Покрытие олова висмутом
Многие знают, что большим недостатком оловянных покрытий считается утрата возможности к паянию после продолжительного хранения. При изготовлении электронных приборов, оно недопустимо. Однако совместный сплав олово висмут создает надежное покрытие и дает много преимуществ в паянии.
Сплав олова висмута применяется в случае необходимости спаивания материала. Благодаря покрытию, материал получает защиту от ржавчины, кислотной среды и прочих вредных процессов. Чаще всего оно применяется в электротехнике, для получения защиты от воздействия воздуха, и используется в электронной промышленной отрасли. Процесс нанесения покрытия на изделие, в промышленности, имеет название гальваники.
Процесс гальваники
Гальваника является процессом нанесения защитного слоя металла электростатическим способом. Используется в промышленном и ювелирном производстве. Применяя покрытие олова висмутом, металл получает возможность производить паяние без использования вредоносных веществ. Само покрытие наносится на медные детали при помощи электролиза.
Перед началом процедуры гальваники, материал должен обезжириваться и промываться. Это необходимо для проведения работ по нанесению покрытия. Затем деталь помещается в специальную ванну вместе с трансформатором, который будет давать электролиз. Далее начинается процесс нанесения покрытия олова висмута. После окончания работы изделие промывается и обрабатывается до товарного вида.
Свойства покрытия
Покрытие олово висмута обеспечивает отличное скрепление с металлом. Может выдержать такие процессы как:
- штамповка;
- изгибы;
- вытяжка;
- прессовая посадка.
Сплав олово висмута обладает сильной выносливостью по отношению к коррозии металлов, предотвращая его появление в течении длительного периода. Он владеет высокой пластичностью, нейтрально относится к негативным средам, таким как сероводород. Обладает свойством образовывать токопроводящие иглы на поверхности в результате длительного хранения. Этим он схож с оловянным покрытием.
Покрытие считается лучшим среди остальных, благодаря длительному сроку хранения. Оно сохраняет все свои свойства, включая отличное паяние, в течение года. Покрытие олова висмута имеет серый цвет, но не редко встречается светло-серый оттенок.
Источник
Покрытие Олово-Висмут
Покрытие сплавом Олово-Висмут — разновидность гальванической обработки, при помощи которой поверхностям подлежащим пайке придаются особые прочностные и антикоррозийные свойства. Висмут в сплаве с оловом позволяет в несколько раз снизить вероятность образования нитевидных кристаллов, по сравнению с использованием только олова. В современных отраслях производства покрытие Олово-Висмут (Sn-Bi) широко применяется для обработки элементов микросхем.
Покрытие Олово-Висмут применяется в различных сферах промышленности: автомобиле- и станкостроении, при выпуске различных запчастей, в химической, нефтеперерабатывающей и рудной промышленности. Обработка Sn-Bi защищает изделия от коррозии, улучшает паяемость и прочностные характеристики.
Изделия и конструкции, покрытые сплавом Олово-Висмут, имеют обозначения типа О-Ви15б, где цифра указывает на толщину слоя. Покрытие Sn-Bi обеспечивает высокий показатель адгезии (сцепления) с металлическими поверхностями. Благодаря нанесенному покрытию обработанные детали хорошо свариваются между собой и с деталями из других сплавов. Также элементы, покрытые Олово-Висмут, отлично поддаются различным видам обработки: штамповка, резка, вытяжка, прессовка и пр.
Покрытие сплавом Олово-Висмут отличается следующими характеристиками:
- значительная выносливость в отношении коррозии;
- пластичность;
- нейтральность к агрессивным средам;
- толщина слоя 6-60 мкм;
- повышенная твердость 115-200 МПа;
- рабочая температура до +250 С.
Технология нанесения покрытия олово-висмут
Гальваническое покрытие Олово-Висмут образуется посредством электролиза. Обрабатываемая поверхность погружается в гальваническую ванну, наполненную раствором-диэлектриком. В ванне также расположены аноды. Посредством пропускания постоянного электротока обрабатываемые детали равномерно покрываются слоем сплава Sn-Bi. Определенное расположение анодов гарантирует нанесение однородного по составу и толщине слоя.
Если покрытие требуется нанести на сплавы алюминия или стали, то обязательным условием является наличие подслоя никеля и меди. Такой подслой повышает адгезию и коррозийную стойкость. А нанесение покрытия олово-висмут на медный подслой увеличивает растекаемость припоя.
Компоненты, используемые для получения покрытия:
1. Сульфат олова
2. Нитрат висмута
3. Серная кислота
4. Хлорид натрия и специальные добавки.
Массовая доля висмута в покрытии сплавом О-Ви (99,8) — от 0,2 до 4,0%
Процесс гальваники происходит при температуре +15…200 С. Основным условием нанесения качественного Sn-Bi-покрытия является равенство значений потенциалов осаждения обоих химических элементов. Наша компания осуществляет покрытие сплавом олово-висмут в соответствии с требованиями ГОСТ 9.301.
