Лужение меди оловом в домашних условиях

Покрывание слоем олова (лужение)

1) Для покрытия меди, латуни и бронзы слоем олова растворяют 16 г алюминиевых квасцов и 1 г хлористого олова (закиси) в 300 г воды и подогревают до кипения, после чего в раетвор погружают предмет.

По мере израсходования в раствор добавляют хлористого олова.

2) Цинк можно покрыть слоем олова погружением или натиранием при помощи следующего раствора.
Растворяют при нагревании до 60° 20 вес. ч. винного камня в порошке и 10 вес. ч. хлористого олова в 50 вес. ч воды. Предметы, погруженные в этот раствор, покрываются через несколько секунд серным налетом. Их вынимают и протирают чистой тряпкой, пока они не заблестят. Этим же раетвором можно пользоваться для лужения меди, латуни, железа и свинца, применяя цинковую пластинку в качестве контакта.
Если раствором пользуются для натирания, нужно прибавить к нему цинковой пыли.

3) Железо лудят емесью растворов из 30 г винного камня в 10 л воды и 20 г хлористого олова в небольшом количестве воды. В качестве контакта применяется цинк.

Можно также для получения слоя олова на железе, меди и бронзе пользоваться следующим способом.

Растворяют 10 г винного камня и 50 г хлористого олова в 1 л воды. При помощи губки наносят этот раствор на поверхность предмета. Затем, набрав при помощи той же губки немного цинковой пыли, натирают ею поверхность предмета; продолжают до желаемого результата, пооче- редно нанося раствор и натирая цинковой пылью.

Лужение металла — технологии и правила

Технологии лужения металла позволяют создавать экономичные антикоррозийные материалы, нужные для приборостроения, электротехнического и радиоэлектронного производства, а также для изготовления изделий из металла (включая жестяную пищевую тару и посуду).

Покрытия, содержащие олово, обладают пластичностью, выдерживают механические воздействия, обладают защитными свойствами.

Способ нанесения покрытия и состав оловянного сплава выбирают, исходя из свойств базового металла (стали, меди, алюминия) и типа изделия.

Что такое лужение металла и зачем его применяют

• чтобы защитить поверхность базового металла от коррозии (например, в консервной таре), окисления и износа;
• для повышения термостойкости металла;
• для увеличения срока службы повышения эксплуатационных характеристик и эстетической привлекательности металлических изделий;
• для защиты от воздействия серы.

Преимущества

1. Лужение способно значительно повысить прочность металла за счет образования более плотного и стойкого слоя на поверхности. Это особенно важно в случаях, когда детали подвергаются механическим нагрузкам.
2. Возможность обрабатывать детали различных размеров. Благодаря этому процессу, можно легко обработать как мелкие, так и крупные детали, что делает его универсальным способом обработки металла.
3. Применение для создания деталей с высокой точностью размеров. Это особенно важно в тех случаях, где каждый миллиметр играет роль.
4. Позволяет улучшить эстетический вид изделий, придавая им элегантный и глянцевый вид. Благодаря этому процессу, поверхность металла становится более гладкой и привлекательной.

Виды лужения

Существует два вида лужения металла: электрохимическим методом (в гальванической ванне) или горячим способом.

По расходу олова/оловянного сплава метод гальванического лужения экономичнее горячего способа.

Горячее лужение

Температура плавления чистого олова: 232 °С. Применяется для крупных деталей простой формы

Горячее лужение выполняют двумя способами: погружением и растиранием. Погружение изделия в расплавленное олово (температура 300–320°С) применяется очень широко. Это популярный способ изготовления белой жести из холоднокатаных стальных листов. Горячее растирание часто используют для выравнивания некоторых частей автомобильного кузова.

Горячим методом создают защитные покрытия толщиной до 25 мкм.

Гальваническое

Гальваническое (электролитическое) лужение — процесс осаждения олова из электролита (под воздействием электрического тока) на поверхность металлического изделия, погруженного в гидролизную ванну. Оловянный сплав, нанесенный на поверхность, обладает высокой степенью адгезии. Олово прочно сцепляется с базовым металлом.

Гальванический метод позволяет даже на мелких деталях получить необходимую толщину покрытия высокого качества и придать материалу изделия нужные физические свойства. Используется как в промышленных, так и в домашних условиях.

Наносимое покрытие получается равномерным, плотным и очень устойчивым. Толщина оловянного слоя 0,5–1,5 мкм.

Основные правила и технологии

Перед горячим лужением металл обрабатывают на специализированных станках: осуществляется обрезка, отбраковываются дефектные участки. Для горячего растирания олова применяют флюсы с хлоридом цинка. Оловянный припой плавится под воздействием высокой температуры. Лудильная паста, с предварительно добавленным порошком хлористого аммония, равномерно распределяется по поверхности базового металла.

Горячее лужение погружением производится в специальных емкостях, где оловянный сплав достигает рабочей температуры. После нанесения покрытия изделия охлаждают (используют охлажденную воду) и очищают от наплывов.

Гальваническое лужение, основанное на использовании электрического тока. может быть щелочным или кислотным, в зависимости от состава электролита.

• Луженая медь, созданная с применением кислых электролитов, нашла широкое применение во всех отраслях промышленности. Кислые электролиты содержат олово в форме Sn2+
• Щелочной способ обладает большой кроющей и высокой рассеивающей способностью, поэтому с помощью щелочных электролитов покрывают изделия сложной формы.

Требуется лужение металла?

Предлагаем услугу лужения по низкой цене

Материалы и инструменты

Для горячего лужения используют чистое марочное олово, оловянные сплавы и различные флюсы, например, хлористый аммоний и хлористый цинк (паяльная кислота). Оловянные сплавы с высоким содержанием меди повышают твердость металла, но ухудшают его пластичность. Для горячего лужения алюминия используют чистое олово, без примесей.

