Лужение

Олово является серебристо-белым ковким металлом кристаллического строения. Атомный вес 118,7, валентность - 2 и 4.Нормальный потенциал Sn---0,14 в. Электрохимический эквивалент Sn++++ 1,108 и Sn++ 2,214 г/а-час.

Удельный вес олова равен 7,3, температура плавления 232°

При сгибании прутка металла ясно слышен характерный треск, пронскодящий от разрыва кристаллов олова по плоскостям спайности. При низких температурах олово видоизменяется в так называемое серое олово, с удельным весом 5,75, увеличиваясь в объеме я рассыпаясь при этом в порошок. Это явление носит название «оловянной чумы».

Под действием воздуха и влаги олово не окисляется. Слабые минеральные и органические кислоты на холоду не реагиРУЮТ с оловом. Разбавленные растворы серной, соляной и азотной кислот взаимодействуют с оловом весьма медленно.

Крепкая азотная кислота совсем не растворяет олова.

Крепкие растворы едких щелочей при кипячении растворяют олово с. образовакием станнатов. В гальванической паре Sn-Fe железо является анодом и, следовательно, оловянное покрытие не может служить надежной защитой от коррозии. Но в кислых органических средах, например, в консервированных пищевых продуктах, потенциал олова может стать более электроотрицательным, чем железо и, являясь по отношению к нему анодом, может защищать железо и электрохмически. Тем не менее, надежным защитным покрытием лужение может быть лишь при условии минимальной пористости.

Лужение имеет весьма ограниченное применение в качестве защитного покрытия.

Причиной этого, кроме вышесказанного, является высокая стоимость металлического олова.Поэтому лужение получило широкое применение лишь в пищевой промышленности, при получении белов жести для изготовления пищевой тары. В этой области лужение пока не имеет равноценных заменителей. Лужение применяется также для защиты медного кабеля от действия серы, находящейся в изоляционном слое вулканизированной резины,

Довольно значителен расход олова на луженне деталей радиоаппаратуры и прочих механизмов, подлежащих последующей пайке. До последнего времени гальваническое лужение применялось в целях местной зашиты стальных деталей от азотирования,но теперь с успехом заменено покрытием жидким стеклом.

Материалы и аноды

Сернокислое олово SnSО4. Молекулярный вес 215. Растворимость в воде до 190 г/л. Промышленностью производится в готовом виде, а также приготовляется непосредственно в цехе.

Фенол С6Н5ОН (карболовая кислота). Молекулярный вес 94. Удельный вес 1,07. Белая кристаллическая масса с розовым оттенком и характерным запахом. Растворимость в воде около 60 г/л. Применяется в сульфированном виде при составлении сернокислого электролита. Наиболее пригодна неслищенная техническая карболовая кислота

Четыреххлористое олово SnCl4.Молекулярный вес 260,5. Удельный вес 2,23. Бесцветная дымящаяся жидкость. Кроме без-водного (ОСТ 176) известно также в виде кристаллическоя белая массы SnCl4*5H2O.

Двухлористое олово SnCl2 2Н2. Молекулярный вес 225,6. Удельный вес 2,7. Бесцветная кристаллическая масса.По ОСТ 5389 не содержит вредных примесей. Примениется при составлении щелочного электролита с последующим окислением в Na2SnO3 * 3H2О, а также при составлении солянокислого электролита.

Уксуснокислый натрий CH COONa*3H2О. Молекулярный вес 136. Удельный вес 1,53. Растворимость около 150 г/л. Кристаллы белого цвета. Применяется как буферное соединение в щелочных злектролитах. По ГОСТ 2080- 43 не содержит вредных примесей.

Аноды оловянные. Для покрития лишевой апаратуры применяют марку 0-1, для прочих целей могут быть использованы марки 0-2 и 0-3 и даже отходы высокооловянистых баббитов. Аноды отливают непосредственно в цехе по требуемым размерам. По ГОСТ 860-41 олово марки 0-1 может содержать вредные примеси: РЬ не более 0,04% , As w S не более 0,015% каждого и Сu не более 0,01%.

Характеристика электролитов гальванического лужения

Хорошие покрытия могут быть подучены как из кислых, гак и нз щелочных электролитов.

Кислые электролиты имеют следующие достоинства: хорошую рассевающую способность, высокий выход по току, возможность применения высоких плотностей тока и большую устойчивость в процессе эксплуатации. Кроме того, электрохимический эквивалент олова в кислых электролитах вдвое больше чем в щелочных и, следовательно, при равных условиях осаждение олова в них происходит вдвое быстрее. Кислые электролиты не требуют подогрева и вытяжной бортовой вентиляции. Поэтому огромное большинство деталей покрывают в кислых электролитах.

