Гальваническое лужение в домашних условиях

Для чего и как лудят металл

Лужение – это нанесение тонного слоя олова или его сплава на поверхность металлического изделия. Специалисты этот слой называют полудой. Лужение металла используется сегодня во многих отраслях промышленности: в радиотехнике, электротехнике, машиностроении и авиационной промышленности.

Жало паяльника лудят, чтобы он хорошо удерживал припой и не окислялся. Основное требование к процессу – это плотное и тонкое покрытие оловом, которое является защитным слоем для металла в борьбе с коррозией. Существуют две технологии лужения металлов: горячее и гальваническое.

Горячие технологии

Горячее лужение проводится двумя методами: погружением и растиранием. В первом случае изделие из металла погружают в ванну с расплавленным оловом. Во втором сплав наносится на плоскость изделия и паклей растирается по ней тонким слоем.

Эти способы известны давно, технологии отработаны до мелочей. Они просты и не требуют наличия сложного оборудования, приспособлений и инструментов.

Когда говорят о лужении и пайке, то зачастую имеют в виду именно горячий метод. Но есть у этой технологии и свои минусы. Во-первых, это неравномерно распределяемое олово по поверхности изделий из металла.

Особенно это касается способа погружения. Перепады одной плоскости могут оказаться значительными, особенно, если изделие имеет сложную конструкцию. Поэтому их приходится дорабатывать.

Если производится лужение металла с отверстиями небольшого диаметра или с мелкой нарезкой, то горячий вариант здесь не подойдет.

И третий недостаток горячего лужения – это сложность удаления загрязнений, которые образуются внутри сплава и остаются внутри полуды. Эти примеси приходят с припоем, поэтому очень важно использовать оловянный сплав высокой чистоты.

Гальваническая технология

Гальванический вариант облуживания делится также на два способа: в щелочных и кислых электролитах. Название говорит о том, что процесс нанесения олова основан на использовании электрического тока.

Отсюда и затратность процесса. Но именно эта технология гарантирует прочное сцепление наносимого сплава с металлической поверхностью. Есть и другие положительные стороны:

  • оловянный слой получается ровным и равномерным;
  • можно задавать необходимую толщину покрытия, даже на самых сложных конструкциях из металла;
  • низкая пористость покрываемого слоя;
  • экономия оловянного припоя.

Обычно изделия со сложными формами облуживают с помощью щелочных электролитов, потому что этот вариант лужения обладает большой кроющей и рассеивающей способностью.

К недостаткам гальванической технологии лужения относится то, что этот способ сложный. Проводить его могут работники с высокой квалификацией, а это затраты по зарплате. То есть, залудить металл этим способом в домашних условиях нельзя. К тому же для проведения процесса необходимы специальные ванны.

Если говорить о технологии лужения со щелочными электролитами, то сам раствор является нестабильным, его сложно готовить, и придется все время контролировать концентрацию щелочи и качественное состояние анодов.

Подготовка изделий

Чем чище будет поверхность металла, тем прочнее к ней прикрепится припой. Поэтому в зависимости от требований к самой заготовке используются разные способы подготовки к лужению металла.

Первый способ – это очистка поверхности металла щетками. Обычно таким инструментом снимается окалина и ржавчина. Сначала изделие промывается водой, а затем щеткой вычищается. Нередко на этой стадии применяют известь, песок, пемзу.

Следующий способ подготовки к лужению заключается в шлифовании металла шкурками и дисками. Этот этап является доработкой изделия, то есть, доведение его поверхности до максимальной ровности.

Применяют обезжиривание с помощью натриевых составов: едкий натр – 10-15%, фосфорнокислый натрий – 10-15%, углекислый натрий – 10-15%-ный раствор. Добавим, что химические растворы перед использованием надо нагреть до 50-80С.

Применяют также травление. Для этого используют серную кислоту.