Базовым элементом для электрохимического лужения металлов является двухлористое олово, SnCl2 (солянокислая соль) — бинарное соединение олова и хлора. В электротехнике и радиоэлектронике применяют олово-висмутовое покрытие. Медную проволоку, выдерживающую сильные деформации, многочисленные изгибы и перегибы, создают с помощью сернокислого олова, серной кислоты, сернокислого натрия. Для обезжиривания металла могут использоваться натриевые растворы.

1. Измерительные приборы — штангенциркуль, рулетка, линейка.
2. Рабочие столы и верстаки.
3. Паяльные лампы.
4. Клещи — для удержания раскаленного металла.
5. Шаберы, специальные щетки (для снятия коррозии, удаления окалины и окислов), кисти, диски и наждачная бумага — для обработки, очистки и шлифования металлических поверхностей.

Подготовка металла

Чистота металла — это базовая защита от образования оловянных усов. Перед нанесением оловянного покрытия на базовый металл надо выполнить ряд подготовительных операций.

Металлические поверхности очищают от жиров, грязи, окалины, затем хорошо промывают чистой водой. Для очистки используются специальные щетки, шаберы, наждачная бумага, применяют пескоструйную обработку и химические очистители.

Очищенные поверхности защищают от окислов с помощью хлористого цинка и порошка аммония.

Техника безопасности

Помещение для лужения металла должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией.

Серная кислота, если она используется при травлении или входит в состав электролита (только в разведенном виде), должна храниться в плотно закрытой стеклянной емкости. Попав на открытый участок тела, может вызвать ожог. Ядовиты даже кислотные пары. Необходимо исключить ее контакт с глазами.

Во время проведения операций лужения следует работать в защитной одежде, очках и резиновых перчатках. Горячие металлические изделия и детали надо удерживать и перемещать клещами.

Лужение, никелирование и серебрение медных шин и деталей

Все металлы и сплавы имеют свой уникальный состав и характеристики, но всех их объединяет общая проблема — коррозия. Этот процесс приводит к разрушению структуры металла и изменению его геометрии, что ведет к утрате прочности и портит внешний вид металлических изделий. Разрушительное воздействие на металл ускоряется в присутствии таких катализаторов как вода, кислород и химически активные растворы. Все виды коррозии и ее последствия подробно описаны в ГОСТ 5272-68. Антикоррозийная обработка — это метод защиты, при которой на поверхность металлических деталей наносится тонкий слой другого металла, сплавов или неметаллических материалов для придания антикоррозийных свойств. Это особенно важно, если металл эксплуатируется в условиях высокой влажности и химически агрессивных средах.

Лужение медных шин (оловянирование)

Медные луженые шины применяются преимущественно при изготовлении оборудования повышенной надежности, эксплуатация которого предусмотрена в тяжелых климатических условиях, в агрессивных промышленных средах, в условиях повышенной влажности и воздействия морского воздуха. Медные луженые шины можно соединять с алюминиевыми проводниками без дополнительных элементов соединения.

Лужение – это нанесение тонного слоя олова или его сплава на поверхность металлического изделия. Специалисты этот слой называют полудой. Рассмотрим технологии оловянирования (лужения) медных шин и преимущества луженых шин перед обычными медными шинами.

Основные способы лужения (оловянирования)

Существуют три метода нанесения защитного покрытия:

• горячий способ;
• контактное осаждение;
• гальваническое осаждение

Горячее лужение считается классическим способом, поскольку именно с него начиналось развитие технологии. В зависимости от условий выполнения работ защитный слой может быть нанесен двумя методами:

1. Погружение. Заготовку опускают в резервуар с оловом, нагретым до рабочей температуры.
2. Растирание. Сплав наносят непосредственно на подготовленную деталь, разогретую, после чего равномерно распределяют по всей поверхности. Деталь можно разогревать различными способами, например паяльной лампой либо паяльником отдельный участок и.т.п.

Горячий способ лужения отличается своей простотой. Для выполнения работ не нужно приобретать специального инструмента или обладать профессиональными знаниями. Основной недостаток – неравномерное покрытие заготовки. Это справедливо как для погружения, так и для растирания. Особенно ярко он проявляется при обработке деталей со сложной криволинейной поверхностью. Кроме того, данный способ особенно требователен к чистоте рабочего сплава. Чужеродные элементы, попадающие в рабочую смесь, удалить практически невозможно.

Химическое лужение или контактное осаждение применяется при производстве печатных плат. Процесс является контактным и основан на осаждении олова из раствора его комплексной соли за счет разности потенциалов, возникающей между медью и оловом. Толщина получаемого покрытия около 1 мкм. При этом не требуется контролировать время нанесения покрытия. Детали загружаются в раствор с помощью корзинок из латунной сетки. В процессе покрытия необходимо детали встряхивать. Раствор химического оловянирования является раствором разового действия, 1 л раствора рассчитан на покрытие поверхности в 5 дм2. Скорость осаждения олова снижается по мере перекрытия медной основы, пока процесс не прекратиться полностью. Толщина осадка определяется составом раствора и режимом процесса и должна быть практически одинаковой на всех участках, контактирующих с раствором. Недостатком контактного метода нанесения оловянного покрытия является малая толщина покрытия. Нанесение оловянного покрытия на медные проводники печатных схем дает возможность производить пайку некоррозионными флюсами, а также повысить качество плат за счет устранения перегрева при пайке.

Гальваническое лужение – современный способ нанесения покрытия, когда в ходе протекания электрохимической реакции, ионы меди на поверхности замещаются ионами олова из оловосодержащего раствора. Только электрохимический способ позволяет получить покрытие заданной толщины практически на любом металле.

Гальванические покрытия требовательны к подготовке поверхностей. Перед началом работ требуется провести тщательную очистку и обезжиривание деталей. Качество подготовки поверхности детали к лужению определяет прочность ее сцепления с покрытием. Для оловянирования медных деталей и шин применяется травление подогретым 20-30% раствором серной кислоты. Продолжительность травления 20-30 мин. Затем поверхность изделий промывается холодной водой, протирается влажным песком, промывается горячей водой с температурой 80-100 °С.