Достоинства сплава:
1. Увеличение коррозийной стойкости металлов, в т.ч. в агрессивных солевых средах.
2. Исключение контакта с активными металлами — алюминием и медью.
3. Улучшение свойств, необходимых для сварки металлических поверхностей.
4. Стойкость к воздействию веществ, содержащих сероводородные соединения.
5. Возможность эксплуатации деталей с покрытием Sn-Bi при экстремальных температурах.
Цена на покрытие олово-висмут зависит от площади гальванизируемой поверхности и толщины наносимого слоя. Стоимость покрытия деталей определяется поштучно!
Источник
Технология гальванического оловянирования
Одним из способов нанесения олова на различные поверхности, является гальваническое оловянирование . Олово обладает высокой химической стойкостью. Разбавленные растворы серной, соляной и азотной кислот взаимодействуют с оловом очень медленно, сернистые соединения почти не действуют. Крепкие растворы щелочей растворяют олово только при нагревании. В органических кислотах олово очень устойчиво. Стандартный потенциал олова –0,14 В, следовательно, в паре с железом оно более положительно и в условиях атмосферной коррозии электрохимически железо не защищает, так как является катодным покрытием. По отношению к изделиям из медных сплавов олово является анодным покрытием.
В присутствии органических веществ, содержащихся в пищевых продуктах, фруктовых соках, пиве и т.п., потенциал олова становится более электроотрицательным и в этих условиях оно надежно защищает сталь от коррозии. Продукты коррозии олова безвредны для человеческого организма. Кроме того, олово относится к числу очень немногих материалов, которые при контакте с пищевыми продуктами не меняют их вкуса. По этим причинам олово с давних времен применяется в качестве покрытия жести, идущей на изготовление консервных банок, а также для покрытия изделий, связанных с хранением и приготовлением пищи.
Состав растворов, концентрация г/л
Плотность тока, напряжение
Время обработки, мин
Обезжириватель КХ – 10-20 г/л
Соляная кислота – 80-100 г/л
Нанесение сплава олово-висмут
Серная кислота — 160-180 г/л
Б/о добавки
При низких температурах (ниже–13°С) олово склонно к переходу в серую модификацию и рассыпается в порошок. Это явление, известное под названием «оловянной чумы», необходимо учитывать при выборе покрытия для изделий, эксплуатирующихся при низких температурах. Для уменьшения пористости оловянных покрытий и покрытий сплавами олова со свинцом (60% олова и 40% свинца), а также для улучшения способности оловянных покрытий к пайке их подвергают оплавлению , что приводит к дополнительным затратам энергии.
При длительном хранении электролитически луженых деталей отмечаются случаи образования тонких (0,5-2 мкм) игольчатых наростов (усов), наличие которых может привести к неисправности точных приборов вследствие коротких замыканий электрических цепей. Добавки небольших количеств висмута позволяет решить эти проблемы, кроме того покрытие получается более коррозионностойким. Небольшие добавки висмута к олову замедляют рост нитевидных кристаллов и предотвращают 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. .
Электролиты для осаждения олова (сплава олово-висмут) бывают двух видов; кислые, содержащие олово в виде Sn2+, или щелочные, в которых олово находится в виде аниона SnO3 (2–). Различие в валентности олова обусловливает разную скорость осаждения олова в кислых и щелочных электролитах. При одних и тех же плотностях тока и выходе по току олово в кислых электролитах осаждается в два раза быстрее, чем в щелочных.
Осаждение олова на катоде происходит по реакции:
SnO32- + 3H2О + 4е -> Sn + 6ОН-
Щелочные электролиты обладают хорошей рассеивающей способностью и позволяют получать весьма равномерные покрытия на сложнорельефных деталях даже в том случае, когда они покрываются в барабанах.
Наибольшее распространение получил щелочной электролит следующего состава:
Станнат натрия…………..20-80 г/л
Едкий натр……………….8-15 г/л
Ацетат натрия……………15-50 г/л
Перекись водорода………2 мл/л
Особо вредной примесью в щелочном электролите оловянирования является станнит-ион Sn(OH)2-4, где олово находится в двухвалентном состоянии
При низких плотностях тока (до 2 А/дм2) растворение оловянных анодов происходит с образованием двухвалентных ионов олова, а при повышенных (более 4 А/дм2) — аноды полностью пассивируются и их растворение прекращается. Растворение оловянных анодов с образованием четырехвалентных ионов олова происходит в интервале 2-4 А/дм2; при этом поверхность анодов приобретает желтовато-золотистый оттенок, отвечающий моменту частичной пассивности. При рабочих плотностях тока ниже 2 А/дм2 проводится предварительная частичная пассивация анодов путем завешивания в ванну с электролитом при плотности тока 4 А/м2 и температуре 70-80 °С, до того момента, как поверхность анодов приобретет золотистый оттенок, отвечающий моменту частичной пассивации.
