Регион:

Оловянирование и его электролиты

Оловянирование и его электролиты

В основном оловянирование применяется для получения белой жести в консервной промышленности, а также в радиоэлектронике для покрытия деталей, подлежащих пайке.

Олово является ковким и легкоплавким металлом серебристобелого цвета. При сгибании прутка чистого олова ясно слышен характерный треск, происходящий из-за разрыва кристаллов олова по плоскостям спайности. Температура плавления олова -232 °С, плотность - 7,28 г/см3, но при низких температурах олово легко переходит в так называемое серое олово с плотностью 5,75 г/см3, увеличиваясь в объеме и рассыпаясь при этом в порошок. Это явление носит название «оловянной чумы». После оплавления серое олово снова переходит в металлическое состояние. Олово в химических соединениях может быть двух- и четырехвалентным. В зависимости от валентности электрохимический эквивалент олова составляет соответственно 2,216 и 1,108 г/А-ч. Атомная масса около 118,7, стандартный потенциал олова - (-0,14) В. Под действием воздуха и влаги олово не окисляется; не действует на олово и крепкая азотная кислота. Лишь крепкие растворы щелочей растворяют олово с образованием станнатов. В гальванической паре олово-железо последнее является анодом, и, следовательно, оловянное покрытие не может служить надежной защитой от электролитической коррозии.

Электролиты и режимы осаждения

Гальваническое осаждение олова может производиться как из кислых, так и из щелочных электролитов. Растворимые аноды из олова можно отливать по требуемым размерам непосредственно в цехе оловянные, так как температура плавления олова невелика (232 °С).

Кислые электролиты имеют выход, по току близкий 100 %, хорошую рассеивающую способность, возможность применения высоких плотностей тока, допустимость больших колебаний в количественном составе компонентов и хорошее качество покрытий в условиях длительной эксплуатации электролита без замены. Кроме того, электрохимический эквивалент олова в кислых электролитах в два раза больше, чем в щелочных, и, следовательно, при равных условиях осаждение олова происходит вдвое быстрее. Кислые электролиты не требуют подогрева, и выделение вредных газов в них весьма незначительно. Поэтому основное количество деталей покрывают в кислых электролитах.

Из кислых электролитов известны: сернокислые, солянокислые и борфтористоводородные или кремнефтористоводородные. Наибольшее применение получил простой и устойчивый в работе сернокислый электролит. Для приготовления электролита необходимы следующие компоненты:

  1. Сернокислое олово SnSO4 - белый порошок, растворимость в воде - до 190 г/л;
  2. Сернокислый натрий Na2SO4*10Н2O - белая кристаллическая масса, растворимость в воде - более 400 г/л;
  3. Серная кислота H2SO4 техническая - вязкая жидкость желтоватого оттенка;
  4. Фенол С6Н5OН (карболовая кислота), технический - 50%-ная, красная кристаллическая масса или жидкость с характерным запахом, допускается фенол заменять на крезол технический.

При наличии всех компонентов составление электролита не представляет затруднений. В воду приливают расчетное количество серной кислоты и растворяют в полученном растворе сернокислое олово. В случае использования фенола его следует предварительно смешать с равным объемом серной кислоты и оставить на сутки при периодическом помешивании. Корректировку сернокислого электролита сернокислым оловом и серной кислотой производят на основании химического анализа, а добавки фенола вводят, исходя из внешнего вида покрытий. Затем объем электролита доводят водой до заданного, и тщательно перемешивают. В результате получают электролит следующего состава (г/л) и режима работы: 

  • сернокислое олово - 25-50;
  • серная кислота - 50-100;
  • препарат ОС-20 - 20-50;
  • температура, °С - 15-30;
  • плотность тока, А/дм2 - 1,0-2,0;
  • выход по току, % - 90-95. 

При эксплуатации электролит перемешивают сжатым воздухом. Для получения зеркально-блестящих покрытий из сернокислого электролита имеются различные добавки.

Для лужения поверхностей под последующую пайку из кислых электролитов производственное применение имеет также солянокислый электролит. Для приготовления электролита нужно иметь следующие компоненты:

  1. Двухлористое олово SnCl2*2H2O - белый кристаллический порошок;
  2. Фтористый натрий NaF - белые кристаллы, малорастворим в воде;
  3. Соляная кислота HCl, техническая - бесцветная жидкость с острым запахом.