Раствор при гальванической обработке может иметь щелочную или кислотную основу. Щелочные электролиты используют для оловянирования меди, других цветных металлов и их сплавов, имеющих сложную конфигурацию. Они имеют высокую рассеивающую способность, покрытие характеризуется мелкокристаллической структурой. Осаждение олова происходит медленно и необходимо, чтобы электролит имел температуру не меньше 70°С.

Детали больших размеров находятся в объемных ваннах в подвешенном состоянии. На более мелкие изделия гальваническое покрытие наносится в барабанных емкостях, где отрицательный заряд подается на барабан, который вращается в электролите. Для обработки деталей очень маленького размера (метизы, крепежные элементы) используются колокольные наливные ванны. В процессе работы они вращаются с низкой скоростью, в результате чего детали равномерно покрываются защитным покрытием.

Независимо от типа электролита катализатором процесса является электрический ток, который активизирует рабочий процесс. К положительным сторонам электрохимического метода оловянирования относят:

• равномерное распределение сплава по всей плоскости;
• толщина слоя регулируется с помощью изменения параметров тока;
• отсутствуют ограничения по сложности поверхности обрабатываемых изделий;
• экономный расход смеси;
• защитный слой обладает лучшими параметрами.

Единственный недостаток гальванического лужения – высокая себестоимость, поскольку рабочий процесс сопровождается большим расходом энергии, а для контроля необходимо постоянное присутствие специалиста высокой квалификации. Лужение с использованием электролита связано со сложностью приготовления раствора. В ходе процесса должен вестись постоянный контроль концентрации щелочи или кислоты в электролите, а также состояния анодов и поверхности ванны.

НТЦ ЭНЕРГО-РЕСУРС производит гальваническим способом шины медные луженые твердые ШМТЛ из шины медной твердой ШМТ (М1т) и мягкие ШММЛ из шины медной мягкой ШММ (М1М) в гальванических ванных длиной 2 метра и 4 метра.

Коррозионная стойкость шины медной луженой

Оловянное покрытие на медной токоведущей (заземляющей) шине является анодным (или протекторным) т.е. электрохимический потенциал олова отрицательнее, чем меди. Это означает, что в коррозионно-активной среде в первую очередь будет разрушаться олово и только после полного растворения олова на определенном участке будет повреждаться медь. Само по себе олово является достаточно стойким к коррозии металлом, поэтому применение оловянного покрытия на медной шине значительно увеличивает срок службы такой шины. Для увеличения коррозионной стойкости оловянного покрытия на медной шине покрытие осаждается из электролита с блескообразователями и может легироваться висмутом (т.е. осаждается сплав олово-висмут). Оловянное покрытие (особенно блестящее) безпористое начиная с толщины 6 мкм.

Электропроводность луженой медной шины

Несмотря на то, что олово хуже проводит электричество, чем чистая медь, оно уверенно занимает второе место после меди, если не считать покрытия драгоценными металлами, что очень дорого.

Уплотнение контактов на луженой медной шине

Интересным свойством покрытия оловом в контактных отверстиях на токоведущих (заземляющих) шинах является свойство уплотнителя. Олово — мягкий пластичный металл, который легко может уплотнять как резьбовые, так и нерезьбовые контакты. Уплотненные контакты, соответственно, более надежны, а сопротивление в них — ниже.

Сплавы, применяемые для оловянирования/лужения медных шин

Сплавы Sn-Pb (олово-свинец) с содержанием олова 10…60% применяются в электронной, радиотехнической и приборостроительной промышленности. Они хорошо паяются и сохраняют способность к пайке, в отличие от оловянных покрытий, в течение длительного времени. Способность к пайке и длительность сохранения этого свойства повышается при оплавлении. Сплавы Sn-Pb — мягкие, пластичные. Они менее склонны к образованию игл. При образовании гальванических пар они катодны по отношению к железу и анодны по отношению к меди.

Покрытия сплавом Sn-Pb наносят на медную шину непосредственно. Они могут быть использованы для всех условий эксплуатации, включая ОЖ — очень жесткие. (Защитные покрытия по условиям эксплуатации делят на группы легкие — Л средние — С жесткие — Ж очень жесткие — ОЖ. Эти покрытия классифицируют по способу получения, материалу, физико-химическим и декоративным свойствам. Технология нанесения покрытий и методы контроля их качества приведены в ГОСТ 16976—71. ) Сплавы Sn — Pb с содержанием 5…11% олова применяются как антифрикционные в условиях сухого и полусухого трения. Толщина слоя для условий Л (легкие) — 6…9 мкм, для условий С и Ж (средние и жесткие)- 18…20 мкм.

Сплавы Sn-Bi (олово-висмут) с содержанием висмута 0,5…2,0% применяются в электронной, радиотехнической и приборостроительной промышленности. Сплав хорошо паяется и длительное время сохраняет способность к пайке. Сплав Sn-Bi менее склонен к образованию игл чем олово.

Достоинства оловянного покрытия (олово-висмут) медных шин:

• Оловянное покрытие в атмосферных условиях является анодным по отношению к меди и ее сплавам, поэтому защита сплавом олово-висмут позволяет значительно увеличить коррозионную стойкость покрытых изделий. Увеличение коррозионной стойкости дает также осаждение блестящего оловянного покрытия вместо матового, что объясняется меньшей пористостью блестящих покрытий;
• Покрытие олово-висмут значительно повышает паяемость поверхностей медных деталей. Блестящее покрытие сохраняет эту способность более длительное время, чем матовое, а легирование покрытия висмутом позволяет сохранить способность к пайке дольше одного года;
• Покрытие олово-висмут устойчиво к воздействию серосодержащих соединений и может применяться на деталях, контактирующих со всеми видами пластмасс и резин;
• Оловянное покрытие обладает хорошим сцеплением с основным металлом, эластичностью, выдерживает изгиб, вытяжку, развальцовку, штамповку, прессовую посадку, хорошо сохраняется при свинчивании, герметизирует резьбовые соединения;
• Блестящее оловяное покрытие беспористо при толщине слоя больше 5 мкм (матовое покрытие оловом значительно пористо). Пористость покрытий с толщиной до 5 мкм может быть снижена оплавлением;
• Легирование висмутом (0,5-2%) позволяет предотвратить «иглообразование», а также позволяет избежать разрушения покрытия при эксплуатации ниже минус 30°С. Разрушение оловянных покрытий БЕЗ висмута происходит вследствие перехода компактного белого олова (β-Sn) в порошкообразное серое олово (α-Sn) («оловянная чума»).

