Ứng dụng dòng xung trong công nghệ mạ đồng tạo hình điện hóa

Tóm tắt: Công nghệ tạo hình điện hóa dùng để chế tạo những chi tiết có hình

dạng phức tạp. Lớp mạ đồng trong công nghệ tạo hình điện hóa yêu cầu chiều dày

lớn (thường ≥ 2 mm) nên cần nghiên cứu công nghệ mạ đồng có tốc độ cao, ứng

suất thấp. Bên cạnh nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện công nghệ khi mạ dòng 1

chiều còn có thể tăng tốc độ mạ đồng bằng cách sử dụng dòng xung. Bài báo trình

bày kết quả nghiên cứu mạ đồng bằng dòng xung vuông có đảo chiều trên 02 loại

dung dịch mạ: dung dịch axít có thành phần CuSO4.5H2O 280 g/L, H2SO4 70 g/L và

dung dịch floborát có thành phần Cu(BF4)2 230 g/L, H3BO3 15 g/L, HBF4 10 g/L.

Kết quả cho thấy có thể mạ đồng bằng dòng xung với mật độ dòng 15 ÷ 20 A/dm2,

giúp tăng tốc độ mạ lên đến 140 ÷ 252 µm/h, lớp mạ có ứng suất thấp.

pdf5 trang | Chuyên mục: Khoa Học Vật Liệu | Chia sẻ: yen2110 | Lượt xem: 213 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt nội dung Ứng dụng dòng xung trong công nghệ mạ đồng tạo hình điện hóa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
, kỹ thuật sử dụng 
Sơ đồ dạng xung vuông có đảo chiều và các thông số xung được trình bày trong hình 1. 
Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
N. H. Giang, P. T. Phượng, M. V. Phước, “Ứng dụng dòng xung  tạo hình điện hóa.” 86 
Hình 1. Sơ đồ dạng xung vuông có đảo chiều. 
T: Độ rộng của xung catốt (thời gian tồn tại của xung catốt); T’: Thời gian tồn tại xung 
anốt. 
 = T + T’: Độ dài của chu kỳ xung; ic: Mật độ dòng catốt; ia: Mật độ dòng anốt. 
Các thông số chính quá trình mạ xung vuông có đảo chiều là β = ia/ic (tỷ lệ giữa mật độ 
dòng anốt và catốt); α = T'/T (tỷ lệ thời gian xung anốt và thời gian xung catốt); f = 1/θ 
(tần số của dòng xung). 
Xác định chiều dày lớp mạ, tốc độ mạ bằng thước panme. Anốt được chế tạo từ đồng 
đỏ (Hàn quốc), catốt là đồng tấm dày 0,1 mm có kích thước 10x50 mm và được phủ cách 
điện 1 mặt. 
Đo ứng suất lớp mạ bằng thực nghiệm và so sánh với ứng suất lớp mạ niken có cùng 
chiều dày (mạ trong dung dịch Watt). Mẫu là tấm đồng phẳng dày 0,1 mm kích thước 
100x10 mm được phủ cách điện 1 mặt. Khi mạ đo ứng suất, tấm kim loại sẽ bị cong so với 
vị trí ban đầu một khoảng cách a. Đo khoảng cách a tương ứng với các chế độ mạ khác nhau. 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Ảnh hưởng của dòng xung vuông có đảo chiều đến tốc độ mạ 
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của β và α đến tốc độ mạ được đưa ra trên bảng 1 và 
bảng 2. 
Bảng 1. Ảnh hưởng của hệ số β đến tốc độ mạ: Dung dịch CuSO4.5H2O 280 g/L, H2SO4 70 
g/L, α = 0,1; τ = 60 phút, T = 25oC tại các mật độ dòng catốt khác nhau có khuấy trộn. 
TT ic, A/dm
2 ia A/dm
