[发明专利]使用电镀技术镀覆金属合金的系统和方法

说明书

描述

本发明涉及通过使用电镀技术(galvanic technology)镀覆金属合金的系统和相关的镀覆方法，以及通过使用所述系统和方法镀覆的结构。

本发明的应用领域是电镀技术，尤其是将金属合金镀覆到电解池的阴极上。更一般的，本发明涉及制备金属合金的技术领域。

在阴极镀覆电镀技术领域中，镀覆不同的二元合金的一些技术，例如用于磁应用的Ni-Cr或Fe-Ni合金或者用于摩擦应用的Pb-Sn合金，已经随着时间变得广泛应用。

文献也描述了用于镀覆由三或四种组分组成的金属合金的电镀技术，但是其还没有在行业中实际应用。

事实上，当使用电镀技术来将多种金属组分同时并恒定地沉积在阴极上并且同时保持一定的重量组成时，存在许多问题。实际上必需却又不充分的是，所有的各种金属具有相似的电化学电势值。每种组分的电势也和各自的超电势、电镀浴中的盐水溶液浓度、活性系数、所述溶液中是否存在络合剂、以及浴自身边界处的物理条件相关。本领域已知的电镀技术基于如下原理：每种金属组分在阴极上的沉积是通过控制电镀浴供给电流来实现。该方法典型地通过使用适于在电解池的阴极和阳极之间施加合适的电动力或电势差的电动装置以及用于控制通过所述电动装置施加的电流的电特征(尤其是所述电流的强度)的装置来进行。这些装置典型地由发电器和电流整流器组成，所述整流器调节流过所述电镀浴的电流强度。

如同所公知的，在沉积单一金属元素到阴极上的情况下，在电解池的阳极和阴极之间施加的电势差和施加到其上的电流相关，符合下列简化等式：

E_cell＝E_0，cell+η_A-η_C+RI

其中E_cell是施加到所述电解池上的电势差，E_0，cell是反电动势，η_A和η_B分别是金属的阳极和阴极超电势，R是浴的电阻，I是电流强度。反电动势E_0，cell是通过由阳极-溶液-阴极系统构成的电池堆施加的电势差，其是还原性组分和氧化性组分两者的浓度的函数。简而言之，电镀浴中的任何浓度、电流或电压变化能够影响系统平衡，并通过精确平衡原则彼此相关。

在工业实践中，镀覆过程是通过在电镀浴中保持所需的盐水浓度进行调整的，所述盐水浓度的保持是通过在镀覆过程中合适添加金属盐来获得的。这些添加要求定期并经常地检查和调整电镀浴。

本领域已知的方法是基于如下事实：如果电流固定并且待镀覆的金属组分的浓度之间的比值保持为一定值，那么电势差将保持几乎常数并且阴极镀覆过程将以充分受控的规则方式进行。固定施加到电镀浴的电流的主要原因是流过所述浴的电流能够和随时间沉积到阴极上的金属的厚度和量直接相关。

在已知电镀技术的实际实施中(其如前所述基于控制浴供应电流和盐水浓度)，在将镀覆多于两种金属组分的情况下，尤其是使用由金属合金制成的阳极时，非常难以控制镀覆沉积。为了理解这些难点，如下说法就够了：将单一金属加入到浴中将影响其它金属的溶解度；所以，通过添加金属到溶液中可以导致和预期效果完全不同的效果。

实际上，当在施加的电流下操作时，不同金属组分的电势和浓度随着时间发生变化，其基本上不能保持固定值。结果是阴极金属沉积的特征在于得到组成不同和均匀度不同的层。而且，电势差随着时间变化允许在浴中发生其它电化学反应，例如，寄生反应或耗散反应，比如氧化还原短路，其可能导致系统完全失去控制。

总而言之，当镀覆方法采用两种金属元素时已知技术仅仅是部分有效，当使用三种或更多种金属元素时已知技术证明是无效的。实际上，通过设定流过电镀浴的电流的电流密度，能够控制全部排放到阴极上的电荷数，但是不能控制它们的定性和定量分布，也即，形成所需合金所必需的各自重量比。

整体而言，出现了强烈影响这类已知电镀技术的一些问题，其中：

□单一金属组分在溶液中的溶解度；

□极化现象，尤其是阳极极化；

□浴供应电流的类型和电特征；

□存在具有不同氧化数和电化学电势的金属元素。

例如，施加到电镀浴上的直流导致形成柱状结构，由于在沉积过程中累积的高内部张力，在仅仅数微米的沉积之后，这些柱状结构将剥离。