Гальванические покрытия. Технологии, храктеристики, применения

Ю.Д. ГАМБУРГ

Второе издание, 
переработанное и дополненное

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ

ТЕХНОЛОГИИ • ХАРАКТЕРИСТИКИ • ПРИМЕНЕНИЯ

Þ.Ä. Ãàìáóðã
Ãàëüâàíè÷åñêèå ïîêðûòèÿ. Òåõíîëîãèè, õàðàêòåðèñòèêè, ïðèìåíåíèÿ: Ó÷åáíî-ñïðàâî÷íîå ðóêîâîäñòâî / Þ.Ä. Ãàìáóðã –
2-å èçä. ïåðåðàáîòàííîå è äîïîëíåííîå – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2018. – 240 ñ.

ISBN 978-5-91559-235-2

 ðóêîâîäñòâå îáîáùåíû è ñèñòåìàòèçèðîâàíû äàííûå ïî ñîâðåìåííîé ãàëüâàíîòåõíèêå â ïðèáîðîñòðîåíèè, ýëåêòðîíèêå,
ìàøèíîñòðîåíèè è ëàáîðàòîðíîé ïðàêòèêå. Ïðèâåäåíû ïîäðîáíûå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîõèìèè êàòîäíûõ è àíîäíûõ ïðîöåññîâ â
ãàëüâàíîòåõíèêå, î ðîëè êîìïîíåíòîâ ðàñòâîðîâ è óñëîâèé ýëåêòðîîñàæäåíèÿ.
Äåòàëüíî ðàññìîòðåíû ïðèíöèïû âûáîðà îïòèìàëüíûõ ïðîöåññîâ, ïðåèìóùåñòâà è íåäîñòàòêè êàæäîãî âèäà ïîêðûòèé, èõ ôóíêöèîíàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè, ðåöåïòóðà ðàñòâîðîâ, ìåòîäû èõ
ïðèãîòîâëåíèÿ è êîððåêòèðîâàíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåæèìû ðàáîòû è
ðàçîáðàíû îñîáåííîñòè ýêñïëóàòàöèè ãàëüâàíè÷åñêèõ âàíí.
Ðàññìîòðåíû ìåòîäû êîíòðîëÿ ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ è ñòðóêòóðû ïîêðûòèé, îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ðàçëè÷íûõ âèäîâ ïîêðûòèé.

Ñïðàâî÷íèê ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé òåõíè÷åñêèõ è õèìèêî-òåõíîëîãè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé, òåõíîëîãîâ,
êîíñòðóêòîðîâ è èíæåíåðîâ ãàëüâàíè÷åñêèõ ïðîèçâîäñòâ â ýëåêòðîíèêå, ïðèáîðîñòðîåíèè è ìàøèíîñòðîåíèè.

© 2017, Þ.Ä. Ãàìáóðã
© 2018, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-235-2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ко второму изданию ........................................................................................  9

Глава 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, 
НАЗНАЧЕНИЕ ПОКРЫТИЙ И ИХ ВЫБОР .......................................................................11
 
1.1. Общие сведения..........................................................................................................11
 
1.2.  Электрохимические процессы при нанесении гальванопокрытий. ......................12
 
1.3. Выбор материалов и процессов. ...............................................................................18
 
 
1.3.1. Удельное электрическое сопротивление и сопротивление контактов .........19
 
 
1.3.2. Коррозионные свойства гальванопокрытий ...................................................24
 
 
1.3.3. Паяемость ..........................................................................................................26
 
 
1.3.4. Рост нитевидных кристаллов на оловянных покрытиях ..............................28
 
 
1.3.5. Магнитные свойства .........................................................................................31
 
 
1.3.6. Твердость и износостойкость, антифрикционные свойства.........................33
 
 
1.3.7. Обеспечение специальных функциональных свойств. .................................36
 
1.4.  Механические свойства, характерные для всех гальванопокрытий .....................37
 
 
1.4.1. Адгезия (сцепляемость с поверхностью основы) .........................................37
 
 
1.4.2. Пластичность и прочность ...............................................................................39
 
 
1.4.3. Внутренние механические напряжения..........................................................42
 
1.5. Выбор толщины покрытия ........................................................................................44
 
1.6. Выбор типа электролита ............................................................................................45
 