2 β d, µm/h Bề mặt lớp mạ 
1 8 1 
2 
4 
6 
8 
0,125 
0,25 
0,50 
0,75 
1,00 
82 
78 
76 
72 
70 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
2 10 1 
2 
4 
6 
8 
10 
0,10 
0,20 
0,40 
0,60 
0,80 
1,00 
- 
100 
92 
86 
84 
81 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
3 12 2,4 
4,8 
6 
12 
0,20 
0,40 
0,50 
1,00 
- 
112 
108 
103 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 87
4 15 3 
4,5 
6 
9 
15 
0,20 
0,30 
0,40 
0,60 
1,00 
- 
- 
141 
138 
132 
Thô 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
5 20 8 
10 
20 
0,40 
0,50 
1,00 
- 
- 
- 
Thô, có gai 
Thô 
Thô 
6 7 Mạ bằng dòng 1 chiều 78 Lớp mạ mịn 
7 8 Mạ bằng dòng 1 chiều - Thô 
Kết quả bảng 1 cho thấy, sử dụng xung đảo chiều có thể mạ ở mật độ dòng cao hơn 
nhiều (đến 15 A/dm2) so với mạ bằng dòng một chiều (ic ≤ 7 A/dm
2), mà vẫn đạt được lớp 
mạ chất lượng. Do trong quá trình đảo chiều, nồng độ chất phản ứng sát bề mặt điện cực 
được hồi phục dẫn đến có thể tăng được dòng giới hạn. Khi α nhỏ bằng 0,1 (thời gian xung 
anốt bằng 1/10 thời gian xung catốt), khi tăng hệ số β, tốc độ mạ giảm do tăng tốc độ hòa 
tan nhưng bề mặt luôn mịn hơn. Tuy nhiên tốc độ mạ giảm chậm hơn so với tốc độ tăng hệ 
số β, thậm chí khi hệ số β = 1 (mật độ dòng anốt bằng mật độ dòng catốt) tốc độ mạ cũng 
không giảm nhiều. Điều đó có thể giải thích: Khi tăng hệ số β, tốc độ hòa tan tăng dẫn đến 
tăng nồng độ Cu2+ sát bề mặt điện cực. Quá trình hòa tan ưu tiên các điểm lồi của lớp mạ 
dẫn đến tốc độ mạ không giảm nhiều và bề mặt mịn hơn. 
Bảng 2. Ảnh hưởng của hệ số α đến tốc độ mạ: Dung dịch CuSO4.5H2O 280 g/L, H2SO4 
70 g/L, itb = 15 A/dm
2
, τ = 60 phút, T
 = 25oC, có khuấy trộn. 
TT β α d, µm/h Bề mặt lớp mạ 
1 0,1 0,1 
0,2 
0,3 
0,4 
- 
- 
121 
114 
Thô, có gai 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
2 0,2 0,1 
0,2 
0,3 
0,4 
- 
- 
110 
100 
Thô 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
3 0,3 0,1 
0,2 
0,3 
0,4 
- 
125 
108 
96 
Thô 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
4 0,4 0,1 
0,2 
0,3 
0,4 
141 
123 
104 
92 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Kết quả trên bảng 2 cho thấy hệ số α có ảnh hưởng nhiều đến tốc độ mạ. Với cùng hệ 
số β, khi tăng hệ số α, tốc độ mạ giảm dần do thời gian hòa tan tăng lên. Số liệu thực 
nghiệm cho thấy hệ số α có ảnh hưởng đến tốc độ mạ lớn hơn hệ số β. Khi tăng α tốc độ 
mạ giảm nhanh. Hiện tượng này có thể do khi α nhỏ, quá trình hòa tan chủ yếu các điểm 
lồi. Khi α lớn, sau khi các điểm lồi của lớp mạ đã được ưu tiên hòa tan, bề mặt sẽ hòa tan 
đều dẫn đến hiệu suất hòa tan tăng lên. Điều này càng thể hiện rõ ở hệ số β lớn. 
Ở cùng hệ số β, khi α tăng tốc độ mạ giảm, bề mặt lớp mạ cũng bị ảnh hưởng. Ở hệ số 
