鋼鐵基體上EDTA弱酸性預鍍銅工藝

劉存海， 羅 媛

（陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021）

鋼鐵基體上EDTA弱酸性預鍍銅工藝

劉存海， 羅 媛

（陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021）

以CuSO4·5H2O為主鹽，以EDTA為配體，在鑄鐵基體表面電鍍銅。確定了鍍銅液的基本組成為：CuSO4·5H2O 15g/L，EDTA 25g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L，硫脲0.2mg/L，丙三醇2mL/L，O-20（脂肪醇聚氧乙烯醚）0.05g/L。選擇了無氰鍍銅的最佳工藝條件為：pH值5.5，電壓3V，時間5～7min，溫度35℃。結果表明：在該工藝條件下制得的鍍銅層光亮、均一，純度高（99.89%），與基體結合緊密，無氫脆現象，具有與氰化物鍍銅相當的質量。

EDTA；電鍍銅；鑄鐵

0 前言

傳統的氰化物鍍銅因具有穩定性好、鍍層與基體的結合力強等優點，在電鍍領域中具有絕對的優勢，曾得到廣泛的應用。然而，氰化物鍍銅對環境造成的極大污染及給操作者帶來的危害，也是不容忽視的。禁止氰化物鍍銅已是大勢所趨。因此，越來越多的研究人員致力于發展新型環保的無氰鍍銅工藝［1－4］。

近年來，研究者們提出了不少無氰鍍銅工藝，如焦磷酸鹽鍍銅、檸檬酸鍍銅、雙配位劑鍍銅、氟硼酸鍍銅、氨基磺酸鍍銅等［5－6］。但是始終沒能很好地解決鍍層與基體的結合力問題，鍍層質量也不能和氰化物鍍銅的相媲美［7－11］。因此，進一步改變鍍液的組成、尋求良好的工藝條件、加強鍍層與基體的結合力、保證鍍液的性能及提高鍍銅層的質量，是研究的目的之所在。本文以CuSO4·5H2O，EDTA為主要的鍍銅原料，在弱酸性條件下研究了鍍銅液的組成和工藝條件，有利于鋼鐵基體的活化，保證了鍍銅層與基體結合良好且鍍液穩定，提高了鍍銅的質量，并且消除了氫脆現象。

1 實驗

1.1 基材及主要試劑

鑄鐵（圓柱體，表面直徑1.3cm，高2.4cm），由陜西科技大學機電學院的機械加工實驗室提供。CuSO4·5H2O，EDTA，Na2B4O7·10H2O，丙三醇，硫脲，O-20（脂肪醇聚氧乙烯醚），以上試劑均為分析純。

1.2 電鍍銅

1.2.1 前處理

除銹（用0.5mol/L的HCl浸泡5min）—→二次水清洗—→砂紙打磨—→拋光—→二次水清洗—→備用

1.2.2 鍍液配方及工藝條件

CuSO4·5H2O 5～30g/L，EDTA 10～40 g/L，Na2B4O7·10H2O 23～47g/L，硫 脲 0.2 mg/L，丙三醇2mL/L，表面活性劑0.05g/L，pH值3.5～7.0，1.5～5.5V，20～45℃，1～9min。

將處理好的鍍件快速準確稱重后，放入蒸餾水中浸泡片刻，取出后立即連接上負極導線；放入配制好的鍍液中，再將正極導線連上包著紗布的碳棒，插入鍍液中，在合適的條件下電鍍一段時間后，鑄鐵鍍件表面就鍍上一層光亮的紅色銅層；取出鍍件，用蒸餾水沖洗干凈后烘干，即為鑄鐵電鍍銅件。

1.2.3 鍍液性能測試

（1）電導率

鍍液的電導率采用上海雷磁儀器廠生產的DDS-11A型數字電導率儀測量。

（2）穩定性

按最佳組成配制1L鍍銅液。將其分成兩份，一份加熱到70～80℃，觀察溶液是否分解，是否能正常進行電鍍，鍍層質量與新配鍍液的進行比較；另一份蓋上蓋子，在室溫下放置兩周，隨后進行電鍍，鍍層質量與新配鍍液的進行比較。