Недостатки оловянного покрытия (олово-висмут) на меди, латуни, бронзе:

• Низкая износостойкость;
• Более низкая, по сравнению с олово-свинцом пластичность;
• Более низкие, по сравнению с олово-свинцом и свинцом антифрикционные свойства;
• Наличие в составе висмута не позволяет использовать покрытие в пищевых целях;
• Покрытие нестойко в щелочной среде.

Никелирование медных шин и деталей из меди

Никелирование — процесс нанесения тонкого слоя металлического никеля на изделие для придания ему необходимых свойств. Покрытия широко применяются в качестве подслоя при покрытии драгоценными металлами, а также для улучшения электропроводности, повышения твердости, защиты в щелочных средах и придания высокодекоративного внешнего вида. Никель — серебристо-белый металл с сильным блеском. Атомная масса никеля 58,69 г/моль, плотность 8,9 г/см 3 . Имеет электрохимический эквивалент 1,095 г/(А*ч), его стандартный потенциал равен -0,25 В. Никелевые покрытия легко пассивируются на воздухе и под действием сильных окислителей. Благодаря этому покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью. При толщине покрытия 125 мкм основной металл уже предохранен от воздействия промышленных газов и растворов. В менее агрессивных средах достаточно 50-100 мкм. Никель полностью устойчив в щелочах и органических кислотах окислительного характера.

Никелирование металла используется для того, чтобы улучшить исходные физические характеристики основного металлического сплава:

• Повышение коррозийной устойчивости. Никель обладает высокой химической инертностью, поэтому он не вступает в контакт с кислородом и водой. Поэтому никель будет препятствовать появлению коррозии на поверхности металлического элемента.
• Защита от слабых кислот и щелочей. Никель также неплохо выдерживает воздействие слабых химических реагентов, поэтому с его помощью можно также создать дополнительный слой, который будет защищать основной материал от кислот и щелочей.
• Создание прочного внешнего покрытия. При механическом повреждении меняется вид металлического изделия, а также могут ухудшатся его технико-эксплуатационные характеристики. Создание дополнительно слоя из никеля выгодно тем, что при повреждении металла всегда можно быстро нанести новый слой.
• Никель обладает приятным серебристо-серым блеском, поэтому никелирование может выполняться и для декоративных нужд. Украшение металлических игрушек, создание красивых никелированных каркасов и так далее).
• Никелировать можно практически любой металл — сталь, чугун, различные железные сплавы, медь, латунь, алюминий, титан и так далее.

Основные технологии никелирования

1. Гальваническое покрытие никелем. Основано на процессе электролиза.
2. Химический метод. Нанесение слоя происходит под воздействием никелесодержащих химических веществ.

Гальваническое покрытие никелем заключается в осаждении его на поверхности металлической детали под воздействием электрического тока. Для гальванического никелирования изделий к поверхности изделия подключается отрицательный контакт через источник питания. После, аналогичным образом, соединяется с положительным контактом никелевые аноды. После этого, изделие погружают в электролит. Этот раствор состоит из воды и соли хлорида никеля. Благодаря электрическому току, присутствующему в электролите, соль хлорида никеля распадается на отрицательные ионы хлора и положительные катионы никеля. Отрицательный заряд изделия затем притягивает положительные ионы никеля, в то время как положительный заряд никелевого анода привлекает отрицательные хлорид-анионы. В результате этой химической реакции никель в аноде окисляется и растворяется в растворе. Отсюда окисленный никель притягивается к основному материалу и впоследствии покрывает изделие.

Достоинства электрохимического метода:

• Простота. Технология, позволяет широко использовать гальваническое никелирование от коррозии как в промышленности, так и в домашних условиях, обеспечивая высокую производительность.
• Экономичность. Для организации процесса не нужно дорогостоящее специализированное оборудование и сырье, что делает технологию высокорентабельной.
• Качество. Гальванизация позволяет получить слой никеля, отличающийся высокой прочностью, обеспечивающей надежную защиту антикоррозийной поверхности от негативного внешнего воздействия.
• Эстетические характеристики. В результате поверхность детали становится гладкой и блестящей, устойчивой к механическим повреждениям.

Недостатки электролитического метода:

• Размеры обрабатываемых деталей ограничены габаритами гальванической ванны, поэтому невозможно покрыть никелем крупные объекты.
• Стационарность. Для промышленного процесса необходимо громоздкое технологическое оборудование, требующее особых условий эксплуатации, что делает невозможной обработку стационарно закрепленных объектов не подлежащих транспортировке.
• Тонкий защитный слой. При гальваническом никелировании максимальная толщина получаемого покрытия, равна 40-60 мкм, тогда как химический метод позволяет сформировать слой никеля любой толщины.