β nhỏ, bề mặt lớp mạ chỉ mịn khi hệ số α cao. Khi β = 0,3 ÷ 0,4, có thể mạ ở hệ số α nhỏ 
Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
N. H. Giang, P. T. Phượng, M. V. Phước, “Ứng dụng dòng xung  tạo hình điện hóa.” 88 
(0,1 ÷ 0,2). Lớp mạ mịn với tốc độ mạ đạt cao nhất đạt 141 µm/h khi mạ ở itb = 15 A/dm
2, 
β = 0,4, α = 0,1. 
3.2. Ảnh hưởng của chế độ mạ đến ứng suất lớp mạ 
Bảng 3 đưa ra kết quả xác định ứng suất của lớp mạ đồng trong dung dịch 
CuSO4.5H2O 280 g/L; H2SO4 70 g/L ở nhiệt độ thường với các chế độ công nghệ khác nhau và 
ứng suất lớp mạ niken mạ trong dung dịch NiSO4 250 g/L, NiCl2 50 g/L, H3BO3 30 g/L. Lớp 
mạ có cùng chiều dày 20 µm (tính trung bình tốc độ mạ 10 µm/A.h). 
Bảng 3. Ảnh hưởng của chế độ mạ đến ứng suất: Dung dịch CuSO4.5H2O 280 g/L, 
H2SO4 70 g/L, mạ xung vuông có đảo chiều, β = 0,4, α = 0,1; T = 25
oC, có khuấy trộn. 
TT itb A/dm
2 τ, phút 
a, mm 
(Lớp mạ Đồng) 
a, mm 
(Lớp mạ Niken) 
1 
2 
3 
4 
10 
15 
30 
12 
10 
1,50 
2,00 
2,00 
3,50 
5,00 
- 
Kết quả bảng 3 cho thấy: Ở cùng một chiều dày, ứng suất lớp mạ đồng tăng khi tăng mật 
độ dòng xung nhưng mức độ tăng không lớn. Trong khoảng mật độ dòng xung 4 ÷ 15 A/dm2 
khoảng cách a chỉ tăng từ 1,5 ÷ 2,0 mm trong khi đối với lớp mạ niken là từ 3,5 ÷ 5 mm. 
3.3. Mạ đồng trong dung dịch floborát 
Nhiều nghiên cứu [1, 4] cho thấy trong dung dịch floborát có thể mạ đồng ở mật độ 
dòng xung cao (tốc độ cao). Dung dịch này ít được sử dụng do độc hại, dễ bay hơi và 
không thân thiện môi trường. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong dung dịch chứa 
Cu(BF4)2 230 g/L, HBF4 10 g/L, H3BO3 15 g/L ở nhiệt độ thường, thời gian mạ 30 phút 
(chiều dày d1) được đưa ra trên bảng 4. 
Kết quả bảng 4 chỉ ra rằng, có thể mạ đồng trong dung dịch floborát với mật độ dòng 
đến 25 A/dm2, tốc độ mạ đạt 252 µm/h. Ứng suất lớp mạ tương đương khi mạ trong dung 
dịch đồng sunphát (ở cùng mật độ dòng 15 A/dm2). Khi tăng mật độ dòng catốt đến 25 
A/dm2 ứng suất lớp mạ vẫn nhỏ hơn so với lớp mạ niken. 
Bảng 4. Tốc độ mạ đồng trong dung dịch floborát, mạ xung vuông 
có đảo chiều β = 0,4; α = 0,1. 
TT ic, A/dm
2 d1, µm d, µm/h Bề mặt lớp mạ a, mm 
1 
2 
3 
4 
15 
20 
25 
30 
77 
101 
126 
- 
154 
202 
252 
- 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Lớp mạ mịn 
Thô 
2,00 
2,75 
3 
- 
4. KẾT LUẬN 
1. Kỹ thuật mạ sử dụng dòng xung vuông có đảo chiều giúp nâng cao tốc độ mạ, giảm 
ứng suất lớp mạ đồng từ dung dịch mạ đồng axít. Hệ số α, β làm giảm tốc độ mạ, ảnh 
hưởng đến chất lượng bề mặt lớp mạ. Chế độ mạ tối ưu khi β = 0,4; α = 0,1; ic = 15 
A/dm2 cho lớp mạ mịn với tốc độ mạ đạt tới 141 µm/h. 
2. Mạ đồng trong dung dịch floborát bằng xung vuông có đảo chiều ở β = 0,4; α = 
0,1; ic = 25 A/dm
2 tốc độ mạ đạt 252 µm/h, ứng suất lớp mạ tương đương khi mạ trong 