Глава 2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ 
ПОКРЫТИЙ ............................................................................................................................47
 
2.1.  Электрические условия проведения процессов электроосаждения. ....................47
 
 
2.1.1. Плотность тока. Закон Фарадея .......................................................................47
 
 
2.1.2. Выход по току....................................................................................................53
 
 
2.1.3. Электродный потенциал и перенапряжение ..................................................55
 
 
2.1.4. Напряжение на ванне. Электросопротивление раствора ..............................61
 
2.2.  Температурные и прочие условия электроосаждения ............................................64
 
2.3. Составы растворов для электроосаждения металлов и сплавов ...........................68
 
 
2.3.1. Основные компоненты .....................................................................................68
 
 
2.3.2.  Измерения кислотности и буферирование. 
 
 
 
Стабилизация рН в гальванических ваннах ...................................................69
 
 
2.3.3. Вспомогательные вещества (добавки) ............................................................71

GAmburg_15.indd   5
GAmburg_15.indd   5
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

Оглавление

 
2.4. Стадии электрохимических процессов ....................................................................73
 
 
2.4.1. Общая характеристика стадийности ...............................................................73
 
 
2.4.2. Стадия переноса вещества ...............................................................................74
 
 
2.4.3. Стадия химической реакции ............................................................................76
 
 
2.4.4. Стадия переноса заряда ....................................................................................77
 
 
2.4.5. Адсорбционные явления ..................................................................................78
 
 
2.4.6. Стадия образования зародышей (нуклеация) ................................................79
 
 
2.4.7. Стадия поверхностной диффузии ...................................................................81
 
2.5. Общая величина перенапряжения ............................................................................82
 
2.6.  Омическое падение напряжения вблизи катода. .....................................................85
 
2.7.  Поляризуемость (поляризационное сопротивление) ..............................................86
 
2.8. Распределение тока по поверхности электрода ......................................................87
 
 
2.8.1. Макро- и микрораспределение, первичное и вторичное 
 
 
 
распределение тока. ..........................................................................................87
 
 
2.8.2. Рассеивающая способность .............................................................................90
 
 
2.8.3. Улучшение равномерности распределения металла на катоде ....................94
 
 
2.8.4. Шероховатость поверхности гальванопокрытий. 
 
 
 
Эволюция микропрофиля при электроосаждении. 
 
 
 
Блестящие гальванопокрытия .........................................................................96
 
2.9. Анодные процессы ...................................................................................................100
 
2.10.  Нестационарные электрические режимы осаждения металлов ........................105
 
 
2.10.1. Виды нестационарных токов, средняя и допустимая плотности тока. ...105
 
 
2.10.2. Размер зерен осадков, распределение тока и металла 
 
 
 
при нестационарном электролизе. ...............................................................106
 
 
2.10.3. Получение композиционно-модулированных гальванопокрытий ...........107
 
2.11. Особенности электроосаждения сплавов .............................................................108
 
2.12.  Особенности электроосаждения из комплексных электролитов 
 
 
и в присутствии ПАВ. ............................................................................................110
 
2.13. Композиционные гальванические покрытия .......................................................111
 
2.14. Различные способы нанесения покрытий ............................................................113
 
 
2.14.1. Осаждение на изделия, расположенные на подвесках ..............................113
 
 
2.14.2. Осаждение в барабанах и колоколах ...........................................................113
 
 
2.14.3. Локальное (селективное) осаждение и электронатирвание ......................114
 
2.15.  Пример расчета параметров электроосаждения ..................................................114
 
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ...........................117
 
3.1.  Подготовка поверхности основы и вспомогательные операции .........................117
 
 
3.1.1. Механическая обработка ................................................................................117
 
 
3.1.2. Химическое и электрохимическое обезжиривание .....................................118
 
 
3.1.3. Травление .........................................................................................................119
 
 
3.1.4. Декапирование (активация) ...........................................................................123
 
 
3.1.5. Электрополирование .......................................................................................124
 
 
3.1.6. Цинкатная обработка и прочие методы подготовки....................................124

GAmburg_15.indd   6
GAmburg_15.indd   6
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

Оглавление 

 
 
3.1.7. Вода в гальваническом производстве. Промывка. ......................................125
 
 
3.1.8. Обработка покрытых изделий .......................................................................126
 
3.2. Электроосаждение цинка и его сплавов ................................................................127
 