Особенности растирания и погружения

Технология лужения растиранием в своей основе содержит такой процесс, когда припой наносится на металлическое изделие и растирается паклей. При этом используется флюс в виде нашатыря и хлористого цинка. Вот последовательность операций:

  1. хлористый цинк наносится на металл и нагревается паяльной лампой;
  2. когда он закипит, в него вносится припой, который расплавляется;
  3. сверху посыпается нашатырь в виде порошка;
  4. затем паклей жидкое олово растирается по поверхности металлического изделия.

Для способа погружения используют лудильные ванны, в которых олово нагревается до +300 ℃. В расплавленный сплав опускается изделие из металла, которое покрывается слоем припоя.

При этом, чем дольше оно лежит в ванне, тем толще слой олова на нем осядет. Когда проводят лужение паяльника, то вначале нагревают его, затем погружают в канифоль, и только потом расплавляют им маленький кусочек олова, тем самым обеспечивая покрытие.

Раствор при гальванической обработке

В принципе, обе технологии лужения (со щелочными и с кислыми электролитами) отличаются друг от друга присутствием в электролитной ванне щелочного или кислотного раствора. Сам же процесс налипания олова у них одинаковый, и происходит он при помощи электрического тока.

В состав кислотных растворов входит сернокислое олово, серная кислота, вещества кипиллярно-активного типа (это фенол или крезол), коллоидные вещества (клей, никотин, желатин или схожие с ними вещества).

Очень важно точно соблюсти пропорции основных компонентов: сернокислое олово – 65 г/л, серная кислота – 100 г/л.

Что касается щелочных растворов для лужения металлов, то их разнообразие не определяется одной рецептурой. Поэтому состав растворов разный. В одних используется хлористое олово, в других оловянно-кислый натрий, в третьих двухлористое олово.

То же самое касается и растворителей. Здесь и едкий нарт, и уксуснокислый натрий, и едкое кали. Можно из расчета наличия тех или иных компонентов подобрать свою рецептуру раствора.

При этом в каждой обязательно будут свои концентрации веществ. Конечно, под каждую рецептуру подбирается плотность тока и температура нагрева раствора в ванне.

Лужение, как защитный процесс металлов от коррозии, один из самых востребованных. Он не очень дешевый, но эффективный по сравнению со многими технологиями. Поэтому его часто применяют в разных производствах.

Лужение как процесс. Простой самодельный инструмент для него

Лужение само по себе — замечательный способ уберечь многие металлы, но чаще всего медь и железо, от окисления кислородом воздуха, действия кислот и щелочей. В сущности, заключается в покрытии защищаемого металла, тонким слоем другого металла лучше противостоящего окислению. Одним из наиболее употребительных для этой цели металлов служит олово, на которое воздух и влага влияют весьма мало, а слабые растительные кислоты, жиры и прочие составные части пищевых продуктов совсем не действуют. Покрывание металлической поверхности тонким слоем олова называется лужением, а сам слой олова полудой. При покрывании металла оловом весьма важно получить совершенно равномерный, плотный и прочный оловянный слой, хорошо защищающий поверхность металла от окисления.

Луди, паяй, чуди безбожно.

Но не гуляй, куда не можно.

Главней запрета в мире нет.

Уверуй в это с юных лет.

Михаил Щербаков — «Заклинанье»

Стальные луженые тазы и кастрюли канули в прошлое, однако и сегодня лужение используется для защиты железа (стали) от пищевых щелочей и кислот. Существует такой, вполне распространенный материал как «белая жесть». В сущности, под этим понятием подразумевается вообще сталь листовая, покрытая защитным металлом, будь то цинк, хром или наше олово. Жесть покрытая оловом применяется именно в пищевой промышленности, в частности, из нее, делаются консервные банки и еще некоторые предметы кухонного-пищевого назначения.