При составлении электролита фтористый натрий образует на дне ванны белый студенистый осадок, находящийся в ней постоянно и являющийся буфером для сохранения низкой концентрации соляной кислоты. Корректировку электролита по составу производят, главным образом, по содержанию свободной соляной кислоты. Добавки желатины вводят, исходя из внешнего вида осажденного олова. Состав полученного электролита (г/л) и режим работы следующие: 

  • двухлористое олово - 30-5,0;
  • фтористый натрий - 30-70;
  • соляная кислота (свободная) - 2,0-4,0;
  • желатина - 1,0-2,0;
  • температура, °С - 15-40;
  • плотность тока, А/дм2 - 1,0-2,0;
  • выход по току, % - 95. 

Солянокислый электролит обладает всеми качествами сернокислого, но неустойчив в эксплуатации и требует частых корректировок кислотой. Электролит необходимо перемешивать во время осаждения.

Кроме указанных электролитов, известен также борфтористоводородный электролит. Он позволяет пользоваться более высокими плотностями тока и дает покрытия хорошего качества. Для приготовления электролита необходимо иметь следующие компоненты:

  1. Фтористоводородная кислота HF (плавиковая кислота) 40%-ная - бесцветная подвижная жидкость, плотность - 0,98 г/см3; все операции с ней следует производить под тягой и в резиновых перчатках;
  2. Борная кислота Н3ВO3 - белые чешуйчатые кристаллы, растворимость в воде при 20 °С - до 40 г/л.

Для получения борфтористоводородной кислоты к расчетному количеству сухой борной кислоты постепенно приливают (при непрерывном перемешивании) требуемое количество 40%-ной фтористоводородной кислоты. При этой операции нельзя применять какую-либо стеклянную тару. Ванна, в которой производят растворение, должна быть футерована полиэтиленом или пентапластом так же, как и весло для перемешивания. Кроме того, реакция образования борфтористоводородной кислоты идет с большим выделением теплоты. Поэтому смешивание кислот производят очень осторожно и малыми дозами.

Приготовление борфтористоводородной кислоты выполняют в избытке против количества, необходимого по расчету для образования борфтористоводородного олова, так как в электролите должна присутствовать свободная борфтористоводородная кислота. Затем хлористое олово растворяют в воде и осаждают его раствором кальцинированной соды. Полученный осадок растворяют приготовленной заранее борфтористоводородной кислотой для расчета количества борфтористоводородного олова. Желатину добавляют после введения всех компонентов. Состав полученного электролита (г/л) и режим работы следующие: 

  • борфтористоводородное олово - 180-200;
  • борфтористоводородная кислота (свободная) - 45-60;
  • борная кислота - 25-30;
  • столярный клей - 3,0-5,0;
  • температура, °С - 25-30;
  • плотность тока, А/дм2 - 4,0-5,0;
  • выход по току, % - 95. 

Способность к пайке у луженых деталей снижается с течением времени и уже спустя несколько суток после осаждения они плохо паяются. Кроме того, через некоторое время наблюдается образование нитевидных кристаллов на отдельных участках деталей. Это явление для деталей радиоэлектронной промышленности приводит к короткому замыканию электрического тока на отдельных участках и, следовательно, к выходу приборов из строя. Для устранения этих явлений покрытие непосредственно после осаждения подвергают оплавлению, погружая детали на несколько секунд в глицерин, хлопковое или касторовое масло.

Для расчета скорости осаждения олова из кислых электролитов можно использовать данные табл. 5.14.

Для деталей, не относящихся к пищевой промышленности, существует другой способ устранения указанных явлений. Он заключается в том, что в сернокислый электролит лужения вводят добавки азотнокислого висмута, который входит в состав сплава в количестве 2-3 %. Для электролита приняты следующий состав (г/л) и режим работы:

  • сернокислое олово - 40-60;
  • серная кислота - 100-110;
  • сернокислый висмут - 0,5-1,5;
  • хлористый натрий - 0,3-0,8;
  • препарат ОС-20 (или фенол) - 5-8;
  • температура, °С - 18-30;
  • плотность тока, А/дм2 - 0,5.

Таблица 5.14. Скорость осаждения олова (мкм/ч).

