Статья посвящена способам нанесения защитных оловянных покрытий на металлы и сравнению горячего и гальванического методов лужения
Использование олова для создания защитных 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.
Методы нанесения оловянных покрытий
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.
Процесс горячего лужения
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.
Плюсы и минусы горячего лужения
Основным преимуществом метода горячего металлопокрытия является высокая скорость процесса.
Среди его достоинств можно выделить значительную плотность и толщину покрытия, достигающую 25 мкм, а также качественное заполнение стыков и полостей деталей сложной формы, что способствует улучшению коррозионной стойкости изделий.
Однако у этого метода есть и недостатки.
Во-первых, он требует большого расхода олова, что делает его дорогостоящим.
Во-вторых, процесс трудоемкий и включает множество операций, которые должны выполнять квалифицированные рабочие.
Кроме того, существует проблема неравномерного распределения оловянного слоя по различным частям изделия.
Гальваническое лужение: особенности метода
Гальванический (электрохимический) метод лужения стал наиболее распространённым в современной металлургической промышленности.
Основой этой технологии является электролиз — физико-химический процесс, заключающийся в выделении, переносе и осаждении компонентов растворённых веществ с положительно заряженного электрода (анода) на отрицательно заряженный электрод (катод) под воздействием электрического тока.
В качестве исходного сырья используется оловянный анод марки О1, содержащий не менее 99,9% чистого олова.
Обрабатываемое изделие, такое как металлический лист или лента, выступает в роли катода.
Для электролита применяются концентрированные водные растворы кислот или щелочей, содержащие соли олова.
Чистота химического состава оловянного анода
Химическая чистота оловянного анода соответствует требованиям ГОСТ 860-75, которые предписывают, что количество примесей не должно превышать 0,1% от общего объёма.
Плотность олова в анодах составляет около 7,29 г/см³.
Оловянные аноды могут иметь различные формы: помимо традиционных плоских, доступны аноды в виде сфер или шаров, которые обычно используются для лужения деталей сложной геометрии.
Технологический процесс гальванического лужения
Перед началом процесса гальванического лужения подбираются оловянные аноды необходимого размера, площадь которых должна быть как минимум вдвое больше площади защищаемого изделия.
Далее определяется состав электролита, который может быть приготовлен из различных химических веществ и добавок с различной концентрацией.
Электролиты для гальванического лужения делятся на два основных типа: кислые и щелочные.
Кислые электролиты подходят для покрытия оловом простых деталей, так как они обладают низкой рассеивающей способностью и быстрее осаждают олово по сравнению с щелочными, что позволяет экономить электроэнергию и снижать стоимость конечного продукта.
Щелочной (станнатный) электролит, содержащий станнат натрия (Na2SnO3) и свободную щелочь (NaOH), имеет высокую рассеивающую способность, что делает его предпочтительным для лужения изделий сложной формы.
В кислых электролитах соли олова представлены в виде двухвалентных ионных соединений, а в щелочных — в виде четырёхвалентных.
Следующим этапом гальванического лужения является подготовка поверхности защищаемого изделия, которая очищается от окислов и обезжиривается.
Затем в оловянную ванну с выбранным электролитом помещаются оловянный анод и защищаемое 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 оседает на поверхности катода в соответствии с законами Фарадея.
Толщина оловянного покрытия регулируется длительностью процесса и силой тока.
Преимущества и недостатки гальванического метода покрытия
Основным достоинством гальванического метода лужения является его высокая эффективность, позволяющая при минимальном расходе олова получать однородное и равномерное покрытие необходимой толщины на всей поверхности обрабатываемого изделия.
Возможность регулировки толщины покрытия позволяет достигать размеров вплоть до 1 мкм, что значительно экономит материал.
В сравнении с горячим методом, экономия олова при использовании гальванического способа может составлять до 50%.
К числу других преимуществ можно отнести высокую скорость формирования оловянного слоя, что способствует повышению производительности.
Также важно отметить, что оловянные аноды растворяются в электролите равномерно, что обеспечивает максимально эффективное использование их ресурса.
Однако среди недостатков гальванического метода можно выделить несколько более пористое покрытие по сравнению с горячим лужением, а также необходимость наличия специального оборудования и квалифицированного персонала.
Характеристики и функции оловянных покрытий
Оловянные покрытия в первую очередь предназначены для защиты деталей от питтинговой коррозии, возникающей под воздействием органических кислот и солей.
Кроме того, они обладают хорошей устойчивостью к химическим воздействиям серосодержащих соединений, которые встречаются в пластмассах и резине.
Оловянное покрытие демонстрирует высокую адгезию к базовому металлу и не разрушается при механической деформации, такой как изгиб, штамповка, вальцовка, вытяжка и свинчивание.
Оно также устойчиво к воздействию как высоких, так и низких температур.
Сферы применения изделий с оловянными покрытиями
Поскольку соли олова не токсичны, олово является основным покрытием для металлических аппаратов, посуды и упаковки в пищевой промышленности.
В частности, олово используется для производства так называемой «белой» жести, применяемой для изготовления консервных банок.
Оловянное покрытие наносят на внутренние поверхности посуды из меди (например, джезвы для кофе) и чугуна, а также на котлы для варки пищи на предприятиях общественного питания.
Оно также используется для покрытия крюков, на которых подвешивают туши животных, полуфабрикаты и готовую продукцию на мясокомбинатах.
Кроме того, оловянное покрытие наносится на медные кабели для защиты от воздействия серы в резиновой изоляции, а также на трущиеся поверхности деталей машин и механизмов, где оно служит легко прирабатывающимся слоем.
Олово находит применение в множестве традиционных и специализированных задач в различных отраслях промышленности.