 
3.2.1. Свойства и области применения цинковых покрытий ...............................127
 
 
3.2.2. Типы и составы растворов. Условия осаждения .........................................128
 
 
3.2.3. Приготовление, эксплуатация и корректирование электролитов...............130
 
 
3.2.4. Аноды ...............................................................................................................132
 
 
3.2.5. Послеэлектрозизная обработка; удаление покрытий ..................................133
 
 
3.2.6. Добавки для цинкования ................................................................................133
 
 
3.2.7. Неполадки при цинковании ...........................................................................134
 
 
3.2.8. Осаждение сплавов цинка ..............................................................................134
 
3.3. Осаждение кадмия и его сплавов ...........................................................................135
 
 
3.3.1. Положительные и отрицательные качества, области применения. ...........135
 
 
3.3.2. Состав и приготовление электролитов. ........................................................136
 
 
3.3.3. Осаждение сплавов на основе кадмия ..........................................................138
 
3.4. Осаждение меди и ее сплавов .................................................................................138
 
 
3.4.1. Свойства и области применения медных покрытий ...................................138
 
 
3.4.2. Составы растворов для осаждения меди ......................................................140
 
 
3.4.3. Приготовление и очистка растворов .............................................................142
 
 
3.4.4. Механизм и кинетика осаждения ..................................................................144
 
 
3.4.5. Особенности процессов, аноды, добавки. Удаление покрытий 
 
 
 
низкого качества ..............................................................................................144
 
 
3.4.6. Неполадки при меднении ...............................................................................146
 
 
3.4.7. Осаждение латуни и бронзы ..........................................................................147
 
3.5.  Электроосаждение никеля и его сплавов ..............................................................149
 
 
3.5.1. Свойства и области применения ...................................................................149
 
 
3.5.2. Составы электролитов ....................................................................................151
 
 
3.5.3. Приготовление, очистка и корректирование растворов, аноды .................155
 
 
3.5.4. Органические добавки, применяемые при никелировании. ......................156
 
 
3.5.5. Осаждение сплавов на основе никеля ..........................................................157
 
 
3.5.6. Неполадки при никелировании .....................................................................158
 
 
3.5.7. Удаление некачественных покрытий ............................................................159
 
3.6. Электроосаждение хрома ........................................................................................159
 
 
3.6.1. Свойства хромовых покрытий и области их применения ..........................159
 
 
3.6.2. Состав и приготовление электролитов .........................................................161
 
 
3.6.3. Условия хромирования ...................................................................................163
 
 
3.6.4. Аноды ...............................................................................................................164
 
 
3.6.5. Корректирование электролита .......................................................................165
 
 
3.6.6. Неполадки при хромировании .......................................................................165
 
 
3.6.7. Хромирование из растворов на основе трехзарядных ионов хрома .........166
 
3.7. Железо и его сплавы ................................................................................................166
 
 
3.7.1. Применение железных покрытий и состав растворов ................................166
 
 
3.7.2. Электроосаждение сплавов железа ...............................................................168

GAmburg_15.indd   7
GAmburg_15.indd   7
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

Оглавление

 
3.8.  Легкоплавкие металлы: Sn, Pb, Bi, Sb, In, их cплавы ..........................................170
 
 
3.8.1. Олово ................................................................................................................170
 
 
3.8.2. Сплавы олово – свинец, олово – висмут, олово – цинк ..............................175
 
 
3.8.3. Свинец ..............................................................................................................176
 
 
3.8.4. Висмут ..............................................................................................................178
 
 
3.8.5. Сурьма ..............................................................................................................178
 
 
3.8.6. Индий ...............................................................................................................179
 
3.9. Осаждение серебра и его сплавов ..........................................................................180
 
 
3.9.1. Области применения покрытий из серебра .................................................181
 
 
3.9.2. Составы растворов, их приготовление и очистка........................................181
 
 
3.9.3. Катодные и анодные процессы ......................................................................184
 
 
3.9.4. Сплавы серебра с сурьмой, медью и палладием .........................................184
 
3.10. Электроосаждение золота и его сплавов..............................................................186
 
 
3.10.1. Свойства и области применения золотых покрытий .................................186
 
 
3.10.2. Типы растворов, составы и условия осаждения ........................................187
 