Этапы электролитического никелирования различных металлов

1. Подготовка поверхности – важнейший этап, от которого зависит качество защитного слоя. Ошибки на этой стадии могут привести к отслоению покрытия. Технологии очистки поверхности:
   • Механическая чистка. Желательна обработка пескоструйным аппаратом.
   • Шлифовка. Позволяет получить идеально ровную поверхность и улучшить сцепление слоев.
   • Обезжиривание. Обработка растворителями для очистки от жировых загрязнений, препятствующих адгезии. После обезжиривания деталь промывается в проточной воде и высушивается.
2. Омеднение. Не является обязательным этапом, но позволяет улучшить качество поверхности, выровнять ее и повысить адгезионные свойства. Производится гальваническим методом с использованием медных катодов и электролитического раствора, состоящего из медного купороса и серной кислоты.
3. Никелирование. Готовится водяной электролитический раствор из сульфатов никеля, магния, натрия, поваренной соли и борной кислоты. В сосуд опускают никелевые электроды. Заготовку подвешивают, чтобы она не касалась стенок и дна сосуда. На электроды подается напряжение до 6 вольт. Продолжительность процесса около 40 минут. Затем деталь извлекают из ванны, промывают и высушивают.

Химический метод никелирования — по сравнению с гальваническим, химический метод никелирования является более трудоемким и дорогим, поэтому не так распространен. Основные его преимущества – однородность и неограниченная толщина конечного покрытия. Помимо высокой цены, недостатки у технологии такие же как у гальванического метода нанесения покрытий из никеля, связанные с ограничениями по размеру изделий.

Этапы химического никелирования

1. Подготовительный. Заключается в очистке поверхности различными методами: механической чистке, шлифовке и полировании с применением специального оборудования. В заключении деталь обезжиривают, промывают и сушат. Этап требует ответственного подхода и тщательности, поскольку от него напрямую зависит итоговый результат.
2. Химическое никелирование. Заключается в погружении деталей в химический раствор на основе солей никеля, разогретый до 90ºC. Дополнительно в него добавляются и другие химические вещества, участвующие в реакции и стабилизирующие ее. Ванны для химического никелирования бывают двух видов:
   • Кислотные – на основе сульфата никеля. Получили наибольшее распространение, благодаря предсказуемости реакции и ее устойчивости. Процесс идет с большой скоростью, получаемое покрытие отличается высоким качеством и прочностью.
   • Щелочные – на основе хлорида никеля. Не так распространены, как химические, из-за неустойчивости процесса в щелочной среде, связанной с улетучиванием аммиака под воздействием высоких температур и низкой скорости реакции. Стабилизации процесса можно добиться добавлением солей лимонной кислоты и аммиака.

Подслой никеля под защитные покрытия

Подслой никеля создает благоприятные условия работы покрытий на трение, предотвращает диффузию основного металла при температурах до 350°C, способствует стабильности контактного сопротивления.

Нанесение подслоя никеля перед электролитическим оловянированием замедляет иглообразование и улучшает паяемость оловянных осадков.

В качества материала для изготовления электрических контактов чаще всего используется медь и ее сплавы, а в качестве покрытия используется серебро. Медь и серебро образуют твердые растворы, что облегчает взаимную диффузию этих металлов. При работе контактной пары это может привести к существенному изменению характеристик контакта и даже к полному исчезновению верхнего слоя серебра с поверхности детали. Кроме того, ухудшение характеристик электрических контактов связано с проникновением продуктов коррозии основы (при нанесении на медную основу, например, оксидов меди) через поры серебра на поверхность контактирующих изделий.

В отличие от меди никель не образует с серебром твердых растворов, что уменьшает возможность взаимной диффузии. При нанесении серебра не по меди, а по промежуточному подслою никеля постоянство значений переходного сопротивления во влажной атмосфере может обеспечиваться более тонким и, соответственно, более пористым слоем серебра. Кроме того, многослойное покрытие позволяет сократить или уменьшить число сквозных пор покрытия, доходящих до поверхности покрываемых изделий, при уменьшении толщины верхнего слоя драгоценного серебра. Именно этот слой должен обеспечивать низкое значение переходного сопротивления при контактировании и сохранение его во времени.

Применение подслоя никеля при осаждении серебра на алюминиевые детали позволяет избежать возможность отслаивания покрытия и повысить прочность сцепления с поверхностью алюминия.

Серебрение деталей

Серебрение является одним из основных гальванических процессов. Это связано с тем, что из всей группы благородных металлов серебро обладает наибольшей тепло и электропроводимостью, полируемостью и отражательной способностью. Сочетание этих качеств обуславливает большое распространение процесса серебрения в технологических процессах покрытия конактных групп и технологических деталей. При гальванике металл подготавливают механически, химически, наносятся подслойные покрытия, серебрение наносят последним, часто с использованием предварительного серебрения. После покрытия детали тщательно промываются и просушиваются. Технология подходит для обработки любых контактов в электронике. Толщина серебрения зависит от силы тока и времени выдержки изделий в ванне.

Покрытия серебром являются катодными по отношению ко всем конструкционным материалам и не защищают их поверхность в условиях электрохимической коррозии. Серебро отличается устойчивостью к щелочным растворам и большинству органических кислот, концентрированная серная кислота может растворять металл только при кипячении, а соляная при значительном нагревании. Серебро неустойчиво в растворах аммиака. Серебро быстро тускнеет в промышленной атмосфере в присутствии одновременно сернистых соединений, кислорода и влаги, покрываясь пленкой сульфидов коричневого и темно-серого цвета. Особенно активно в этом отношении гальванически осажденное серебро. Серебро может тускнеть в присутствии органических серосодержащих материалов (резины, пластмассы, компауиды, герметизирующие материалы), если длительное время будет находиться вместе с ними в непроветриваемом помещении.

В промышленности серебрение применяется:

• для создания поверхностных слоев высокой электропроводимости;
• для получения антифрикционного покрытия в подшипниках качения и скольжения, в т.ч. в вакууме, инертных средах, маслах;
• для обеспечения хорошей электропроводности в электрических контактах;
• при изготовлении отражателей, т.к. коэффициент отражения белого света для чистого серебра равен 95%.

К негативным особенностям серебряных покрытий можно отнести:

• склонность к образованию наплывов на покрытии и свариванию контактов;
• плохая переносимость запрессовки в полимеры;
• возможность иглообразования;
• миграция по диэлектрику;
• диффузия на основной металл или на внешний слой покрытия.