Щелочные электролиты имеют следующие положительные свойства: высокую рассеивающую способность, мелкокристаллическую структуру и красивый белый цвет покрытий.

К существенным недостаткам щелочных электролитов следует отнести сравнительно низкий выход по току, невозможность использования высоких плотностей тока, скорость осаждения вдвое меньшую, чем в кислых электролитах, неустойчивость состава и склонность к образованию губчатых осадков, а также необходимость нагревания электролита н применення бортовой вентиляции. Поэтому щелочные электролиты применяют лишь при покрытии деталей сложного профиля, проволок многожильного кабеля в сплетенном виде и в других случаях, когда рассеивающая способность кислых электролитов оказывается недостаточной.

Кислые электролиты. Из кислых электролитов наибольшее применение получил простой и устойчивый, проверенный в условиях эксплуатации сернокислый злектролит:

Повышение рабочей температуры выше 30° является нежелательным, вследствие ухудшения качества покрытия за счет резкого снижения действия коллоидных добавок клея и фенола.

Электролит в спокойном состояник обнаруживает склонность к расслаиванию. Для устранения этого явлення, повышения а также для рабочей плотности тока электролит обязательно перемешивают сжатым воздухом или механическими мешалками.

При нанесеник тонких слоев олова, не превышающих 10 мк, катодная плотность тока может быть доведена до 4-5 а/дм2 при сохранении доброкачественности и хорошего внешнего вида покрытия.

Лужение проволоки и ленты с непрерывной их подачей через ванну может производиться при плотности тока 8-10 а/дм3 и выше,

Из кислых электролитов производственное применение имеег также солянокислый злектролит лужения:

Электролит также необходимо перемешивать в процессе эксплуатации.

Солянокислый электролит обладает всеми качествами сернокислого, но неустойчив в эксплуатации и требует частых корректировок.

Кроме указанных электролитов известен также борфтористо-водородный электролит. Состав и режим работы его следующие:

При эксплуатации электролита необходимо непрерывное перемешивание. Электролит не уступает по своим свойствам серпокислому. Широкому применению его препятствует высокая стоимость и дефицитность плавиковой кислогы.

Для определения времени выдержки при лужении в кислых электролитах следует пользоваться данными таблицы.

Составление кислых электролитов. При составлении сернокислого электролита наибольшие трудности создает приготовление сернокислого олова.

Ниже приведено краткое описание четырех основных способов получения сернокислого олова для электролита лужения.

Наиболее простым является способ анодного растворения олова без применения диафрагм. Для этой цели в ванну вводят все компоненты сернокислого электролита в соответствии с указанным составом, причем серную кислоту приливают в удвоенном количестве против принятого по составу, с учетом ее расхода на образование сернокислого олова. Оловянные аноды завешивают так, чтобы площадь их была набольшей.

В качестве катода наиболее рационально завесить один из оловянных анодов. Сила тока должна быть наибольшей, катод-ная плотность тока также должна быть около 7-8 а/дм2, а анодная плотность тока не должна превышать 1,5-2 а/дм2. Процесс анодного растворения олова следует вести при непре-рывном перемешивании сжатым воздухом. Для достижения конценграцин сернокислого олова, отвечающей заданному составу, необходимо пропустить до 50 а-час на 1 л электролита. Следовательно, промесс насыщения оловом может быть весьма продолжительным. Однако в случае, необходимости, производственная эксплуатация такого электролита может быть начата уже через 3-4 часа после начала анодного растворения олова, так как к этому времени электролит получает способность давать удовлетворительные покрытия.

Для анодного растворения олова с применением диафрагм в ванну наливают серную кислоту, устанавливая ее концентрацию в 70-80 г/л. В ванну завешивают оловянные аноды и прутковые свинцовые катоды, включенные в цилиндрические пористые диафрагмы из кислотоупорной керамики, пористого винипласта или из других материалов и наполненные тем же раствором серной кислоты. Для получении необходимой концентрации сернокислого олова необходимо пропустить 15 а-час на 1 л злектролита, после чего раствор анализируют на содержание SnSO4, вводят сернокислый натрий, клен и сульфированный фенол и проверяют качество покрытий на пробной партии деталей.