dung dịch đồng sunphát. 
 Kết quả nghiên cứu cho phép lựa chọn dung dịch, chế độ mạ, kỹ thuật mạ thích hợp để 
chế tạo các sản phẩm có chiều dày lớn, ứng suất thấp bằng công nghệ tạo hình điện hóa 
phục vụ các mục đích đặc biệt. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 89
Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Đề tài “Nghiên cứu công 
nghệ tạo hình điện hóa chính xác cao ứng dụng chế tạo ống truyền sóng có hình dạng 
phức tạp trong đầu tự dẫn U502 tên lửa Kh-35E”. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Văn Lộc, “Mạ điện” NXB Giáo dục, 2005, 127-128. 
[2]. Dennis Tench and John White, “Cyclic Pulse Voltammetric Stripping Analysis of 
Acid Copper Plating Baths,” J. Electrochem. Soc. 132 (1985) 831-834. 
[3]. Barbieri et al, “High speed copperelectroplating process and bath therefor”, US 
Patent Number 4,555,315, (1985). 
[4]. Pulse reverse electrolysis of acidic copper electroplating solutions, United States 
Patent Application 20040074775. 
[5]. T. Pearson, J.K. Dennis, “The effects of pulsed reverse current on the polarization 
behavior of acid copper plating solutions containing organic additives,” Journal of 
applied electrochemistry 20 (1990) 196-208. 
[6]. Nebojša D.Nikolić, GoranBranković, “Effect of parameters of square-wave pulsating 
current on copper electrodeposition in the hydrogen co-deposition range”, 
Electrochemistry Communications, 12 (2010) 740-744. 
ABSTRACT 
APPLICATIONS CURRENT PULSE IN ELECTROPLATED COPPER 
FOR ELECTROCHEMICAL FORMINGPLATING TECHNOLOGY 
Electrochemical formingplating technology is used to make complex mold. 
Copper plating in electrochemical formingplating requires large thickness (usually 
≥ 2 mm), so it is necessary to study high-speed, low-stress copper plating. In 
addition to optimizing the technological conditions of direct current plating, it is 
possible to increase the copper plating speed by using pulse current method. This 
paper presents results of research on copper plating of reversed pulses on two types 
of copper-plated solutions: acidic solution containing CuSO4.5H2O 280 g/L, H2SO4 
70 g/L and flobor solution composition of Cu(BF4)2 230 g/L, H3BO3 15 g/L, HBF4 
10 g/L. The results show that it is possible to plating the pulse current with a 
current density of 15 ÷ 20 A/dm2, which increases the plating speed by up to 140 ÷ 
252 μm/h, low stress coating. 
Keywords: Copper plating; High-speed; Pulse current. 
Nhận bài ngày 26 tháng 8 năm 2018 
Hoàn thiện ngày 20 tháng 9 năm 2018 
Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 
Địa chỉ: Viện Hóa học - Vật liệu, Viện KH-CN quân sự. 
 *Email: ngohoanggiangvh@yahoo.com.vn. 

File đính kèm:

  • pdfung_dung_dong_xung_trong_cong_nghe_ma_dong_tao_hinh_dien_hoa.pdf