Особенно следует рассмотреть вопрос переходного сопротивления электроконтактов с серебряным покрытием. Как упоминалось ранее, на серебряных покрытиях может образовываться сульфидная пленка. Эта пленка обладает ионной и фотоэлектрической проводимостью. Т.е. чем больше она освещена, тем меньшее ее сопротивление. Такая особенность электропроводимости сульфидов серебра приводит к серьезной нестабильности переходного сопротивления посеребренных электроконтактов в условиях эксплуатации. Если же на контакт приложена малая контактная нагрузка и через него пропускается низкий ток, то проводимость контакта может нарушиться полностью.

По теме

Лужение (Оловянирование, сплав олово-висмут) | Механизм и технология процесса | Структура и свойства покрытий.

Лужение — процесс нанесения тонкого слоя металлического олова на поверхность изделия для придания ему необходимых характеристик (электропроводность, коррозионная стойкость, паяемость и др.).

Олово — мягкий металл серебристо-белого цвета. Плотность 7,28 г/см 3 , температура плавления 232°С, атомная масса 118,7 г/моль. В атмосферных условиях, даже в присутствии влаги, олово окисляется медленно. Разбавленные растворы минеральных кислот при комнатной температуре практически не растворяют олово, оно растворяется в концентрированных серной и соляной кислотах при нагревании. В растворах едкой щелочи олово неустойчиво и при нагревании растворяется с образованием станнатов. С органическими кислотами олово образует комплексные соединения, причем потенциал олова становится более отрицательным, чем потенциал железа, т.е. олово становится анодным покрытием.

Коррозионная стойкость олова в зависимости от рН приведена на рисунке 1. Видно, что олово наиболее устойчиво в диапазне рН от 6 до 9.

Рисунок 1 — Зависимость скорости коррозии олова от величины рН среды.

Висмут — в нормальных условиях блестящий серебристо-белый металл. Плотность 9,747 г/см³ температура плавления 271,35 °C, атомная масса 208,98 г/моль. В соединениях висмут проявляет степени окисления -3, +1, +2, +3, +4, +5. При комнатной температуре в среде сухого воздуха не окисляется, но в среде влажного воздуха покрывается тонкой плёнкой оксида. С металлами способен образовывать интерметаллиды — висмутиды.

Олово-висмутовое покрытие нашло самое широкое применение в радиоэлектронике и электротехнике. Чаще всего оловом покрываются токоведущие медные и алюминиевые шины, электроконтакты, корпуса приборов, крепеж из нержавеющей стали, контактирующий с алюминием (рисунок 2,3).

Рисунок 2 — Примеры оловянированных медных шин.

Таблица 1 — Примеры оловянированных корпусных деталей.

О — покрытие чистым оловом (лужение);

О-Ви — покрытие сплавом олово-висмут;

О-Ви.б — покрытие сплавом олово-висмут с требованием по блеску;

О-Ви(99,7-99,8)12.б — покрытие сплавом олово-висмут с содержанием олова 99,7-99,8%, требованием по блеску и толщиной 12мкм.

3-100мкм (возможна и большая толщина)

118-198 МПа (12-20 кгс/мм 2 )

Удельное электрическое сопротивление при 18°C

Допустимая рабочая температура

Допустимое содержание висмута в сплаве О-Ви

Чисто оловянные покрытия просты в получении, но имеют ряд существенных недостатков:

(более подробно о некоторых из них написано в статье)

• При хранении оловянных покрытий характерен рост на их поверхности нитевидных кристаллов, длина которых может достигать величины 5-10 мм (рисунок 4). Нитевидные кристаллы вызывают короткие замыкания при эксплуатации плотно расположенной электрорадиотехнической аппаратуры. Причины возникновения подобных несовершенств покрытия еще недостаточно изучены. Установлено, что на образование усов в значительной степени влияет материал катода. Основной причиной считается наличие внутренних напряжений сжатия в покрытии, которые возникают под влиянием осаждения некоторых примесей, инородных включений, диффузии компонентов основы в покрытие, напряжений в материале основы. На оловянном покрытии, нанесенном на латунь, медь и цинк нитевидные кристаллы появляются чаще и растут быстрее, чем на стальной основе. Применение никелевого подслоя тормозит этот процесс.

Рисунок 4 — «Усы» на олове.

• Олово является полиморфным металлом. В обычных условиях оно существует в виде β-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 °C. При низких температурах белое олово переходит в другую аллотропную модификацию (серое олово). Переход сопровождается увеличением удельного объема, что приводит к разрушению оловянного покрытия. Это явление получило название «оловянная чума» (рисунок 5).

Рисунок 5 — Оловянный стержень, пораженный «оловянной чумой».

• Чисто оловянные покрытия имеют очень короткий срок эксплуатации в качестве покрытия под пайку. Практика показывает, что паяемость оловянного покрытия иногда ухудшается в течение 2-3 суток. Неблагоприятно сказывается значительная пористость покрытия, наличие в покрытии примесей некоторых металлов, которые включаются в процессе электрокристаллизации или в результате диффузии компонентов металла основы, например цинка из латуни. Так же паяемость луженой поверхности может уменьшаться вследствие образования на границе медь-олово интерметаллических соединений типа Cu₃Sn, Cu₆Sn₅, которые при толщине меньше 3 мкм теряют пластичность.

Все эти недостатки устраняются при введении в олово висмута.

Диаграмма состояния сплава олово-всимут приведена на рисунке 6. Однако, стоит заметить, что гальванические сплавы олово-висмут легируются висмутом всего на десятые доли процента — этого уже достаточно для модификации свойств покрытия.

Рисунок 6 — Диаграмма состояния олово-висмут.

Для осаждения олова и его сплавов используют различные по природе электролиты, основными являются кислые и щелочные.

2. Механизм лужения и структура покрытия.

2.1 Осаждение индивидуального олова из сернокислого электролита без ПАВ.

К кислым электролитам оловянирования относятся сульфатные, пирофосфатные, фенолсульфоновые, борфтористоводородные и др.