Способ химического получения сернокислого олова с применением медного купороса CuSO4*5H2О основан на контактном выделении меди из раствора медного купороса, с растворением более электроотрицательного олова, в обменной реакции: CuSO4+ Sn -> SnSO4 + Cu.

Для этой цели металлическое олово пепеводят в порошок путем измельчения кусков олова при 200°. Можно также пользоваться тонкой оловянной стружкой или грану ированным оловом, получая его литьем расплавленного олова в воду так же, как это делается при получени дроби.

Для практического проведения реакции в ванне растворяют медный купорос из расчета 60 г/л, добавляют серную кислоту в количестве около 50 г/л, ватем нагревают раствор до 70-80° и при непрерывном перемешивании сжатым воздухом добавляют оловянный порошок из расчета 35 - 40 г/л раствора, перемешивая раствор до полного его обесцвечивания и, следовательно до полного перехода CuSO4 в SnSO4. После декантаци раствора в него добавляют сернокислый натрий, клен и фенол, производят анализ и корректировку электролита и приступают к его эксплуатацин.

Наконец, сернокислое олово можно приготовить электро-химическим путем, с помощью медного купороса, по схеме работы гальванического элемента.

Для этой цели, как и в предыдущем случае, в ванне приготовляют раствор, состоящий из CuSO4*5H2О с концентрацией 60 г/л и серной кислоты с концентрацией 50 г/л. На катодные штанги завешивают медные пластинки. На анодных штангах завешивавот оловянные аноды.

Для замыкания внешней цепи катодные и анодные штанги соединяют проводником, как это показано на рис. , подогревают раствор до 70 - 80° вклчают перемешивание сжатым воздухом. Выделение металлической меди на медных катодах и растворение олова происходит до обесцвечивания раствора. По окончании реакции раствор фильтруют, добавляют сернокислый натрий, клей фенол, после чeгo электролит может применяться для покрытия.

Схема получения серно-кислого олова

Приготовление солянокислых электролитов не имеет спецфических особенностей. При составлении электролита фтористый натрий образует на дне ванны белый студенистый осадок, находящийся в ней постоянно и являющийся буфером для сохранения низкой концентрации HCI.

Корректировку сернокислого электролита производят (по результатам анализа) серной кислотой, а добавки клея и фенола вводят исходя из внешнего вида покрытий.

Корректировку солянокислого электролита производят главным образом по содержанию свободноя НСІ, определяя ее концентрацию титрованием.

Добавки желатины или клея также вводят судя по внешним показателям покрытия.

Борфтористоводородный электролит корректируют (по результатам анализа) свободной HBF4, и побавками клея на основании внешнего вида покрытий.

Основным недостатком в кислых электролитах является образование грубых, крупнокристаллических и даже игольчатых осадков олова, связанное с недостатком клея, желатины и фенола.

Резкое помутнение электролитов образованием белых коллоидальных гидрагов закиси олова связано с недостатком свободной кислоты.

Покрытия темного цвета образуются при наличии вредных примесей других металлов, например, меди. Удаление примесей меди производят проработкой электролита при низком напряжении. Сильное газовыделение на анодах имеет место при их пассивировании вследствие наличия примеси свинца в оловянных анодах.

Щелочной электролит. Подогревание электролита и поддержание его рабочей температуры осуществляют посредством глухого железного парового змеевика, расположенного по дну ванны. В связк с сильным газовыделением во время процесса, ванну необходимо снабдить вытяжной бортовой вентиляцией.

Для нормальной работы электролита вполне достаточно наличия первых двух компонентов станната натрия и свободной щелочи.

Тем не менее в электролит, для устойчивости и поддержа-ния постоянной шелочности, вводят буферную соль-уксусвокислый натрий.

При определении времени, необходимого для отложения слоя заданной толщины, следует пользоваться данными таблицы, в которой приведена скорость осаждения олова из щелочного электролита при различных плотностях тока и коэффициентах выхода по току.

Составление щелочного электролита может быть выполнено двумя способами. При наличии четырехлористого олова наиболее простым и быстрым способом является получение станната натрия при взанмодействии кристаллического четыреххлористого олова с едким натрием по реакции:

SnCI4 + 6NaOHl = Na2SnO3 + 4NaCI + 3H2О.

