的鍍層長(zhǎng)度為50 mm,表明鍍液的深鍍能力達(dá)100 %。
3.3 陰極電流效率和沉積速率
本實(shí)驗(yàn)采用恒電流計(jì)時(shí)法測(cè)定陰極電流效率和沉積速率,使用DDC-2型電鍍參數(shù)測(cè)試儀,在焦磷酸鹽鍍液中加入1.2 mL自制的銅-錫合金添加劑,以面積為1.0 cm2鋼鐵片作陰極,電鍍10 min,獲得銅-錫合金鍍層;然后在相同的電流密度下,在鹽酸的質(zhì)量濃度為173 g/L的電解液中進(jìn)行電解;當(dāng)電解完畢時(shí),電流有明顯突變。根據(jù)式(2)計(jì)算陰極電流效率:
式中:t0為電鍍時(shí)間,t1為電解時(shí)間。
根據(jù)式(3)計(jì)算沉積速率:
式中:VC為沉積速率;K為銅-錫合金的電化當(dāng)量(2.07 g·A-1·h-1,按銅、錫比1∶6計(jì)算);I1為陽(yáng)極溶解時(shí)的電流強(qiáng)度;d為銅-錫合金的密度,計(jì)算時(shí)取7.53 g·dm-3;s為試樣面積。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:隨著電流密度的增加,電流效率降低,平均可達(dá)86.65 %;隨著電流密度的增加,沉積速率變快,其平均值為59.2μm/h。
3.4 鍍液的穩(wěn)定性
采用自然氧化法測(cè)試加入自制銅-錫合金添加劑后鍍液的穩(wěn)定性。其實(shí)驗(yàn)步驟為取2份相同體積、相同工藝組成的焦磷酸鹽鍍液,向其中1份加入自制的添加劑,在室溫下敞開(kāi)放置。結(jié)果發(fā)現(xiàn):未加入添加劑的鍍液1周后變黃,并有沉淀物出現(xiàn);而加入添加劑的鍍液放置1個(gè)月后,溶液仍未變色,也無(wú)沉淀物出現(xiàn),鍍液清澈,這表明該添加劑能顯著提高鍍液的穩(wěn)定性。
4 結(jié)論
(1)加入自制添加劑的焦磷酸鹽銅-錫合金鍍液,工藝溫度范圍較大,陰極電流密度范圍變大,沉積速率加快,便于工業(yè)操作。
(2)自制銅-錫合金添加劑能同時(shí)起到光亮、分散和整平的作用,簡(jiǎn)化了鍍液成分,易于調(diào)控和管理,鍍液成本低,廢水易處理。
(3)鍍液的分散能力為98.05 %,深鍍能力為100 %,平均電流效率為86.65 %,平均沉積速率為59.2μm/h,鍍液穩(wěn)定性好。
(4)獲得的銅-錫合金鍍層表面結(jié)構(gòu)致密,結(jié)合力強(qiáng),光澤度好。
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