Лужение также является неотъемлемой операцией предваряющей собственно пайку. Не важно, конструктивную или для электромонтажа. Собственно, обычно, электромонтажная пайка выглядит так — зачистка поверхностей, нанесения флюса, лужение. Спаиваемые поверхности или выводы складываются, при необходимости закрепляются. На место пайки наносится флюс. Место пайки прогревается и вносится припой, либо, каплю расплавленного припоя вносят на жале паяльника, к слову, также предварительно луженого (медные жала). После растекания припоя, нагрев убирают. Дождавшись полной его кристаллизации, а затем и остывания, место пайки промывают в случае необходимости от остатков флюса (особенно тщательно при использовании кислотных флюсов) и при необходимости изолируют. Следует знать, что принудительное охлаждение места пайки, существенно снижает механические показатели шва.

В радиолюбительской практике, лужение больших плоских поверхностей встречается при изготовлении печатных плат. Лудить дорожки платы стоит от того, что сделать это на плоской поверхности, единообразно, значительно проще, чем потом, при монтаже, для каждого элемента в отдельности. То есть, время не экономится совершенно, экономия на припое также сомнительна, учитывая последующую дополнительную возню. Тем не менее есть ряд преимуществ. Печатная плата с лужеными дорожками удобна в последующей сборке независимо от времени хранения, обеспечивает надежный механический контакт («общий», через винты крепления). Лужение, также устраняет мелкие дефекты дорожек и повышает их нагрузочную способность. Правда лудить паяльником, даже с большим и плоским «жалом» не особенно удобно. Такое лужение выглядит весьма неаккуратно — наплывы, иглы и несанкционированные перемычки, неравномерный трудно контролируемый слой полуды.

Для удобного и быстрого лужения некрупных железок, тех же печатных плат, можно применить способ погружения в расплав, для чего придется изготовить небольшую ванну со сплавом «Розе», разогреваемую обычной бытовой электрической плиткой.

Температура расплава 120—140° С. Чтобы предупредить окисление и появление шлаковой пленки на поверхности расплава, его заливают слоем химически чистого глицерина толщиной 20—25 мм. Процесс лужения происходит следующим образом. Щипцами с длинными ручками захватывают печатную плату и декапируют в 5%-ном растворе соляной кислоты, затем промывают 2—3 с в проточной воде и окунают на 1—2 с в расплав «Розе». Лишний расплав с печатной платы удаляют с помощью ракеля из вакуумной резины. После этого плата готова для сборки и монтажа навесных элементов. Установка для лужения должна быть обеспечена вытяжкой. Для стабилизации температуры расплава «Розе» в ванне можно использовать любой несложный терморегулятор. В качестве датчика температуры используется термопара «хромель-копель». Точность поддержания температуры ±10° С.

Разумеется, делать такую установку, стоит при сколь ни будь значительном количестве печатных плат или других не пищевых мелочей требующих лужения. Встречал когда то подобную установку на производстве и там, она использовалась для быстрого лужения концов монтажного провода.

Читайте также  Порошковая проволока и сварка с ее применением

Для домашней мастерской такая установка, как правило, излишня, требует дополнительного, специально оборудованного места и изрядного количества дорогостоящего сплава «Розе». Однако же и ручное лужение вульгарным паяльником, можно несколько модернизировать, существенно улучшив результат. Потребуется лишь изготовить простейший инструмент из подручных материалов и взять паяльник несколько мощнее обычного. Суть способа, в применении капиллярного эффекта, этакого фломастера для припоя. Его запас в расплавленном, понятно, состоянии впитан в медную плетенку и при «закрашивании» расходуется значительно более экономно и равномерно, в сравнении с лужением «не вооруженным» паяльником.

Что было использовано в работе.

Инструменты

Набор инструментов для радиомонтажа. Потребуется довольно мощный (65…75 Вт) паяльник с принадлежностями. Очень удобна специальная струбцина для фиксировании печатной платы.

Материалы

Флюс, припой, медная плетенка, лучше поплотнее, лучше не луженая. Медная проволока, деревянная палочка размером, с карандаш.