Для этого расчетные количества SnCl4 * 5H2О и NaOH растворяют отдельно при нагревании до 60-70° и затем приливают к раствору щелочи четырехлористое олово тонкой струей, при энергичном перемешивании. К полученному раствору стан-ната натрия добавляют расчетное количество уксуснокислого натрия, доводят элекгролит до рабочего уровня, анализируют на содержание свободного NO и, если необходимо, корректируют. Перед опробованием электролита в него вводят по 1-2 мл/л 10° перекиси волорода для перевода возможных примесей двухвалентных соединений олова в четырехвалентные и предотвращения тем самым образования губчатых и рыхлых осадков олова.

Составление электролита по этому способу возможно и с использованием двухлористого олова SnCl2 * 2Н2О. Тогда реакция образования станнита идет по уравнению:

SnCI2 + 4NaOH == Na2SnO2 + 2NaCI + 2H2О.

В этом случае перевод станнита в станнат и приведение электролита в рабочее состояние требуют длительного проме-жутка времени и достигаются путем введения в раствор перекиси водорода, а также посредством проработки электролита со специально подготовленными анодами. Подготовка анодов заключается в резком повышении в течение 5-10 мин. анодной плотности тока в 2--3 раза больше нормальной. При этом происходит пассивирование поверхности анодов с образованием на них пленки окислов характерного желтого цвета. Такие аноды растворяются с образованием то ко четырехвалентного олова, а на анодах выделяется кислород, окисляющий двухвалентное олово в четырехвалентное. После такой кратковреченной про-работки снижают анодную плотность тока до нормальной и продолжают вести процесс луження. Аноды при этом должны сохранять свой желтый цвет. Если же на анодах образовался рыхлый черный налет, снова повторяют проработку до образования желтых окислов.

Второй способ приготовления щелочного злектролита за-ключается в анодном растворенни олова с применением диафрагм.

Для этой гели ванну наподняют раствором NaOH концентрацией 50-60 г/л и подогревают его до 65-70°. На анодные штанги завешивают оловянные аноды, а на катодную завешивают стальные стержни, погруженные в пористые цилиндрические сосуды, наполненные тем же щелочным раствором, который находится в ванне. Для того чтобы олово растворялось в четырех-валентной форме, аноды прорабатывают до образования желтой пленки, как это описано выше. Затем ток снижают до 1-2 а/дм и при этой анодной плотности пропускают 50-60 а-час на 1 л электролита до накопления Na2SnO3  в количестве 80-100 г/л. Электролит анализируют, если нужно корректируют содержание Na2SnO3 и NОН, вводят перекись водорода и уксусно-кислый натрий и приступают к ее эксплуатации.

Корректировку электролита на содержанне Na2SnO3 и NaOH производят по результатам анализа, малыми дозами, не реже одного раза в сутки.

При анализе электролита следует учесть, что едкий натрий легко поглощает углекислоту воздуха и переходит в карбонаты.

Поэтому анализ следует производить не на общую щелочность, а на содержание NaOH. Кроме того, вследствие испарения воды уровень злектролита непрерывно понижается и его необходимо систематически поддерживать добавлением горячей воды.
К основным неполадкам щелочного электролита следует отнести помутнение электролита, связанное с недостатком щелочи.

Большое газовыделение во время процесса указывает на избыток щелочи, устраняемый добавками Na2SnO3

Получение темносерых губчатых осадков, особенно на краях деталей, и потемнение анодов указывают на высокое содержание гатхвалентного олова в электролите. Для устранения этого дефекта производят кратковременное пассивирование анодов до получения на них желтой пленки, как это указано выше. Для этой же цели возможно введение перекиси водрода или пер-бората натрия. Хорошие результаты дает также проработка электролита с оловянными и стальными анодами, соотношение площадей которых равно 5 : 3.

В этом случае окисление двухвалентного олова в четырех-валентное производится кислородом, выделяющимся на нерастворимых стальных анодах.

Частные случаи лужения

Красивое, декоративное покрытие оловом, известное под названием «кристаллит», было разработано нашими исследователями для изделий широкого потребления. Сущность его заключается в получении оловяпного покрытия, сходного по узорчатости с известным лаком «мороз».

Для получения такого покрытия металлические изделия после обычных подготовительных операций завешивают в ванну кислого лужения н осаждают слой толщиной 3-5 мк при плотн сти тока, дающей темные крупнокристаллические осадки (не менее 4-5 а/дм?). Затем луженые изделия переносят в печь и подогревают их до температуры 300-350°. Каплеобразование олова при этом отсутствует. Затем детали снова завешивают на ка-тодную штангу в ванну лужения на 5-10 мин. при плотности тока 0,2-0,3 а/дм. При этом выявляется кристаллическая узорчатость оплавленного слоя. Для создания лучшего декоративного вида облуженные изделия дополнительпо покрывают цветными цапон-лаками.