（3）分散能力

用遠近陰極法測定鍍液的分散能力，計算公式如下：

式中：T為分散能力，%；K為遠陰極離陽極的距離與近陰極離陽極的距離之比；m近為近陰極上鍍層的質量，g；m遠為遠陰極上鍍層的質量，g。本實驗中K值取5。

1.2.4 鍍層性能測試

（1）厚度

鍍層厚度采用稱量法測定，計算公式如下：

式中：δ為鍍層厚度，μm；Δm為鍍銅質量，g；ρ為銅的密度，g/cm3；A 為鑄鐵的表面積，cm2。

（2）純度

采用日本Hitachi公司生產的170-30型原子吸收光譜儀測定銅的純度。

（3）表面形貌

采用日本電子公司生產的SM-6390型掃描電鏡分析鍍層的粗糙度、平整性和均一性。

（4）結合力

采用打磨法及加熱驟冷法測試鍍層的結合力。

2 結果與討論

2.1 鍍銅液組成的確定

在溫度40℃，時間4min，pH值6.0，電壓3.5 V的初選工藝條件下，分別調節鍍銅液中CuSO4·5H2O，EDTA和Na2B4O7·10H2O的質量濃度，進行電鍍。以鍍層厚度分別對CuSO4·5H2O，EDTA和Na2B4O7·10H2O的質量濃度作圖，如圖1所示。從圖1中可以看出：當CuSO4·5H2O 15 g/L，EDTA 25g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L時，其鍍層厚度均最大且鍍層平整、光亮。故鍍銅液的最佳組成為：CuSO4·5H2O 15g/L，EDTA 25 g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L。

圖1 各物質的質量濃度對鍍層厚度的影響

2.2 工藝條件對鍍層厚度的影響

按鍍銅液的最佳組成（CuSO4·5H2O 15g/L，EDTA 25g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L）進行電鍍，確定最佳的工藝條件。

2.2.1 pH值的影響

控制電壓3.5V，溫度30℃，在不同的pH值下電鍍4min，測鍍層厚度，結果如圖2所示。由圖2可知：當pH值約為5.5時，鍍層厚度達到最大值，同時外觀也較好；而當pH值大于6時，鍍速變慢，鍍層稍顯粗糙，鍍液中開始產生沉淀。故最佳的pH值為5.5。

圖2 pH值對鍍層厚度的影響

2.2.2 溫度的影響

控制pH值5.5，電壓3.5V，在不同的溫度下電鍍4min，測鍍層厚度，結果如圖3所示。由圖3可知：隨著溫度的升高，鍍層厚度呈上升趨勢；當溫度升至35℃時，鍍層厚度最大；繼續升高溫度，表面開始有微量鍍層脫落。故最佳的溫度為35℃。

2.2.3 時間的影響

圖3 溫度對鍍層厚度的影響

控制pH值5.5，溫度35℃，電壓3.5V，在不同時間下測鍍層厚度，結果如圖4所示。由圖4可知：隨著時間的延長，鍍層厚度呈上升趨勢，尤其是3min之后，鍍層厚度增加明顯；當時間達到5min時，鍍層厚度的增加趨于平緩；7min之后，鍍層厚度的增加更加緩慢；若再延長時間，鍍層開始發黑。故最佳的時間為5～7min。

圖4 時間對鍍層厚度的影響

2.2.4 電壓的影響

控制pH值5.5，溫度35℃，在不同的電壓下電鍍6min，測鍍層厚度，結果如圖5所示。由圖5可知：隨著電壓的上升，鍍層厚度呈現先增后減的趨勢；當電壓為3V時，鍍層厚度達到最大值；若進一步升高電壓，電場力過大，使銅離子的沉積速率遠遠大于其整齊排列的速率，故表面出現了不平整的現象，銅鍍層的質量明顯下降。故最佳的電壓為3V。

