Elektrokeemiline katmine

Elektrokeemilise katmise masin PCB-de katmiseks vasega

Elektrokeemiline katmine ehk elektrosadestamine on protsess, milles kasutatakse lahustunud metalli katioonide redutseerimiseks elektrivoolu ja mille tagajärjel moodustub elektroodile koherentne metalli kiht. Elektrokeemilist katmist kasutatakse ka anioonide oksüdeerimiseks substraadile (aluskihile), näiteks hõbe-/hõbekloriidelektroodide valmistamisel hõbetraadile hõbekloriidikihi tekitamiseks. Elektrokeemilist katmist kasutatakse peamiselt objekti pinnaomaduste muutmiseks (näiteks kulumiskindluse suurendamiseks), samuti korrosioonitõrjeks ning liikuvate osade määrdeks. Selle protsessiga võib ka liiga väikesi osi paksendada või elektroformeerimise teel objekte luua.

Elektrokeemilises katmises kasutatavat protsessi nimetatakse elektrokeemiliseks sadestamiseks. See on galvaanielemendi vastupidise käitumisega analoog. Elektrokeemiline kate sadestatakse vooluringis olevale katoodile. Ühest küljest käsitletakse anoodi kui metalli, mille lahustatud osakestega katood kaetakse. Mõlemad komponendid on sukeldatud lahusesse, mida nimetatakse elektrolüüdiks, mis sisaldab nii soolalahuses olevaid ioone kui ka muid ioone, mis juhivad elektrit. Vooluallikas rakendab alalisvoolu anoodile, oksüdeerides metalli aatomeid, millest anood koosneb, ja laseb neil anoodist lahusesse eralduda. Katoodi ja lahuse piirpinnal metalli ioonid redutseeritakse ja selle tulemusel katavad nad katoodi aktiivse pinna. Katoodile sadestub nii palju katioone, kui palju anood on neid lahusesse juurde tekitanud. Nõnda hoiab anood elektrolüüdi vannis lahustunud ioonide kogust muutumatuna.

Teisest küljest võib elektrokeemiliseks katmiseks kasutada ka selliseid mittekuluvaid anoode nagu plii või süsinik. Sel juhul on vaja lahust aeg-ajalt küllastada sadestatava metalli ioonidega, kuna nende kontsentratsioon aja jooksul väheneb. Kõige enam kasutatakse elektrokeemilist pinnakatmist müntide, näiteks vasega kaetud tsinkplaatide valmistamiseks.

Protsess

Metalli elektrokeemiline katmine vasega vase ioone sisaldavas sulfaadi vannis

Katioonid seostuvad lahuses anioonidega. Need katioonid redutseeritakse katoodile sadestamiseks metalsesse null-valentsolekusse. Näiteks oksüdeeritakse vase aatomid happelahuses anoodil Cu²⁺, võttes talt ära kaks elektroni. Cu²⁺ seostub SO₄^2- lahuses aniooniga, moodustades vask(II)sulfaadi. Katoodil reduteseeritakse Cu²⁺ metalseks vaseks, andes talle kaks elektroni juurde. Tulemuseks on efektiivne vase ülekanne anoodilt katoodile. Kate koosneb tavaliselt puhtast metallist, mitte sulamist. Samas on mõnda sulamit, eriti messingut ja jootist võimalik ka elektrokeemiliselt sadestada.

Paljudes vannides kasutatakse sadestatava metalli tsüaniidühendite kõrval ka teiste metallide tsüaniidühendeid, näiteks kaaliumtsüaniidi. Need vabad tsüaniidid toetavad anoodi korrosiooni, hoiavad metalli iooni taset ja soodustavad elektrijuhtivust. Elektrijuhtivuse parandamiseks lisatakse mõnikord ka karbonaate ja fosfaate.

Kui mõnes substraadi piirkonnas katmist ei taheta, kaitstakse see piirkond reaktsiooni pidurdava ainega, et vältida lahusega kokkupuutumist. Tüüpilised reaktsiooni pidurdavad ained on foolium, kleeplint, erinevad lakid ja vahad.

Löök

Löögiks ehk välgatuseks nimetatakse spetsiaalset sadestust, mida kasutatakse väga õhukese (tüüpiliselt vähem kui 0,1 mikromeetri paksuse) substraadil võrdlemisi püsiva kvaliteetse katte saamiseks. Löök kasutab suurt voolutihedust ja madala iooni kontsentratsiooniga lahuse vanni. Mõnikord kasutatakse löögimeetodi asemel tõhusamaid ja kiiremaid meetodeid. Teinekord meetodeid kombineeritakse. Näiteks, kui metalli kaetakse selleks, et korrosiooni eest kaitsta, kasutatakse kõigepealt löögi meetodit. Nii on võimalik originaalis halva adhesiooniga aluspinda järgnevateks katmisteks paremini ette valmistada.

Pulseeriv elektrokeemiline katmine ehk pulseeriv elektrosadestamine (PED)

Pulseeriv elektrokeemiline katmine on lihtne elektrokeemilise katmise protsessi modifikatsioon. See protsess toimub kiiresti muutuva potentsiaali või voolu väärtuse vahel, mille tulemuseks on võrdne amplituud, kestus ja polarisatsioon, mis on eraldatud nullvooluga. Pulsi amplituudi muutmisega on võimalik muuta sadestatud kihi paksust ja kompositsiooni.

Harjaga elektrokeemiline katmine

Harjaga elektrokeemiline katmine kujutab endast protsessi, kus kogu eseme või lähedaste piirkondade katmiseks kasutatakse harja ja kattelahust. Harja näol on tegemist roostevabast terasest kehaga, mida katab katmislahusega immutatud riidest materjal, et kaitsta kaetavat eset harjaga otsekontakti sattumise eest. Hari on ühendatud alalisvoolu madala pingeallika positiivse küljega ja kaetav ese selle negatiivse küljega.