В некоторых случаях для покрытия деталей тонким слоем олова в декоративных целях, или в целях создания притирочного слоя применяют лужение без использования внешнего тока, или так называемое контактное лужение. Так, например, широко используется контактное лужение мелких стальных, латунных и медных изделив широкого потребления.

Подготовку деталей к покрытию производят, как это принято при массовом покрытии мелких деталей, с использованием барабанов, корзинок и сеток. Обезжиренные и декапированные детали загружают в ванны контактного лужения.Схематическая конструкция такой ванны приведена на рисунке. Емкость ванн не превышает 20-30 л. Для покрытия сгальных деталея в ванну заливают насощенный раствор кислого виннокислого калия КНС4Н4О6, к которому добавлено 3 - 4 г/л длухлористого олова SnCl2* 2H20.

Рис.Бачок для кон­тактного лужения мел­ких деталей (общий вид).

В качестве вытесняющего металла применяют мелко грану­лированные кусочки цинка. Рабочую температуру ванны под­держивают в пределах 95—100°. Выдержка при покрытии зависит от площади покрываемых деталей и колеблется от 0,5 до 2 час. Во время покрытия детали, расположенные в сетчатых корзинах,периодически встряхивают. Для луже­ния медных и латунных деталей при­меняют раствор, состоящий из кислого виннокислого калия КНС4Н406 с кон­центрацией 10 г/л и двухлористого олова 5пС12*2Н20 в количестве 25 г/л. Для покрытия мелких латунных деталей может быть также использован рас­твор, состоящий из 30 г/л 8пС12*2Н20 и 60 г/л N8014. Введение кусочков пинка, поддержание рабочей темпера­туры в пределах 95 — 100° и длитель­ная выдержка необходимы для всех растворов, приведенных выше, алюминиевых или дюралевых деталей.

При составлении раствора (для перевода метаоловянной кис­лоты в раствор) в него вводят до 20 мл/л 30-процентного раствора перекиси водорода.

Приготовление раствора производят при энергичном воз­душном перемешивании и охлаждении раствора водяной рубашкой.

После отстаивания в течение 12—15 час. раствор может использоваться для покрытия. Производительность раствора составляет около 1 л на 1 м2 покрываемой площади, после чего раствор сменяется полностью.

Дополнительная обработка оловянных покрытий. С целью приближения гальванических осадков олова по внешности и по физическим свойствам к покрытиям, полученным горячим спо­собом, в некоторых случаях, например, при получении белой жести, производят оплавление гальванических покрытий в спе­циальных установках, посредством токов высокой частоты.

Оловянное покрытие для указанных целей может быть односторонним.

Приемка луженых деталей и регенерация олова. Покрытие оловом должно быть плотным, равномерным, иметь светлый оттенок и не должно быть шероховатым, игольчатом структуры. На покрытии допускается изменение оттенков и местный блеск, а также непокрытые точки в местах контактов деталей с приспособлениями. Не допускается вздутий, отслаивания, губчатых и рыхлых покрытий, а также осыпания осадков и наличие непокрытых участков.

Определение толщины оловянных покрытий производят капельным или струйным методом по ГОСТ 3263-46. Пористости покрытий проверяют ферроксильными растворами по ГОСТ 326-446. Технические условия на покрытие оловом белой жести указаны в ГОСТ 5343 50.

Анодами служат детали, некачественно покрытые оловом, или отходы жести, которые укладывают в специальные анодные рамы, имеющие форму квадратных сетчатых ящиков с жестким каркасом из углового железа и выдвижной стенкой. Катодами служат стальные листы, помещаемые между рамами, с разме­рами, отвечающими размерам анодных рам. Для улучшения анодного растворения олова электролит непрерывно перекачи­вают насосом в сборник, сообщая электролиту циркуляцию, как это показано на фиг. 19.

Рабочее напряжение на шинах ванн колеблется в прелелах 0,7—1,0 в, но когда процесс подходит к концу, напряжение повышается до 1,5—2 в, что служит указанием на окончание процесса. Продолжительность электролиза составляет 4—5 час. Расход электроэнергии равен 1,7—1,8 квт-час на 1 кг оса­жденного олова.

Губчатый осадок металлического олова снимают с катодных листов, промывают, сушат, брикетируют и плавят. Выход олова в слитках составляет до 80°/0 от веса губчатого осадка.