Сделать такой инструмент проще простого, следует только подыскать подходящую плетенку. Обычно, это не составляет труда — мастера, это плюшкины первостатейные и скажем, остатки экранов после разделки кабелей не выбрасывают. Кроме того, подобную медную плетенку, используют как не длинные сильноточные гибкие проводники, часто для соединения или подключения в контурах заземления. Правда там она уже луженная, что в отдельных случаях может быть неудобным (применение другого припоя). Есть еще специальная тонкая медная плетенка для электромонтажа, она без лужения, ее используют для сбора излишков припоя, выпаивания элементов.

Здесь использованы экраны от силового кабеля с экранированными проводниками. Они довольно жиденькие. В руках другая, значительно более плотная плетенка. Луженая. Придется вложить, хотя бы, один кусочек в другой. Можно конечно использовать и один слой, но работать он будет несколько хуже — быстро растрепывается конец и количество впитанного припоя невелико. Распределяется он по поверхности менее равномерно. Длинна медной части лудилки около 6…7 см, при этом, 1.5…2 см, для крепления на палочке.

Отрезаем с некоторым запасом два кусочка плетенки.

Одну из них следует расширить. Для этого аккуратненько сжимаем ее к середине, с концов, при этом, диаметр ее существенно увеличивается. Окончательно расширяем заточенным карандашиком, но без фанатизма, не то, станет расплетаться.

Теперь аккуратно продергиваем второй кусочек плетенки. Можно для плотности сразу два. Затем тянем за концы наружной плетенки, она «съезжается», как термотрубка, плотно охватывая содержимое. Получаем заготовку нужной плотности. Кусачками выравниваем один край и снова расширяем его заточенным карандашиком. Теперь обе плетенки вместе.

Не глубоко, на длине, чуть более 20 мм. Это мы формируем посадочное место для ручки-палочки. К слову, теперь ее нужно сделать или подобрать. Проще всего, конечно выстругать отколов ножом или топором кусочек прямослойной доски, но это может быть и ручка от старой кисточки и, пожалуй, карандаш.

Не повредит, острым ножом, чуть отступив от края палочки организовать небольшую кольцевую выемку, чтобы наша оплетка не сползла с ручки — при работе ее придется тянуть с некоторым усилием. Затем подготовленную двухслойную плетенку нахлобучиваем на ручку и в месте выемки, приматываем нетолстой медной проволокой. «Узелок» можно закрепить крохотной капелькой припоя, но и так, как будто бы не разматывается. Осталось уточнить длину и подрезать конец — длина «свободной» части, для мягкой плетенки из тонкого провода, удобна около 5 см.

Лудим конец плетенки тем припоем, которым предполагаем работать, при этом провода на конце частично расплетаются, это допустимо. Лудится несколько сантиметров от края, середина должна быть гибкая. Если припой не обычный ПОС, имеет смысл зафиксировать этот факт фломастером на ручке.

Выводы

Инструмент довольно удобен, время сильно не экономит, но обеспечивает существенно более равномерное покрытие. Кроме печатных плат, его можно использовать для лужения деталей перед конструкционной пайкой, в ювелирном деле, при изготовлении бижутерии, комбинированных витражах Тиффани со сложной пайкой. Для массивных металлических деталей, может потребоваться дополнительный подогрев (пламенем горелки, электроплитка, утюг, фен).

Применение олова для нанесения покрытий

В статье рассматриваются различные способы нанесения покрытий из олова. Особое внимание уделяется горячему лужению и гальваническому методу, для которых описаны особенности технологического процесса, приведены достоинства и недостатки.

