Контроль содержания фосфора в никелевых покрытиях
Мир Гальваники 02.04.2019
Ответов 1
Просмотров 72

В нашей производственной линии имеется ванна химического никелирования со средним содержанием фосфора (MPEN), а в спецификации указан диапазон 6-9 весовых процентов фосфора (вес.% P) в никелевом покрытии. У нас есть работа, в которой указывается более узкий диапазон 7-8 вес.% P. Обычно мы используем ванну MPEN для восьми циклов металлизации. Как нам гарантировать, чтобы покрытие содержало необходимое количество фосфора в соответствии со спецификацией на протяжении всего срока службы ванны?

Мир Гальваники

 

Химическое осаждение никеля - это электрохимический процесс, при котором соединение, называемое восстановителем, окисляется в присутствии катализатора, в данном случае это сам слой никеля. При окислении освобождаются электроны, которые затем используются для восстановления ионов никеля для формирования покрытия. Характер процесса и тип используемого восстановителя обеспечивают образование сплавов, а не осаждение чистого слоя никеля.

 

Составы для химического никелирования разработаны для получения содержания фосфора в этом сплаве в определенных диапазонах. Они обычно включают четыре типа никелевых покрытий: с высоким содержанием фосфора (более 10,5 вес.%), со средним содержанием фосфора (6-9 вес.%), с содержанием фосфора ниже среднего (3-6 вес.%) и с низким содержанием фосфора (меньше 3 вес.%).

 

Каждый из этих типов покрытий обладает своими функциональными свойствами, например, высокая коррозионная стойкость, высокая износостойкость, пригодность к пайке и твердость. Важно понимать, какие факторы влияют на количество фосфора, соосаждаемого в покрытии. Некоторые из этих факторов можно и нужно контролировать, чтобы обеспечить требуемый состав сплава, а, следовательно, и желаемые свойства покрытия.

 

Кроме прочего, основные факторы включают:

 

  • состав ванны химического никелирования;
  • концентрация основных компонентов (никель и гипофосфит натрия);
  • срок службы раствора (количество циклов металлизации);
  • pH и температура процесса.

 

Состав.

 

Состав электролита химического никелирования может быть единственным фактором, наибольшим образом влияющим на формирование сплава осаждаемого покрытия. Поставщики специально разрабатывают составы электролитов, чтобы обеспечить формирование слоев в соответствии с желаемым составом сплава. Чтобы сделать правильный выбор состава, как для специалиста, так и для поставщика крайне важно понимать особые требования. Далее мы рассмотрим другие факторы, которые напрямую зависят от контроля специалиста по нанесению покрытий.

 

Концентрация основных компонентов.

 

В реакции участвуют два основных реагента, которые обеспечивают осажденную пленку, это ионы никеля и восстановитель. В большинстве электролитов химического никелирования, имеющихся в продаже на сегодняшний день, эти ионы обеспечиваются сульфатом никеля и гипофосфитом натрия. Стандартные концентрации в большинстве доступных на рынке составов составляют 6,0 г/л сульфата никеля и 30,0 г/л гипофосфита натрия. Имеются также составы, которые работают вне этих стандартов, однако, в целом, верно, что, если концентрации в составах поддерживаются на уровне +/-10% от приведенных оптимальных значений, то в покрытии будет содержаться соответствующее количество фосфора. Использование концентрации, которая ниже оптимальной, может снизить скорость реакции (скорость образования покрытия) и привести к соосаждению большего количества фосфора, чем требовалось. В свою очередь, более высокая концентрация может привести к ускорению реакции, что может ограничить соосаждение фосфора, и, что более важно, может привести к нестабильности химического состава.

 

Срок службы раствора.

 

Важный побочный продукт окисления гипофосфит-иона - это ортофосфат-ион. По мере использования ванны он накапливается в растворе со скоростью около 24-30 г/л на каждый цикл металлизации (MTO). Поэтому при продолжительном использовании ванны концентрация ортофосфита может оказаться значительной (например, после 8 MTO концентрация ортофосфита будет примерно 240 г/л). Ионы ортофосфита могут быть источником элементарного фосфора для последующего восстановления и включения в покрытие. Таким образом, по мере накопления ортофосфата в растворе увеличивается содержание фосфора в сплаве. Накопление других побочных продуктов и соединений в растворе химического никелирования (таких как ионы натрия, сульфат-ионы и соединения для поддержания растворимости никеля), которые препятствуют диффузии ионов никеля и гипофосфита на каталитической поверхности, может локально снизить концентрацию этих критически важных реагентов. При уменьшении этих локальных концентраций будет снижаться скорость реакции (или скорость осаждения), в результате чего возрастет содержание фосфора в покрытии.

 

Это состояние состава электролита с полностью восстановленным гипофосфитом, этот эффект необходимо компенсировать другими факторами, чтобы избежать отклонений при соосаждении фосфора. Другой метод, позволяющий противодействовать этому явлению, заключается в работе в установившемся режиме (так называемый метод "подпитки и продувки") или с использование специальных ионных мембран для удаления побочных продуктов.

 

pH и температура.

 

pH процесса может оказать существенное влияние как на скорость осаждения, так и на содержание фосфора. Побочными продуктами реакции окисления также являются ионы водорода H+. По мере увеличения количества H+ возрастает pH, что приводит к ускорению реакции и снижению содержания фосфора. Как правило, буферы в составе сдерживают эти колебания pH, однако необходимо также добавлять щелочь (например, гидроксид аммония, карбонат калия или гидроксид натрия) для нейтрализации H+ и смягчения описанного выше эффекта. Например, повышение pH всего на 0,2 может сократить содержание фосфора в составе на 1,0 вес.%.

 

Температура - это основной фактор, влияющий на скорость реакции; с повышением температуры скорость осаждения покрытия увеличивается экспоненциально. Обычно температура в ваннах химического никелирования поддерживается на уровне 85-90°C (185-194°F). В пределах этого рекомендуемого диапазона воздействие на соосаждение фосфора весьма незначительно. Не рекомендуется выходить за рамки этого диапазона, поскольку это может отрицательно повлиять на другие функциональные компоненты электролита химического никелирования.

 

Поскольку требуется, чтобы состав электролита химического никелирования обеспечивал содержание фосфора в диапазоне 7-8 вес.% на протяжении всего срока службы раствора (8 MTO), и учитывая вышеприведенную информацию, наиболее эффективным способом контроля соосаждения фосфора является постепенное повышение pH процесса. Это позволит повысить скорость осаждения покрытия и предотвратить естественное снижение скорости, связанное с выработкой раствора.

 

Эмброуз Шаффер - технический директор компании Coventya.

www.coventya.com