Et kattematerjal jaotuks mööda kaetavat pinda ühtlaselt, hoiab operaator eelnevalt kattelahuses niisutatud harja pidevas liikumises. Harjaga elektrokeemilisel katmisel on mitu eelist: kaasaskantavus, madal maskeerimise vajadus ja võrdlemisi väikse katmislahuse ruumala vajadus. Puudusteks on suurem operaatori sekkumise vajadus (vannis katmist võib teha minimaalse tähelepanuga) ja suutmatus saavutada sama suurt kattekihi paksust kui "löögi" ja pulseeriva elektrokeemilise katmise puhul.

Elektrivaba sadestamine

Elektrokeemiliseks sadestamiseks kasutatakse tavaliselt elektrolüütilist rakku (koosneb kahest elektroodist, elektrolüüdist ja välisest vooluallikast). Elektrivaba sadestamine kasutab aga ainult ühte elektroodi ja ei kasuta välist vooluallikat. Elektrivaba sadestamine peab sisaldama redutseerivat ühendit, mille tulemusel tekib järgmine reaktsioon:

$M^{z+}+Red_{solution}{\stackrel {\text{catalytic surface}}{\Longrightarrow }}M_{solid}+Oxy_{solution}$

Põhimõtteliselt võib kasutada ükskõik millist veepõhist redutseerijat, kuid redutseerija poolraku redokspotentsiaal peab ületama vedelike keemiale omast aktivatsioonienergia barjääri. Elektrivaba nikli sadestamine kasutab hüpofosfiiti redutseerijana, samas kui teiste metallide, näiteks hõbeda, kulla, ja vase puhul kasutatakse madala molekulmassiga aldehüüde.

Selle lähenemise suur eelis on see, et pole vaja jõuallikaid ega ka katmisvanne, mis omakorda muudab tootmise odavamaks. Elektrivaba sadestamist kasutades võib katta eri kuju ja eri tüüpi pindu. Halb külg on see, et katmisprotsess on tavaliselt aeglasem ja kattekiht jääb üsna õhukeseks.

Sadestatava pinna puhtus

Pinna puhtus on elektrokeemilises katmises väga oluline, kuna õli molekulaarkihid võivad tõkestada kattekihi adhesiooni kaetavale esemele. ASTM B322 on standardne juhis selle kohta, kuidas puhastada metalle enne elektrokeemilist katmist. Võimalikud on näiteks solvendiga puhastamine, kuuma aluselise detergendiga puhastamine, elektropuhastamine ja happega puhastamine. Kõige levinum tööstuslik puhtusekontroll on märguvustest, kus pind on põhjalikult loputatud ja seda hoitakse vertikaalselt. Hüdrofoobsed saasteained suruvad vee tilkadesse ja sunnivad seda kiiresti pinnalt eemalduma. Täiuslikult puhtad metallipinnad on hüdrofiilsed, kus vesi on mööda pinda laiali valgunud ega tilgu. ASTM F22 on alternatiivne meetod, kus hüdrofiilseid saasteaineid ei tuvastata, kuid nad on lihtsasti asendatavad, kuna lahused on veepõhised. Pindaktiivsed ained nagu seep vähendavad katse tundlikkust ja need tuleb hoolikalt maha pesta.

Kasutusalad

Elektrokeemiline katmine muudab kaetava pinna keemilisi, füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. Keemiliste omaduste muutumise näiteks võib tuua nikkelkatte võime kaitsta teisi metalle korrosiooni eest. Füüsikaliste omaduste muutumise näiteks on eseme välimuse muutumine. Mehaaniliste omaduste muutumise näiteks on tõmbetugevuse ja pinnakõvaduse muutus, mis on oluline tööriistade valmistamisel.

Elektrokeemilist katmist kasutatakse laialdaselt autotööstuses masinaehituses ja kodutehnika tootmisel. Metallist objektid kaetakse teise metalli õhukese kihiga, et lisada töödeldavale objektile soovitud omadusi. Elektrokeemiline katmine suurendab metalli eluiga ja kaitseb seda korrosiooni eest. Heaks näiteks on autoosade, veekraanide, gaasipõletite ja velgede kroomiga katmine. Elektrokeemilist katmist kasutatakse ka odavate ehete valmistamiseks.

Hulli rakk

Tsingi lahus testitud Hulli rakus

Hulli rakk on katserakk, mida kasutatakse elektrokeemilise katmise vanni kvaliteedi kontrollimiseks. Hulli rakku kasutades saab kindlaks määrata voolutiheduse vahemiku, lisatava aine hulga reaktsioonile vastava kontsentratsiooni hoidmiseks ja reostatuse määra. Hulli rakk imiteerib katmise vanni laboratooriumi skaalal. Rakk täidetakse katmislahuse prooviga, mis on ühenduses alaldiga. Tööpind on asendatud Hulli raku katsepaneeliga, mille abil tuvastatakse vanni seisukord.

Hulli rakk on trapetsikujuline konteiner, kuhu mahub 267 ml lahust. Selline kuju võimaldab asetada katsepaneeli nii, et see oleks anoodi suhtes nurga all. Selle tulemusel toimub sadestisega katmine erinevatel voolutihedustel, mida saab mõõta hulli raku nn joonlauaga. Lahuse ruumala võimaldab lisatava lahuse kontsentratsiooni kvantitatiivselt optimeerida.

Vaata ka

• Moritz Hermann von Jacobi

Kirjandus

• Dufour, Jim (2006). An Introduction to Metallurgy, 5th. Cameron.