Олово (Sn, Stannum) – относительно мягкий металл (твёрдость по Бриннелю НВ – 100-200 МПа) белого цвета с низкой температурой плавления (+232°С), широко применяется для покрытия металлических полуфабрикатов и готовых изделий с целью придать их поверхности определённые свойства. В силу своих физико-химических характеристик олово покрывает металл однородным, ровным и прочным защитным слоем. Процесс нанесения оловянного покрытия называется «лужение», а слой олова – «полуда». Толщина слоя определяется условиями эксплуатации изделия. Чаще всего лужению подвергаются детали из стали, меди, алюминия, а также из их сплавов.

Способы нанесения покрытий из олова

Оловянные покрытия сегодня в основном наносятся двумя методами, каждый из которых имеет ряд достоинств и недостатков. Один из них – это горячее металлопокрытие с погружением изделия в расплав олова. Во втором случае используется гальваническое (электролитическое) осаждение олова на поверхность детали, где в качестве исходного сырья применяются оловянные аноды с высокой химической чистотой. Существуют еще несколько механических и химических способов покрытия оловом (лужение натиранием, металлизация напылением, диффузионный метод и т.п.), которые в современных условиях имеют ограниченное применение из-за их сложности и низкой производительности.

Горячее лужение

Метод горячего металлопокрытия, или «метод погружения», заключается в том, что готовые детали, металлические листы или ленты, опускают в ванну (камеру) с расплавленным чистым оловом марок О1 и О2, которое слоем осаждается на их поверхности. Перед началом лужения полуфабрикаты подвергаются предварительной подготовке, их зачищают, обезжиривают в горячем водном растворе кальцинированной соды (Na2CO) и протравливают в 25 % растворе соляной кислоты (HCl). Цель подготовительных процедур – получить идеально чистую поверхность металла. На заключительном этапе подготовки выполняется флюсование. Изделия помещают в лудильную жидкость (активный флюс) с определённым химическим составом, основой которого обычно является хлористый цинк (ZnCl2). Его задача – защитить поверхность металла от окисления в процессе лужения. После этого, смоченное во флюсе изделие целиком погружают в расплавленное олово. Рабочая температура расплава составляет около 270-300°С, которая не позволяет олову окислиться, и вместе с тем, обеспечивает ему текучесть, комфортную для лужения. Время нахождения детали в расплаве зависит от того, какую толщину оловянного слоя требуется получить. Извлеченное из лудильной ванны изделие, уже покрытое слоем олова, отжимают (обтирают) и сушат, после чего оно готово к консервации и упаковке, или к повторному лужению.

Достоинства и недостатки горячего лужения

Ключевое преимущество метода горячего металлопокрытия – быстрота процесса. В числе его достоинств можно назвать высокую плотность и толщину покрытия до 25 мкм, качественное заполнение стыков и полостей деталей сложного профиля, повышающее коррозионную стойкость изделий. Недостатки – большой расход олова, что делает этот метод дорогостоящим, а также трудоёмкость процесса, включающего в себя ряд операций, которые должен выполнять вручную рабочий с соответствующим опытом. Ещё один минус – не достаточно равномерное распределение оловянного слоя в разных частях изделия.

Гальванический метод

Гальванический (электрохимический) метод лужения получил наибольшее распространение в современной металлургической промышленности. В основе технологии лежит электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении, переносе и осаждении составных частей растворенных веществ с размещенного в электролите положительно заряженного электрода (анода), на отрицательно заряженный электрод (катод) под воздействием электрического тока. В роли исходного сырья здесь выступает оловянный анод марки О1, содержащий не менее 99,9% чистого олова. Катодом является обрабатываемое изделие, металлический лист или лента. В качестве электролитов используют концентрированные водные растворы кислот или щелочей, содержащие соли олова.

Для справки
Химическая чистота оловянного анода обусловлена требованиями ГОСТ 860-75, в соответствии с которыми количество примесей в исходном сырье не должно превышать 0,1 процента от его общего объема. Плотность олова в анодах составляет около 7,29 г/см 3 . Используемые для лужения оловянные аноды могут иметь разные формы. Помимо традиционных плоских, можно заказать оловянный анод в виде сферы или шара. Как правило, аноды нестандартной формы используются для лужения деталей сложного профиля.