圖5 電壓對鍍層厚度的影響

2.3 鍍層厚度

從以上分析中可以看出：鍍層厚度達到了鍍銅的要求，且鍍層表面平整、光潔，不僅可以作預鍍層，也可以作中間層或表面鍍層。

2.4 鍍液的穩定性

將一份溶液加熱到80℃，冷卻后進行電鍍。結果發現：鍍層質量與新配鍍液的一樣。

將另一份溶液加蓋后，在室溫下放置1個月，然后進行電鍍。結果發現：鍍層質量與新配鍍液的一樣。可見，鍍液的穩定性好。

2.5 鍍液的電導率

測得鍍液的電導率為0.479S/m，電導率較小。

2.6 鍍液的分散能力

用遠近陰極法測得鍍液的分散能力為58.3%，說明鍍液的分散能力良好。

2.7 鍍層的純度

將鑄鐵鍍層表面的銅層剝離，用原子吸收法測得其純度為99.89%。

2.8 SEM分析

鍍銅工件的SEM分析結果，如圖6所示。

圖6 鍍銅工件的SEM分析圖

從圖6中可以看出：鍍銅層表面均一、光潔、無凹凸現象，且表面活性劑O-20的加入有效地減輕了氫脆現象，鍍層效果良好。

2.9 鍍層的結合力

將鍍好的鑄鐵用2 400r/min的砂輪打磨其邊沿，磨口處鍍層與鑄鐵基體無脫離現象。

將鍍好的鑄鐵放入300℃的烘箱中加熱20 min，拿出后迅速放入冷水中冷卻。結果未發現鍍層脫落或起泡。以上均說明鍍層與基體結合較好。

3 結論

（1）以CuSO4·5H2O為主鹽，以EDTA為配體的無氰鍍銅工藝，順應了鍍銅工藝的發展趨勢，也有利于保護環境。

（2）鍍銅液的最佳配方為：CuSO4·5H2O 15 g/L，EDTA 25g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L，硫脲0.2mg/L，丙三醇2mL/L，O-20（脂肪醇聚氧乙烯醚）0.05g/L。無氰鍍銅的最佳工藝條件為：pH值5.5，電壓3V，時間5～7min，溫度35℃。

（3）通過對鍍件的SEM分析得出：鍍銅層光亮、均一、平整、幾乎無氫脆現象。通過原子吸收法測得鍍層的純度為99.89%，且鍍層厚度達到了鍍銅的要求。通過結合力測試說明鍍層與鑄鐵結合較好。通過對鍍液性能的測試得出：鍍液的穩定性好，電導率較低，且鍍液的分散能力良好。

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EDTA Weak Acid Strike Copper Plating on Steel Substrate

LⅠU Cun-hai， LUO Yuan
（College of Chemistry ＆Chemical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

Copper was plated on the surface of cast iron substrate using CuSO4·5H2O as main salt and EDTA as ligand.The basic composition of the plating solution were determined as：CuSO4·5H2O 15g/L，EDTA 25g/L，Na2B4O7·10H2O 37g/L，thiourea 0.2mg/L，glycerine 2mL/L and O-20（fatty alcoholpolyoxyethylene ether）0.05g/L.The optimal technological conditions of cyanide-free copper plating were selected as：pH value 5.5，voltage 3V，plating time 5～7minutes，temperature 35℃.The results show that the copper coating plated under these process conditions is bright，uniform，highly pure（99.89%），closely combined with the substrate，without hydrogen embrittlement phenomenon，with a quality comparable to that of cyanide copper plating.

EDTA；copper plating；cast iron

國家自然科學基金項目（No.51103081）

TQ 153

A

1000-4742（2014）03-0010-04

2013-12-03