Самым популярным является сульфатный, состоящий из сульфата олова (II) и серной кислоты. Также могут вводиться добавки коллоидов и поверхностно — активных веществ. Общей чертой всех кислых ванн является то, что ионы Sn4+ всегда являются вредной примесью.

Сульфатная ванна может работать на достаточно высоких плотностях тока с выходом по току 80-90 %.

Серную кислоту вводят в электролит для снижения гидролиза оловянных солей, а также для предотвращения окисления двухвалентного олова в четырехвалентное и образования шероховатых осадков. При отсутствии органических веществ в кислых электролитах невозможно получить приемлемые осадки олова из-за образования крупных кристаллов и усиленного роста дендритов на краях деталей.

При отсутствии добавок в сульфатном электролите катодная поляризация весьма незначительна (рисунок 7).

Рисунок 7 — Катодная поляризационная кривая осаждения олова из сернокислого электролита без добавок при скорости развертки 1 мВ/сек.

По рисунку 7 кривую восстановления олова можно разделить на четыре части.

В области AB плотность тока близка к нулю, реакции нет. На области BC плотность тока возрастает от 0 до 39,8 мА/см 2 , что соответствует процессу восстановления олова. Участок CD характеризует площадку предельного диффузионного тока, которая начинается с некторой «просадки». Она объясняется тем, что на участке CD диффузия ионов олова из объема электролита к поверхности катода становится недостаточной. В области DE плотность тока увеличивается резко выше -0,46 В, что указывает на начало выделения водорода по реакции:

Исходя из результатов циклической вольтамперометрии (рисунок 8) восстановление олова из сернокислого электролита протекает в одну стадию (один пик восстановления а):

Электроосаждение олова начинается при потенциале зарождения -0,43 В. При развертке в обратном направлении наблюдается один пик окисления а’ при -0,36 В. Это подтверждает одностадийность и анодного процесса.

Рисунок 8 — Циклическая вольт-амперограмма осаждения олова из сернокислого электролита без добавок при скорости развертки 10 мВ/сек.

По результатам электрохимической импедансной спектроскопии в ванне сернокислого оловянирования без добавок при -0,43В (рисунок 9) можно заключить, что восстановление олова контролируется и кинетически и диффузионно, так как импеданс Варбурга происходит в низкочастотном диапазоне.

Рисунок 9 — Результаты электрохимической импедансной спектроскопии в ванне сернокислого оловянирования без добавок при -0,43В.

Следует заметить, что в сульфатном растворе происходит окисление двухвалентного олова с последующим гидролизом:

Изменение концентрации сульфата олова в пределах 30-60 г/л не сказывается заметно на характере катодного процесса. Пониженная концентрация сульфата олова снижает максимальный предел рабочей плотности тока. При повышенном содержании сульфата олова аноды склонны к пассивированию.

Серная кислота повышает электропроводность электролита, предохраняет электролит от гидролиза и появления шероховатости на осадках. Концентрация серной кислоты может колебаться в пределах от 20 до 100 г/л. При малых концентрациях кислоты увеличивается опасность гидролиза и окисления сульфата олова, слишком большая ее концентрация приводит к снижению выхода но току, быстрому разрушению коллоидных добавок и пассивированию анодов.

Режим электролиза плотность тока и температура — в значительной степени влияет на качество осадков. При малых плотностях получаются осадки с крупнокристаллической структурой, отличающиеся повышенной пористостью. Чрезмерно высокая плотность тока приводит к тому, что осадки становятся шероховатыми, на краях растут дендриты. Для тонких покрытий (около 1-2 мкм) допустимы большие плотности, чем для толстых покрытий. Повышение температуры в период работы с сульфатными электролитами приводит к снижению катодной поляризации, уменьшению рассеивающей способности, ухудшению качества осадков.

Структура олова, полученного из сульфатной ванны без ПАВ стержневидная (рисунок 10).

Рисунок 10 — Микроизбражения осадков олова (SEM), полученных из сернокислого электролита без добавок при плотности тока 30 мА/см 2 и температуре 25° С.

2.2 Осаждение индивидуального олова из сернокислого электролита с введением ПАВ.

Блестящие покрытия менее пористы и дольше сохраняют способность к пайке, поэтому даже при осаждении сплава олово-висмут им отдают предпочтение.

Введение в электролит ПАВ всегда увеличивает катодную поляризацию. Так, при добавлении крезолсульфоновой кислоты или смеси со столярным клеем катодная поляризация достигает 500-600 мВ. На рисунке 11 показаны примеры катодных кривых осаждения олова из сульфатного электролита при введении трех разных ПАВ, а на рисунке 12 — при введении этих ПАВ в смеси друг с другом.

Рисунок 11 — Катодные поляризационная кривые осаждения олова из сернокислого электролита с тремя различными ПАВ.

Рисунок 12 — Катодные поляризационные кривые осаждения олова из сернокислого электролита без ПАВ и со смешанными ПАВ.

Сульфатные электролиты оловянирования с добавкой ПАВ отличаются сравнительно высокой рассеивающей способностью, приближающейся к рассеивающей способности медных цианистых электролитов. Выход по току сульфатных оловянных электролитов с ПАВ равен примерно 90-98 %.

Структура осадков олова при введении ПАВ в электролиты выравнивается, зерно измельчается (рисунок 13). Это свидетельствует об увеличении скорости зарождения зерен и торможении скорости их роста, что вполне закономерно.

Рисунок 13 — Микроизображения осадков олова (SEM), полученных из сернокислого электролита с примененим смешанных ПАВ при плотности тока 30 мА/см 2 и температуре 25° С.

Результаты рентгено-структурного анализа оловянного покрытия, полученного из электролита со смешанными ПАВ приведены на рисунке 14.

Рисунок 14 — Рентгенограмма олова, полученного из сернокислого электролита со смешанными ПАВ.

Разница в интенсивности дифракционного отражения граней кристаллов между покрытием и стандартным оловом с объемно-центрированной кубической решеткой приведена в таблице ниже.