 
3.10.3. Приготовление растворов и проведение процессов ..................................188
 
 
3.10.4. Осаждение сплавов золота ...........................................................................189
 
 
3.10.5. Удаление покрытий .......................................................................................190
 
3.11. Платиновые металлы: Pd, Pt, Rh ...........................................................................190
 
 
3.11.1. Палладий.........................................................................................................190
 
 
3.11.2. Платина ...........................................................................................................192
 
 
3.11.3. Родий ...............................................................................................................193
 
3.12.  Электрокаталитическое (химическое) восстановление металлов .....................195
 
 
3.12.1. Общие сведения .............................................................................................195
 
 
3.12.2. Предварительные операции..........................................................................195
 
 
3.12.3. Состав и приготовление растворов .............................................................196
 
3.13.  Наиболее распространенные общие нарушения процессов 
 
 
нанесения покрытий, их причины и методы устранения ...................................197

Глава 4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ 
ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЙ .....................................................................................................199
 
4.1.  Измерения удельного электрического сопротивления .........................................199
 
4.2.  Измерения других электрических свойств ............................................................202
 
4.3. Измерения прочности и пластичности ..................................................................204
 
4.4. Измерения микротвердости. ...................................................................................205
 
4.5. Измерения внутренних напряжений ......................................................................208
 
4.6. Измерения паяемости ..............................................................................................210
 
4.7.  Измерения сцепляемости покрытий с основой ....................................................210
 
4.8. Измерения пористости покрытий ...........................................................................212
 
4.9.  Определение коррозионной стойкости изделий с покрытием ............................213
 
4.10. Измерения толщины покрытий .............................................................................214
 
4.11.  Особенности структуры гальванопокрытий ........................................................217

GAmburg_15.indd   8
GAmburg_15.indd   8
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

ПРЕДИСЛОВИЕ 
КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Электрохимические – к ним мы здесь условно относим также химико-каталитические и некоторые чисто химические – методы 
нанесения металлических покрытий и модификации поверхности широко применяются и интенсивно развиваются. Этим и обусловлен выход в свет данного справочника. Для второго издания 
(первое было опубликовано в 2006 году) текст полностью переработан, в него внесен ряд исправлений, уточнений и дополнений.
Справочник отражает почти шестидесятилетнюю (начиная 
с 1958 года) практическую работу автора с самыми разнообразными электролитами и процессами электрохимического получения гальванопокрытий в лабораторных и производственных условиях, а также исследования свойств покрытий, выполненные 
им в основном в Институте физической химии и электрохимии 
им. А. Н. Фрумкина РАН и в РХТУ им. Д. И. Менделеева. 
Первая глава книги представляет собой краткое введение 
в предмет гальванотехники, в ней также даны необходимые сведения о важнейших свойствах гальванических покрытий. Вторая 
глава посвящена электрохимическим основам гальванотехники. 
Основную часть материала третьей главы составляет описание 
конкретных процессов нанесения покрытий, причем сведения 
о составе ванн, их приготовлении и технологических особенностях приведены по возможности по единой схеме. 
Наряду с этим книга содержит сведения о методах исследовательской и лабораторной работы в данной области (четвертая 
глава). 
Весь этот материал представлен в максимально сжатой фор ме, поэтому некоторые технологические процессы, имеющие 
промышленное значение, не нашли здесь отражения. Так, в книге 

GAmburg_15.indd   9
GAmburg_15.indd   9
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

Предисловие ко второму изданию

приведен лишь минимум, с точки зрения автора, сведений о механической обработке поверхности, о таких вспомогательных 
операциях как промывка и термообработка и о проблемах экологии. Не включены в справочник данные о нанесении оксидных и фосфатных защитных слоев, вопросы оборудования гальванических производств, а также химического анализа растворов 
и покрытий. Подробную информацию в данных областях следует искать в более представительных специализированных 
справочниках и монографиях, перечисленных в списке литературы. В книгу также не включены многие устаревшие сведения, которые, к сожалению, до сих пор встречаются в учебниках 
и справочниках по гальванопокрытиям.
Ю.Д. Гамбург

GAmburg_15.indd   10
GAmburg_15.indd   10
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