Электролиты осаждения сплава олово-висмут представляют собой обычные электролиты лужения с добавками небольших количеств солей висмута. Щелочные станнатные электролиты непригодны для получения этих сплавов, так как соли висмута в щелочной среде неустойчивы, и легко выпадают с образованием основных нерастворимых солей.
К кислым электролитам оловянирования относятся сульфатные, пирофосфатные, фенолсульфоновые, борфтористоводородные и др.
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.Наиболее стабильным в работе является пирофосфатный электролит лужения состава:
Олово (в расчете на металл) — 70 г/л
Пирофосфат калия — 500 — 600 г/л
Солянокислый гидразин — 8 — 12 г/л
ПАВ- 3-4 г/л
Желатин (гидролизованный) — 2-2,5 г/л
Показатель рН = 8,0-8,5.
Режим электролиза: температура электролита 300- 340 К, плотность тока до 6 А/дм2. Выход по току 80-90 %. Рабочая плотность тока зависит от температуры и перемешивания электролита: при комнатной температуре она составляет 3-3,5 А/дм2, а при 330-340 К — до 6 А/дм2 .
Основными компонентами фенолсульфонового электролита оловянирования являются сульфат олова и фенолсульфоновая кислота. При смешивании этих компонентов в воде образуется фенолсульфонат олова:
Состав фенолсульфонового электролита лужения:
SnSO4…………………………………………50-70 г/л
Пара-фенольсульфоновая кислота………..80-90 г/л
Дигидрооксидифенилсульфон…………….6,5-11,5 г/л
Натрий-монобутилфенилфенолсульфон….0,4-1 г/л
При температуре 40-50 °С, плотность тока 20-30 А/дм2.
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/дм2.
Состав борфтористоводородного электролита лужения :
В состав сульфатных электролитов оловянирования входят сульфат олова, серная кислота, а также коллоиды и поверхностно — активные вещества. В некоторых случаях в электролит прибавляют сульфат натрия, повышающий электропроводность раствора.
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.
Сульфатные электролиты оловянирования с добавкой ПАВ отличаются сравнительно высокой рассеивающей способностью, приближающейся к рассеивающей способности медных цианистых электролитов. Выход по току сульфатных оловянных электролитов равен примерно 90 -98 %.
Анодный процесс при лужении протекает без заметной поляризации, олово переходит в раствор в основном в виде двухвалентных ионов. Поверхность анодов покрыта легко удаляемым тонким слоем черного шлама. При повышенных плотностях тока поверхность анодов имеет резко выраженную кристаллическую структуру; пленок на поверхности не наблюдается. Анодный выход по току, как правило, превышает катодный.
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, но положительно влияет на рассеивающую способность электролита. 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 .
Сульфатные электролиты оловянирования имеют склонность к расслаиванию. Концентрация олова в нижних слоях может в 3-4 раза превышать концентрацию в верхних слоях. Для устранения этого явления рекомендуется перемешивать электролит.
Присутствие хлоридов и нитратов вредно сказывается на нормальной работе сульфатного электролита оловянирования. Ионы меди также оказывают отрицательное влияние на качество оловянных осадков. Малые концентрации в сульфатном электролите оловянирования ионов свинца, железа, цинка и никеля до известных пределов не оказывает влияния на ход катодного процесса.
Хорошими блескообразующими свойствами обладают электролиты, содержащие синтанол ДС-10 и ДИ-7, формалин, ацетил-ацетон, a-нафтол, желатин, блескообразователь Лимеда Sn-2. 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, и для полной очистки электролита следует пользоваться коагулянтами .
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. Перемешивание электролита может осуществляться при повышенных плотностях тока. 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 и ухудшению качества осадков. Так, при нагреве сульфатного электролита до температуры, превышающей 40 °С, образуются грубокристаллические шероховатые осадки. При повышенной температуре уменьшается стабильность ванны.
Кислые сульфатные электролиты лужения с органическими добавками ОС-20 и ДДДМ позволяют получить компактные, блестящие осадки. Блестящие покрытия менее пористы и дольше сохраняют способность к пайке, поэтому даже при осаждении сплава олово-висмут им отдают предпочтение.
Состав электролита осаждения сплава олово-висмут:
Сульфат олова……………..40-60 г/л
Серная кислота…………….95-120 г/л
Сульфат висмута………0,2-1,5 г/л (поддерживается 0,2 г/л)
Хлорид натрия…………….0,3-0,8 г/л
Препарат ОС-20……………5-15 г/л
ДДДМ……………………….1,5-5 г/л
Добавка ОС-20 является блескообразователем и поверхностно активным веществом, добавка ДДДМ или же 4,4′-диамино-3,3′-диметоксидифенилметан. Ввод этих добавок уменьшает контактное выделение висмута на оловянных анодах и значительно улучшает качество покрытия [4].
Реакция контактного вытеснения оловом висмута из раствора:
3Sn+2Bi3+->2Sn2++2Bi
Источник