Технология гальванического лужения

Перед началом гальванического лужения подбирают оловянные аноды необходимого размера. Площадь анода должна быть, как минимум, вдвое больше площади поверхности защищаемого изделия. Затем определяется состав электролита, который может быть приготовлен из разных химикатов и добавок, иметь разную концентрацию. В целом электролиты для гальванического лужения делятся на два основных типа: кислые и щелочные.

Кислые электролиты выбирают для покрытия оловом несложных деталей, поскольку они обладают низкой рассеивающей способностью, но в несколько раз быстрее щелочных работают на «осаждение» олова, что позволяет экономить электроэнергию и удешевляет итоговый продукт. Щелочной (станнатный) электролит, содержащий заданное количество станната натрия (Na2SnO3) и свободной щелочи (NaOH), напротив, обладает высокой рассеивающей способностью, поэтому его обычно используют для лужения изделий сложных форм. В состав кислых электролитов входят соли олова в виде двухвалентных ионных соединений, а в состав щелочных электролитов – в виде четырехвалентных.

Следующим этапом гальванического лужения является подготовка поверхности защищаемого изделия, которое очищается от окислов и обезжиривается. После этого в оловянную ванну с определенным типом электролита погружается оловянный анод и защищаемое оловом изделие. К аноду подключается проводник от источника постоянного тока с положительным зарядом, а к изделию (катоду) – с отрицательным. При подаче напряжения на аноде начинается реакция окисления, олово растворяется в электролите и, подчиняясь законам Фарадея, оседает на поверхности катода – изделия. Толщина оловянного покрытия регулируется длительностью процесса и силой тока.

Читайте также  Как правильно приварить петли?

Достоинства и недостатки гальванического метода лужения

Главным преимуществом гальванического способа лужения является высокая эффективность технологии, позволяющая при минимальном расходе олова получать однородное и равномерное покрытие необходимой толщины по всей поверхности обрабатываемого изделия. Возможность регулировать толщину покрытия позволяет задавать ей любой размер, вплоть до сверхмалых величин от 1 мкм. Экономия олова при гальваническом способе лужения, в сравнении с горячим методом, может достигать 50 процентов.

К безусловным плюсам также относят высокую скорость формирования оловянного слоя, что обуславливает высокую производительность. Важно отметить и тот факт, что оловянные аноды растворяются в электролите равномерно, с максимально возможным полезным использованием их ресурса. В числе недостатков гальванического метода лужения оловом можно назвать несколько более пористое покрытие, чем то, которое получается при горячем лужении, а также необходимость в наличии специального оборудования и квалифицированного рабочего персонала.

Свойства и задачи оловянных покрытий

Главным образом покрытия из олова используют для защиты деталей от питтинговой коррозии, которая возникает под воздействием органических кислот и солей. Кроме того, оловянное покрытие хорошо противостоит химическому воздействию серосодержащих соединений, присутствующих в пластмассах и резине. Оловянное покрытие обладает высокой адгезией к базовому металлу, не разрушается при механической деформации деталей (изгибе, штамповке, вальцовке, вытяжке, свинчивании), устойчиво к влиянию высоких и низких температур.

Области использования изделий с оловянными покрытиями

Рисунок 1. Лужение медного провода.

Поскольку соли олова не токсичны, оно является основным покрытием металлических аппаратов, посуды и тары в пищевой промышленности. В частности, олово применяют для производства, так называемой, «белой» жести, используемой для производства консервных банок. Оловом покрывают внутренние поверхности посуды из меди (например, джезвы для кофе) и чугуна, котлы для варки пищи на предприятиях общественного питания, крюки для подвешивания туш животных, полуфабрикатов и готовой продукции на мясокомбинатах. Оловянное покрытие наносят на медные кабели для защиты от воздействия серы в резиновой изоляции, на трущиеся поверхности деталей машин и механизмов, где оно выступает в роли легко прирабатывающегося слоя, а также используют для решения множества традиционных и специальных задач в десятках отраслей промышленности.