Плотность тока, А/дм2

Катодный выход по току, %

90

91

92

93

94

95

0,5

13,7

13,8

14,0

14,1

14,3

14,4

1,0

27,7

28,0

28,3

28,6

28,9

29,2

2,0

54,4

55,0

55,7

56,2

56,9

57,5

3,0

81,3

82,3

83,1

84,0

85,0

85,9

4,0

109,4

110,1

111,5

113,0

114,1

115,1

5,0

136,1

137,9

139,0

140,5

142,5

143,7

Количество висмута в покрытии может быть от 0,2 до 20 %. В начале обработки плотность тока должна быть вдвое выше рабочей в течение 10 с. При обработке деталей насыпью содержание серной кислоты необходимо увеличивать до 140 г/л. Вместо сернокислого висмута можно применять эквивалентное количество азотнокислого висмута.

Особенностью эксплуатации этого электролита является реакция контактного выделения металлического висмута на поверхности оловянных анодов в те периоды, когда ванна лужения обесточена. Для того чтобы не допустить выпадения висмута, необходимо в промежутках между загрузками деталей завешивать на катодную штангу один из оловянных анодов, а загрузку и выгрузку деталей производить под током. В нерабочее время аноды полностью извлекают из ванны, а при эксплуатации помещают в чехлы из ткани хлорин.

Щелочные электролиты имеют следующие достоинства: высокую рассеивающую способность, мелкокристаллическую структуру и красивый белый цвет покрытий. К существенным недостаткам щелочных электролитов следует отнести низкий выход по току (70-80 %), более низкую скорость осаждения, неустойчивость в эксплуатации и склонность к образованию губчатых осадков. Необходимо также поддерживать температуру электролита около 70 °С и применять мощную бортовую вентиляцию. Поэтому щелочные электролиты применяют лишь при покрытии деталей весьма сложного профиля.

Из щелочных электролитов практическое применение имеют электролиты на основе едкого натра и едкого калия. Для приготовления электролита необходимы следующие компоненты:

  1. Едкий натр технический NaOH - плавленая кристаллическая масса белого цвета с неограниченной растворимостью в воде;
  2. Четыреххлористое олово SnCl4*5H2O - белая кристаллическая масса, четыреххлористое олово существует также в виде безводной и бесцветной жидкости, но для зарядки ванн оно непригодно в связи с тем, что на воздухе олово немедленно возгоняется с образованием удушливых белых паров;
  3. Двухлористое олово SnCl2*2H2O может применяться при отсутствии четыреххлористого олова;
  4. Уксуснокислый натрий СН3СOONa*3Н2O - кристаллы белого цвета, растворимость в воде - около 150 г/л. Применяется как буферное соединение для поддержания рН на заданном уровне.

При наличии SnCl4*5H20 приготовление электролита заключается в добавлении его расчетного количества в подогретый раствор едкого натра при энергичном перемешивании. Затем вводят добавку уксуснокислого натрия и перед началом эксплуатации вводят в электролит по 0,5 мл/л 30%-ной перекиси водорода, чтобы перевести двухвалентное олово в четырехвалентное, если оно имеется в электролите. Наличие двухвалентного олова в электролите при его эксплуатации не допускается, так как осадки будут получаться губчатыми и рыхлыми.

Оловянные аноды завешивают в приготовленный электролит и обрабатывают их путем резкого повышения анодной плотности тока в 2-3 раза больше нормальной в течение 5-10 мин. При этом происходит пассивирование поверхности анодов с образованием на них пленки окислов золотисто-желтого цвета. Такие аноды растворяются с образованием только четырехвалентного олова, а на их поверхности выделяется кислород, окисляющий двухвалентное олово в четырехвалентное. Электролит применяется для деталей сложной конфигурации. Ниже приведены один из составов (г/л) и режим работы электролита:

  • станнат натрия - 45-90;
  • едкий натр (свободный) - 9-17;
  • уксуснокислый натрий - не менее 15;
  • температура, °С - 60-80;
  • плотность тока, А/дм2 - 0,5-2,0;
  • выход по току, % - 70-80.

Подогревание и поддержание рабочей температуры электролита осуществляют посредством глухого парового змеевика, расположенного по дну ванны. Корпус ванны и змеевик изготовляют из углеродистой стали, без футеровки.

Таблица 5.15. Скорость осаждения олова (мкм/ч).

Плотность тока, А/дм2

Катодный выход по току, %

65

70

75

80

85

1,0

9,8

10,5

11,3

12,0

12,8

2,0

19,6

21,2

22,7

24,2

25,7

3,0

29,6

31,8

34,0

36,2

38,6

4,0

37,2

42,4

45,4

48,4

51,4

Оценить ориентировочную скорость осаждения олова из щелочного электролита можно по данным табл. 5.15.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments