Существует два основных способа металлообработки оловом, электролитическое и горячий.
Электролитическое лужение заключается в восстановлении олова в виде четырехвалентного, в кислых электролитах в виде двухвалентного, данный способ создает более мягкую и ровную структуру.
Горячий способ заключается в погружении в расплавленное олово металлических заготовок.
В лабораторных условиях возможно нанесения олова как горячим лужением так и электролитическим, в зависимости от нужного результата.
Осаждение олова применяется в гальванотехнике значительно реже, чем другие виды покрытий. Стойкость олова при воздействии органических кислот и безвредность его соединений для человеческого организма позволяют применять оловянные покрытия в пищевой промышленности. Лужение используется и в некоторых областях электротехники. В основном его применяют в следующих специальных случаях: изготовление белой жести (луженое железо) для консервной тары; защита от коррозии хозяйственных предметов, предназначенных для изготовления и хранения пищевых продуктов (котлов для варки пищи, молочных бидонов, чайников, мясорубок и др.); покрытие деталей приборов и электрических контактов для последующей пайки; защита медных проводов от действия на них серы в процессе вулканизации; герметизация свинчиваемых резьбовых соединений.
Оловянные покрытия наносятся горячим или электролитическим способом. Преимуществом электролитического способа является получение более равномерного осадка и более экономное расходование олова. Учитывая дефицитность и высокую стоимость олова, целесообразно, где это возможно, заменять горячий метод лужения электролитическим.
Защитные свойства оловянных покрытий, полученных электролитическим способом, ниже, чем покрытий, полученных горячим способом, однако свойства электроосажденных и оплавленных покрытий и покрытий, полученных горячим способом, примерно одинаковы.
Электролитическое лужение осуществляется в кислых и в щелочных электролитах. В щелочных электролитах олово находится в виде четырехвалентного, в кислых электролитах в виде двухвалентного. Таким образом, при одинаковых плотностях тока и выходе по току осаждение олова в кислых электролитах протекает в 2 раза быстрее, чем в щелочных. Однако структура осадков из кислых электролитов получается более крупнокристаллической, а рассеивающая способность в них значительно хуже, чем в щелочных.
Поэтому для покрытия сложнопрофилированных изделий применяются щелочные электролиты, а для покрытия простых по форме и плоских изделий могут применяться и кислые электролиты.
Наиболее широко применяют сернокислые электролиты, в которых олово находится в виде двухвалентных ионов. Катодный процесс в этих электролитах сводится к реакции:
Sn2+ + 2е → Sn
Стандартный потенциал олова (φ°Sn/Sn2+) равен —0,136 в. Из двух катионов, находящихся в растворе, Sn2+ и Н+ разряжается в основном ион Sn2+. Разряд ионов Н+ затруднен благодаря большому перенапряжению его на олове.
В отсутствие специальных добавок процесс протекает без заметной поляризации, и в этом случае наблюдается интенсивный рост изолированных игольчатых кристаллов. Введение в электролит некоторых добавок (клей, фенол, крезол и их производные) значительно увеличивает катодную поляризацию; меняется также и структура осадков олова — они получаются гладкими, плотными и зеркальноблестящими.
В сернокислом электролите возможно образование Sn4+ при окислении сульфата олова кислородом воздуха: SnSO4 + H2SO4 + 1/2O2 ⇄Sn (SO4)2 + H2O
Сульфат четырехвалентного олова легко гидролизуется:
Sn(SO4)2 + 4Н2O ⇄ Sn(ОН)4 + 2H2SO4
Из уравнения вытекает, что с увеличением концентрации серной кислоты устойчивость сернокислого электролита должна увеличиваться.
Качество осадка в значительной степени зависит от условий электролиза — плотности тока и температуры электролита. При малой плотности тока получаются крупнокристаллические осадки; повышение температуры сказывается неблагоприятно, так как увеличивается скорость гидролиза.
Процесс ведется при 18—25° С при плотности тока 1—3 а/дм2 с выходом по току 90—95 %.
В последнее время все большее применение получают галогенные электролиты благодаря тому, что они позволяют работать с более высокими плотностями тока (до 40—50 а/дм2); они являются также более устойчивыми и дешевыми.
По данным П. С. Титова, удовлетворительные осадки получаются только в электролитах, содержащих наряду с ионами хлора, ионы фтора и образующих комплексный анион [SnF2Cl2]2-. Этим обстоятельством объясняется, высокая катодная поляризация и, как следствие, образование мелкокристаллических осадков.
Основными компонентами щелочных оловянных электролитов являются станнат натрия Na2SnO3 и NaOH. Кроме того, в растворе при определенных условиях может присутствовать станнит натрия Na2SNO2. Оба соединения олова диссоциируют по схеме:
Na2SnO3 → 2Na++SnO2-3 Na2SnO2 → 2Na++SnO2-3
SnO2-+ 3H2O ⇄Sn4++6OH—
SnO2- + 2H2O ⇄ Sn2+ +4OH—
Соотношение концентраций, станнита и станната определяется уравнением:
2Sn2+ ⇄ Sn+Sn4+
Более прочным является станнат натрия, благодаря чему равновесие сдвигается вправо, но ввиду близости потенциалов Sn/Sn2+, Sn/Sn4+ и Sn2+/Sn4+, оно устанавливается медленно.
На катоде возможен разряд ионов Sn2+ и Sn4+. Двухвалентные ионы олова разряжаются без заметной поляризации в результате чего образуются крупные кристаллы олова. Четырехвалентные ионы олова разряжаются со значительной химической поляризацией и при этом получается плотный мелкокристаллический осадок. Поэтому при приготовлении электролита особое внимание уделяют полному окислению ионов Sn2+.
Рис. 2. Зависимость анодного потенциала олова от плотности тока. Состав электролита (в г/л): Sn — 28, NaOH—13; температура 70° С.
Наряду с разрядом олова на катоде происходит разряд ионов водорода, однако значительное перенапряжение водорода на олове способствует преимущественному выделению олова. Щелочь в станнатных электролитах играет роль комплексообразователя; увеличение щелочи заметно смещает равновесие в сторону уменьшения концентрации Sn4+ и соответственно сдвигает потенциал в сторону электроотрицательных значений. По этим соображениям в электролите поддерживается умеренная концентрация свободной щелочи. Процесс осаждения олова ведут при повышенных температурах (65—70°С); при более низких температурах получаются темные и рыхлые осадки.
Режим анодного растворения является определяющим для получения хороших катодных отложений олова. Анодное растворение необходимо вести таким образом, чтобы олово растворялось в форме Sn4+. При низкой плотности тока образуются ионы Sn2+;
Sn → Sn2++2е
При повышенной плотности тока на аноде происходит формирование гидроокисной пленки золотистого цвета. Это приводит к заметному сдвигу потен циала в область электроположительных значений, при котором образуются ионы Sn4+:
Sn → Sn4++4е
При слишком высокой анодной плотности тока, растворение олова прекратится и будет происходить только разряд гидроксильных ионов. На анодной поляризационной кривой (рис. 2) наступление полной пассивности будет соответствовать резкому скачку потенциала в область электроположительных значений. Интервал плотностей токов, в котором происходит преимущественное образование Sn4+, зависит от условий электролиза концентрация щелочи, температура электролита и т. д.). В нашем примере (рис. 2) этот процесс протекает в интервале 1,5—3,0 а/дм2.
В начале электролиза необходимо как можно быстрее запассивировать анод, чтобы избежать образования ионов Sn2+. Для этого анод подвергают «формированию» при повышенной плотности тока. После того как пассивная пленка сформировалась, ток на ванне понижают до рабочего.
Процесс ведут при 70—80° С с катодной плотностью тока 1,5—2 а/дм2 и выходом по току 65—70%. Начальная анодная плотность тока составляет около 4 а/дм2, после образования золотистой пленки ее снижают до 2 а/дм2.
Интенсификация процесса может быть достигнута путем замены натриевого электролита калиевым, так как растворимость станната калия почти в 2 раза больше растворимости станната натрия.
Рассеивающая способность станнатных электролитов благодаря значительной поляризуемости катода и значительной удельной электропроводности высокая.
При электролитическом лужении консервной жести с толщиной покрытия порядка 1 мк оплавление является обязательной операцией. Оплавлению легче поддаются осадки олова, полученные из щелочных электролитов. При оплавлении олова, осажденного из кислых электролитов, наблюдается склонность его к собиранию в капельки. Перед оплавлением производится обработка поверхности, покрытой оловом, 5—6% водным раствором флюса (3 вес. ч. ZnCl2 и 1 вес. ч. NH4Cl). После этого изделие выдерживают несколько секунд при 550—600° С.
При лужении жести нагревание обычно осуществляют индуктивным методом. Оплавление мелких изделий можно осуществлять в глицерине или высококипящих маслах.
Для декоративных целей изделия подвергают оплавлению при 280—350° С. После охлаждения производят повторное лужение тонким слоем в том же электролите. При этом тонкий слой олова выявляет структуру подслоя, что придает поверхности узорчатый рисунок. Защитно-декоративные свойства покрытия улучшаются окраской цветными лаками.
Статья на тему Лужение