Рисунок 2. Печатная плата.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Технология защиты металла лужением, работа паяльником

Лужение: суть технологии и область ее применения. Основные преимущества метода. Инструменты и пасты, применяемые для обработки металла. Горячее лужение и гальваническая ванна – сравнение и характеристики. Особенности технологического процесса лужения металла.

Лужение – это технология антикоррозийной защиты металла от взаимодействия с окружающей средой. Роль барьера выполняет тонкий слой олова или сплавы на его основе. Защитная металлическая пленка, наносимая на заготовку, называется «полуда». В некоторых случаях данный метод используют в качестве подготовительной процедуры перед паяльными работами.

В статье можно найти развернутый ответ на вопрос, что такое технология лужения. Также будут рассмотрены способы выполнения обработки и особенности технологического процесса.

Назначение и преимущества

Лужение металла оловом применяется в следующих отраслях промышленности:

  1. Электроника и радиотехника. Олово защищает платы от коррозии.
  2. Авиация и машиностроение. Многие элементы конструкции станков и летательных аппаратов подвергают обработке.
  3. Кабельно-проводниковая. Помимо резиновой изоляции олово предохраняет металлические проводники от воздействия серы, которая содержится в резине и пластике.
  4. Пищевая. Практические все кухонные принадлежности, имеющие отношение к приготовлению пищи, защищают с помощью специального пищевого олова, которое не несет угрозы для здоровья человека. Также оловом покрывают емкости, предназначенные для изготовления консервов: это увеличивает срок их хранения – многие солдаты срочной службы помнят советскую тушенку пятидесятых годов, которая до недавних пор находилась на военных складах как неприкосновенный запас.

Оловянное покрытие используют в качестве средства предварительной обработки подшипников перед их заливкой баббитом. Также лужение – неотъемлемая часть технологической цепочки выполнения беззазорного соединения, которое называют фальцевым швом.

Однако наибольшую популярность технология лужения приобрела в качестве средства для предварительной подготовки перед пайкой. Это обусловлено следующими причинами:

  1. Производительность. Современные технологии позволяют выполнить лужение большого числа элементов за короткий промежуток времени – недаром его активно применяют на массовом производстве.
  2. Надежность. Химическая инертность олова обеспечивает надежную защиту от влаги, солей и органических кислот.
  3. Стойкость покрытия. Олово и его сплавы обладают высокой адгезией к любой к металлической поверхности. Пластичный слой не разрушается под действием механической обработки детали.
  4. Термостойкость. Луженое покрытие выдерживает значительные перепады температур.

Металлы и сплавы для лужения

Для лужения применяют следующие металлы и сплавы:

  1. Олово и оловянные сплавы. В природе отсутствует олово в чистом виде. Оно встречается в виде соединений с серой, сурьмой, медью, железом и прочими элементами, которые влияют на технические характеристики элемента. Мышьяк или сурьма делают олово хрупким, а высокое содержание меди повышает твердость, но снижает пластичность. Существует несколько сплавов, применяемых при выполнении работ. Они отличаются сферой использования. Сплавом, который содержит олово, никель и железо, покрывают продукцию для пищевой промышленности. Комбинацией олова, свинца и цинка лудят заготовки из металла или стали. Для декоративной обработки применяют смесь олова и висмута. Данный сплав придает поверхности яркий блеск.
  2. Хлористый цинк. Применяют в качестве флюса при лужении и пайке. Он выпускается в виде кусков или брусков небольшой величины. В промышленных масштабах хлористый цинк получают путем обработки чистого металла соляной кислотой.
  3. Двухлористое олово. Является базовым компонентом при лужении электрохимическим методом.

В качестве вспомогательных материалов используют хлористый аммоний и едкий натр.