Таблица 1 – Интенсивность дифракционного отражения

В покрытии самым интенсивным является отражение от грани (112).

Микроизображение поперечного излома оловянного покрытия приведено на рисунке 15.

Рисунок 15 — Микроизображение излома оловянного покрытия.

Осадки блестящего олова очень чувствительны к механическим загрязнениям, которые могут попадать в электролит из шлама, образующегося в результате окисления Sn2-. Нерастворимый осадок, содержащий ионы четырехвалентного олова, является коллоидным, легко проходит через любые фильтры.

2.3 Осаждение сплава олова-висмут из сернокислого электролита.

Электролиты осаждения сплава олово-висмут представляют собой обычные электролиты лужения с добавками небольших количеств солей висмута.

Добавка висмута к олову замедляет рост нитевидных кристаллов и предотвращает переход белого олова в рыхлое серое при низких температурах. Сплавы олова с висмутом образуют системы эвтектического типа, причем при содержании висмута до 5% предполагается образование твердого раствора устойчивого при температуре до 231,8°С. Так как с антикоррозионной точки зрения твердые растворы представляют наибольший интерес, и для предотвращения перехода белого олова в серое требуются очень малые количества висмута, подбирались такие условия электролиза при которых содержание висмута в сплаве не превышало бы 5%.

Электроосаждение сплавов представляет собой один из частых случаев протекания параллельных электрохимических процессов, причем при сплавообразовании они не всегда являются независимыми. Во многих случаях наблюдается их взаимное влияние (деполяризация или сверхполяризация). Кинетические кривые осаждения сплава олово-висмут из кислого электролита с ПАВ приведены на рисунке 16.

Рисунок 16 — Кинетические кривые осаждения сплава олово-висмут из кислого электролита с ПАВ. 1 — Сплав олово-висмут при температуре 40° С, 2 — то же при температуре 22° С, 3 — чистое олово при температуре 22о С, чистый висмут при температуре 22° С.

Видно, что при осаждении сплава наблюдается деполяризация, а выделение обоих компонентов происходит уже при небольших плотностях тока.

Микроструктура сплава олово-висмут, осажденного из кислого электролита с ПАВ, в зависимости от плотности тока, приведена на рисунке 17.

Рисунок 17 — Микрофотографии сплава олово-висмут, нанесенного на ковар из кислого электролита с ПАВ. Увеличение х500. Катодная плотность тока А/дм 2 : А — 0,1 Б — 0,5 В — 0,8.

Видно, что с ростом плотности тока зерно осадка измельчается.

Пример стальных деталей с олово-висмутовым блестящим покрытием приведен на рисунке 18.

Рисунок 18 — Пример деталей с олово-висмутовым блестящим покрытием.

Щелочные станнатные электролиты непригодны для получения этих сплавов, так как соли висмута в щелочной среде неустойчивы, и легко выпадают с образованием основных нерастворимых солей.

Висмут может вытесняться оловом из раствора по реакции:

3Sn + 2Bi 3+ → 2Sn 2+ + 2Bi

2.4 Механизм оловянирования из других кислых электролитов.

В пирофосфатных электролитах олово находится в виде комплексного аниона [Sn(P₂О₇)₂] 6- , что обусловливает хорошую рассеивающую способность электролитов и возможность замены щелочных электролитов, где скорость осаждения вдвое ниже и условия работы на ваннах более сложные. В пирофосфатном электролите, не содержащем ионов хлора и органических добавок, выделение на катоде компактных осадков при небольшой плотности тока происходит без заметной поляризации.

Основными компонентами фенолсульфонового электролита оловянирования являются сульфат олова и фенолсульфоновая кислота. При смешивании этих компонентов в воде образуется фенолсульфонат олова:

Эти электролиты менее склонны к окислению, чем сульфатные.

Борфтористоводородные электролиты содержат оловянную соль борфтористоводородной кислоты (олово находится в двухвалентном состоянии), свободную HBF₄, и H₃BO₃ или несколько органических ПАВ, без которых невозможно получить качественный осадок. Борфтористоводородные электролиты применяют при температурах от 20 до 40°С. Они позволяют применять более высокие плотности тока, по сравнению с сернокислыми электролитами. Максимальная допустимая плотность тока, при покрытии в стационарных ваннах 10-12 А/дм 2 . Аноды применяются чистые оловянные, анодная плотность тока примерно равна катодной. При рабочей плотности тока в 4-5 А/ дм 2 , выходы по току на катоде и на аноде составят 95-96 %. Для предупреждения окисления двухвалентного олова, и накопления четырехвалентного олова, в электролит рекомендуется вводить 3-5 мл гидразина.

2.5 Механизм щелочного оловянирования.

В щелочных электролитах олово находится в четырехвалентной форме в виде аниона SnO₃ 2- . Осаждение олова на катоде происходит по реакции:

Щелочные электролиты обладают хорошей рассеивающей способностью и позволяют получать весьма равномерные покрытия на сложнорельефных деталях даже в том случае, когда они покрываются в барабанах.

Особо вредной примесью в щелочном электролите оловянирования является станнит-ион Sn(OH)₂ -4 , где олово находится в двухвалентном состоянии. Присутствие в электролите даже незначительного количества двухвалентного олова приводит к образованию на катоде губчатого осадка, так как станнит-ионы восстанавливаются при небольшой поляризации и, следовательно, преимущественно перед станнат-ионами. Поскольку концентрация станнит-ионов очень мала, то уже вскоре после начала электролиза их разряд протекает на предельном токе диффузии. Вследствие этого на всей поверхности катода начинают образовываться микродендриты, на которых продолжает осаждаться рыхлый металл. Ввиду того, что на анодах двухвалентное олово будет образовываться в первую очередь, преимущественно перед четырехвалентным оловом, применяется частичная пассивация анодов.

2.6 Анодный процесс при лужении.

Анодный процесс подробно рассмотрен в статье.