1.1. 
Общие сведения

Классификация покрытий. Процессы электрохимического нанесения металлических, комбинированных и неметаллических покрытий используются практически во всех отраслях техники – от металлургии и тяжелого 
машиностроения до микроэлектроники и нанотехнологий. С помощью электрохимических технологий получают металлы высокой чистоты (в том числе высокочистую медь), цинкуют кузова автомобилей, изготовляют печатные платы, 
аноды электролитических конденсаторов, покрывают золотом контакты изделий 
микроэлектроники. Сейчас наиболее интенсивно развивающиеся области применения гальванопокрытий связаны с электроникой, информационными технологиями, энергетикой и приборостроением, поэтому в данном справочном пособии 
наибольшее внимание уделено этой стороне применения гальванических покрытий. При этом номенклатура покрытий с точки зрения применяемых материалов 
также весьма широка – от железа до родия и платины и от простейших защитных слоев до сложных сплавов и многокомпонентных структур. Поэтому классификация покрытий и процессов может быть лишь очень приблизительной.
Самая простая классификация принята в машиностроении и состоит в разделении всех покрытий на три типа – функциональные, коррозионно-защитные 
и защитно-декоративные. 
Функциональные покрытия включают все многообразие поверхностных 
слоев, наносимых с целью той или иной модификации поверхности – например, 
увеличения твердости, поверхностной электропроводности, улучшения электроконтактных свойств, паяемости, изменения коэффициента трения (в любую сторону), увеличения износостойкости, придания электроизоляционных, магнитных 
или каких-либо специальных свойств. 
Коррозионно-защитные покрытия наносятся для защиты поверхности тех 
или иных изделий от коррозии в процессе их эксплуатации либо просто в поме
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, 
НАЗНАЧЕНИЕ ПОКРЫТИЙ 
И ИХ ВЫБОР

Г Л А В А
1

GAmburg_15.indd   11
GAmburg_15.indd   11
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM

Глава 1. Области применения электрохимических покрытий 

щении, либо под открытым небом, либо в каких-то особых климатических условиях (например, морских), либо в условиях специфической химической среды, 
например, в щелочных растворах. 
Защитно-декоративные покрытия имеют целью, наряду с функцией защиты 
от коррозии, также придание поверхности внешнего вида, требуемого дизайном 
изделия. Примерами могут служить золочение серебряных изделий в ювелирной 
практике или хромирование некоторых внешних деталей автомобиля.
Реальные покрытия часто совмещают несколько функций. Одно и то же покрытие может одновременно служить и для защиты основы от химической коррозии, и повышать износостойкость поверхности. При разработке электронной 
аппаратуры нередко решается задача обеспечения нужной поверхностной электропроводности и переходного (контактного) сопротивления при заданной контактной механической нагрузке, а также сохранение стабильности этих характеристик. В любом случае основной целью нанесения традиционных покрытий 
является изменение каких-либо свойств поверхности, в том числе внешнего 
вида. 
Из новейших, наиболее перспективных направлений развития гальванотехники можно указать изготовление интегральных схем, устройств магнитной записи, а также мультислойных структур, состоящих из чередующихся тонких 
слоев разных металлов. Интенсивно развивается селективное нанесение покрытий и получение сверхтонких слоев. Достигнута, например, возможность получения рисунка с линиями шириной менее 0,02 мкм и слоев толщиной менее 10 нм. Матричное, или темплатное, осаждение – это выделение металла на 
строго определенных местах специально подготовленной основы, которая затем удаляется. Этот метод позволяет получать, например, так называемые нанопроволоки и более сложные наноструктуры путем выделения металла в порах оксидной или полимерной матрицы, нанесенной на проводящий катод, или 
в пустотах коллоидного кристалла с упорядоченной трехмерной структурой.
В лабораторной практике гальванотехника практикуется главным образом 
для защиты поверхности от коррозии, получения зеркальных отражающих поверхностей или для чернения деталей аппаратуры.

1.2. 
 Электрохимические процессы при нанесении 
гальванопокрытий 

В данном разделе максимально кратко рассмотрены важнейшие 
стороны процессов нанесения гальванических покрытий, которые в последующих главах изложены с необходимыми подробностями. Поэтому необходимо 
предупредить читателя, что здесь могут иметь место некоторые упрощения, связанные с краткостью изложения.

GAmburg_15.indd   12
GAmburg_15.indd   12
2/8/18   5:49 PM
2/8/18   5:49 PM