Основные способы лужения

Существуют два метода нанесения защитного покрытия:

  • горячий;
  • гальванический.

Рассмотрим их подробнее.

Горячее лужение

Горячее лужение считают 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, после чего равномерно распределяют по всей поверхности.

Горячий способ 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.

Гальваническая обработка

  • 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 минус данного способа – высокая себестоимость, поскольку рабочий процесс сопровождается большим расходом энергии, а для контроля необходимо постоянное присутствие специалиста высокой квалификации.

Технология лужения металла

Процесс лужения разделяют на два этапа:

  1. Предварительная подготовка поверхности.
  2. Обработка изделия.

Технология выполнения работ такова, что малейшая небрежность на любом этапе окажет сильное влияние на результат. Некачественная подготовка изделий влияет на адгезию слоя олова, покрывающего металл: он прослужит гораздо меньше положенного срока. При ошибках в процессе обработки металла слой полуды не будет иметь заданной толщины и не сможет справиться с поставленными задачами. Свои нюансы имеются на всех стадиях выполнения работ.

Подготовка изделий

Допускается применение пескоструйной обработки, а также прочих методов абразивной очистки.

Для финишной обработки применяют мелкозернистые абразивные полотна, чтобы получить максимально гладкую поверхность.

В качестве химических очистителей используют предварительно разогретые натриевые составы. Непосредственно перед проведением обработки проводят процедуру травления с помощью серной кислоты.

Растирание и погружение

  1. Хлорид цинка наносят на поверхность и разогревают паяльной лампой или иным доступным способом.
  2. По достижении точки кипения в соль добавляют припой, который расплавляется под воздействием высокой температуры.
  3. Следом добавляют порошок хлористого аммония.
  4. Состав равномерно распределяется по рабочей поверхности.

При погружении применяют специальные лудильные емкости, в которых олово достигает рабочей температуры. Толщина защитного слоя зависит от продолжительности времени нахождения изделий в ванной.

Лужение и пайка

  1. Горелка или другой источник огня.
  2. Паяльник.
  3. Расходные материалы.

Расходными материалами для выполнения работ является флюс, припой и канифоль. Лужение паяльником выполняют путем расплавления припоя горячим наконечником инструмента. Благодаря физическим свойствам олова для этого не требуется интенсивной обработки. Под действием температуры припой становится жидким, стекая на рабочую поверхность, образуя паяльную ванну. Распространение рабочего состава регулируется движением паяльника.

После использования всего состава рабочую плоскость протирают ветошью. Это необходимо сделать сразу же, пока поверхность еще горячая. Данная процедура поможет равномерно распределить состав.

Лужение кузова автомобиля

Для выполнения работ следует тщательно подготовить обрабатываемую поверхность. Она не должна содержать следов краски, масла или чужеродных частиц.

Во избежание окисления элементов кузова используют флюс на основе хлорида цинка.

На обработанный участок наносят защитный оловянный слой. Для этого выпускается специальная паста для лужения автомобилей.

После всех процедур выполняют пайку элементов кузова.

Защита металлических изделий слоем олова – необходимая процедура, которая предшествует пайке. Сплав обеспечивает надежную защиту от агрессивного воздействия кислот и солей. Наиболее прогрессивным способом нанесения покрытия считают гальванический метод. Горячую технологию используют преимущественно для домашних работ радиолюбители.

А вы пробовали выполнять обработку поверхности оловом самостоятельно? Расскажите, добились ли вы необходимого качества и с какими трудностями столкнулись в процессе выполнения работ.

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

Содержание:

1. Что такое лужение, олово и висмут?

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.

Читайте также  Как омеднить сталь в домашних условиях?

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.

Рисунок 3 — Примеры оловянированных корпусных деталей.

Обозначение

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)

Микротвердость

118-198 МПа (12-20 кгс/мм 2 )

Удельное электрическое сопротивление при 18 о 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 Sn 4+ 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 о С.

2.2 О саждение 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 о 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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: