Лужение, никелирование и серебрение медных шин и деталей

Все металлы и сплавы имеют свой уникальный состав и характеристики, но всех их объединяет общая проблема — коррозия. Этот процесс приводит к разрушению структуры металла и изменению его геометрии, что ведет к утрате прочности и портит внешний вид металлических изделий. Разрушительное воздействие на металл ускоряется в присутствии таких катализаторов как вода, кислород и химически активные растворы. Все виды коррозии и ее последствия подробно описаны в ГОСТ 5272-68. Антикоррозийная обработка — это метод защиты, при которой на поверхность металлических деталей наносится тонкий слой другого металла, сплавов или неметаллических материалов для придания антикоррозийных свойств. Это особенно важно, если металл эксплуатируется в условиях высокой влажности и химически агрессивных средах.

Лужение медных шин (оловянирование)

Медные луженые шины применяются преимущественно при изготовлении оборудования повышенной надежности, эксплуатация которого предусмотрена в тяжелых климатических условиях, в агрессивных промышленных средах, в условиях повышенной влажности и воздействия морского воздуха. Медные луженые шины можно соединять с алюминиевыми проводниками без дополнительных элементов соединения.

Лужение – это нанесение тонного слоя олова или его сплава на поверхность металлического изделия. Специалисты этот слой называют полудой. Рассмотрим технологии оловянирования (лужения) медных шин и преимущества луженых шин перед обычными медными шинами.

Основные способы лужения (оловянирования)

Существуют три метода нанесения защитного покрытия:

горячий способ;
контактное осаждение;
гальваническое осаждение

Горячее лужение считается классическим способом, поскольку именно с него начиналось развитие технологии. В зависимости от условий выполнения работ защитный слой может быть нанесен двумя методами:

Погружение. Заготовку опускают в резервуар с оловом, нагретым до рабочей температуры.
Растирание. Сплав наносят непосредственно на подготовленную деталь, разогретую, после чего равномерно распределяют по всей поверхности. Деталь можно разогревать различными способами, например паяльной лампой либо паяльником отдельный участок и.т.п.

Горячий способ лужения 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.

Химическое лужение или контактное осаждение применяется при производстве печатных плат. Процесс является контактным и основан на осаждении олова из раствора его комплексной соли за счет разности потенциалов, возникающей между медью и оловом. Толщина получаемого покрытия около 1 мкм. При этом не требуется контролировать время нанесения покрытия. Детали загружаются в раствор с помощью корзинок из латунной сетки. В процессе покрытия необходимо детали встряхивать. Раствор химического оловянирования является раствором разового действия, 1 л раствора рассчитан на покрытие поверхности в 5 дм2. Скорость осаждения олова снижается по мере перекрытия медной основы, пока процесс не прекратиться полностью. Толщина осадка определяется составом раствора и режимом процесса и должна быть практически одинаковой на всех участках, контактирующих с раствором. Недостатком контактного метода нанесения оловянного покрытия является малая толщина покрытия. Нанесение оловянного покрытия на медные проводники печатных схем дает возможность производить пайку некоррозионными флюсами, а также повысить качество плат за счет устранения перегрева при пайке.

Гальваническое лужение – современный способ нанесения покрытия, когда в ходе протекания электрохимической реакции, ионы меди на поверхности замещаются ионами олова из оловосодержащего раствора. Только электрохимический способ позволяет получить покрытие заданной толщины практически на любом металле.

Гальванические покрытия требовательны к подготовке поверхностей. Перед началом работ требуется провести тщательную очистку и обезжиривание деталей. Качество подготовки поверхности детали к лужению определяет прочность ее сцепления с покрытием. Для оловянирования медных деталей и шин применяется травление подогретым 20-30% раствором серной кислоты. Продолжительность травления 20-30 мин. Затем поверхность изделий промывается холодной водой, протирается влажным песком, промывается горячей водой с температурой 80-100 °С.

Раствор при гальванической обработке может иметь щелочную или кислотную основу. Щелочные электролиты используют для оловянирования меди, других цветных металлов и их сплавов, имеющих сложную конфигурацию. Они имеют высокую рассеивающую способность, покрытие характеризуется мелкокристаллической структурой. Осаждение олова происходит медленно и необходимо, чтобы электролит имел температуру не меньше 70°С.

Детали больших размеров находятся в объемных ваннах в подвешенном состоянии. На более мелкие изделия гальваническое покрытие наносится в барабанных емкостях, где отрицательный заряд подается на барабан, который вращается в электролите. Для обработки деталей очень маленького размера (метизы, крепежные элементы) используются колокольные наливные ванны. В процессе работы они вращаются с низкой скоростью, в результате чего детали равномерно покрываются защитным покрытием.

Независимо от типа электролита катализатором процесса является электрический ток, который активизирует рабочий процесс. К положительным сторонам электрохимического метода оловянирования относят:

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 недостаток гальванического лужения – высокая себестоимость, поскольку рабочий процесс сопровождается большим расходом энергии, а для контроля необходимо постоянное присутствие специалиста высокой квалификации. Лужение с использованием электролита связано со сложностью приготовления раствора. В ходе процесса должен вестись постоянный контроль концентрации щелочи или кислоты в электролите, а также состояния анодов и поверхности ванны.

НТЦ ЭНЕРГО-РЕСУРС производит гальваническим способом шины медные луженые твердые ШМТЛ из шины медной твердой ШМТ (М1т) и мягкие ШММЛ из шины медной мягкой ШММ (М1М) в гальванических ванных длиной 2 метра и 4 метра.

Коррозионная стойкость шины медной луженой

Оловянное покрытие на медной токоведущей (заземляющей) шине является анодным (или протекторным) т.е. электрохимический потенциал олова отрицательнее, чем меди. Это означает, что в коррозионно-активной среде в первую очередь будет разрушаться олово и только после полного растворения олова на определенном участке будет повреждаться медь. Само по себе олово является достаточно стойким к коррозии металлом, поэтому применение оловянного покрытия на медной шине значительно увеличивает срок службы такой шины. Для увеличения коррозионной стойкости оловянного покрытия на медной шине покрытие осаждается из электролита с блескообразователями и может легироваться висмутом (т.е. осаждается сплав олово-висмут). Оловянное покрытие (особенно блестящее) безпористое начиная с толщины 6 мкм.

Электропроводность луженой медной шины

Несмотря на то, что олово хуже проводит электричество, чем чистая медь, оно уверенно занимает второе место после меди, если не считать покрытия драгоценными металлами, что очень дорого.

Уплотнение контактов на луженой медной шине

Интересным свойством покрытия оловом в контактных отверстиях на токоведущих (заземляющих) шинах является свойство уплотнителя. Олово — мягкий пластичный металл, который легко может уплотнять как резьбовые, так и нерезьбовые контакты. Уплотненные контакты, соответственно, более надежны, а сопротивление в них — ниже.

Сплавы, применяемые для оловянирования/лужения медных шин

Сплавы Sn-Pb (олово-свинец) с содержанием олова 10…60% применяются в электронной, радиотехнической и приборостроительной промышленности. Они хорошо паяются и сохраняют способность к пайке, в отличие от оловянных покрытий, в течение длительного времени. Способность к пайке и длительность сохранения этого свойства повышается при оплавлении. Сплавы Sn-Pb — мягкие, пластичные. Они менее склонны к образованию игл. При образовании гальванических пар они катодны по отношению к железу и анодны по отношению к меди.

Покрытия сплавом Sn-Pb наносят на медную шину непосредственно. Они могут быть использованы для всех условий эксплуатации, включая ОЖ — очень жесткие. (Защитные покрытия по условиям эксплуатации делят на группы легкие — Л средние — С жесткие — Ж очень жесткие — ОЖ. Эти покрытия классифицируют по способу получения, материалу, физико-химическим и декоративным свойствам. Технология нанесения покрытий и методы контроля их качества приведены в ГОСТ 16976—71. ) Сплавы Sn — Pb с содержанием 5…11% олова применяются как антифрикционные в условиях сухого и полусухого трения. Толщина слоя для условий Л (легкие) — 6…9 мкм, для условий С и Ж (средние и жесткие)- 18…20 мкм.

Сплавы Sn-Bi (олово-висмут) с содержанием висмута 0,5…2,0% применяются в электронной, радиотехнической и приборостроительной промышленности. Сплав хорошо паяется и длительное время сохраняет способность к пайке. Сплав Sn-Bi менее склонен к образованию игл чем олово.

Достоинства оловянного покрытия (олово-висмут) медных шин:

Оловянное покрытие в атмосферных условиях является анодным по отношению к меди и ее сплавам, поэтому защита сплавом олово-висмут позволяет значительно увеличить коррозионную стойкость покрытых изделий. Увеличение коррозионной стойкости дает также осаждение блестящего оловянного покрытия вместо матового, что объясняется меньшей пористостью блестящих покрытий;
Покрытие олово-висмут значительно повышает паяемость поверхностей медных деталей. Блестящее покрытие сохраняет эту способность более длительное время, чем матовое, а легирование покрытия висмутом позволяет сохранить способность к пайке дольше одного года;
Покрытие олово-висмут устойчиво к воздействию серосодержащих соединений и может применяться на деталях, контактирующих со всеми видами пластмасс и резин;
Оловянное покрытие обладает хорошим сцеплением с основным металлом, эластичностью, выдерживает изгиб, вытяжку, развальцовку, штамповку, прессовую посадку, хорошо сохраняется при свинчивании, герметизирует резьбовые соединения;
Блестящее оловяное покрытие беспористо при толщине слоя больше 5 мкм (матовое покрытие оловом значительно пористо). Пористость покрытий с толщиной до 5 мкм может быть снижена оплавлением;
Легирование висмутом (0,5-2%) позволяет предотвратить «иглообразование», а также позволяет избежать разрушения покрытия при эксплуатации ниже минус 30°С. Разрушение оловянных покрытий БЕЗ висмута происходит вследствие перехода компактного белого олова (β-Sn) в порошкообразное серое олово (α-Sn) («оловянная чума»).

Недостатки оловянного покрытия (олово-висмут) на меди, латуни, бронзе:

Низкая износостойкость;
Более низкая, по сравнению с олово-свинцом пластичность;
Более низкие, по сравнению с олово-свинцом и свинцом антифрикционные свойства;
Наличие в составе висмута не позволяет использовать покрытие в пищевых целях;
Покрытие нестойко в щелочной среде.

Никелирование медных шин и деталей из меди

Никелирование — процесс нанесения тонкого слоя металлического никеля на изделие для придания ему необходимых свойств. Покрытия широко применяются в качестве подслоя при покрытии драгоценными металлами, а также для улучшения электропроводности, повышения твердости, защиты в щелочных средах и придания высокодекоративного внешнего вида. Никель — серебристо-белый металл с сильным блеском. Атомная масса никеля 58,69 г/моль, плотность 8,9 г/см³. Имеет электрохимический эквивалент 1,095 г/(А*ч), его стандартный потенциал равен -0,25 В. Никелевые покрытия легко пассивируются на воздухе и под действием сильных окислителей. Благодаря этому покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью. При толщине покрытия 125 мкм основной металл уже предохранен от воздействия промышленных газов и растворов. В менее агрессивных средах достаточно 50-100 мкм. Никель полностью устойчив в щелочах и органических кислотах окислительного характера.

Никелирование металла используется для того, чтобы улучшить исходные физические характеристики основного металлического сплава:

Повышение коррозийной устойчивости. Никель обладает высокой химической инертностью, поэтому он не вступает в контакт с кислородом и водой. Поэтому никель будет препятствовать появлению коррозии на поверхности металлического элемента.
Защита от слабых кислот и щелочей. Никель также неплохо выдерживает воздействие слабых химических реагентов, поэтому с его помощью можно также создать дополнительный слой, который будет защищать основной материал от кислот и щелочей.
Создание прочного внешнего покрытия. При механическом повреждении меняется вид металлического изделия, а также могут ухудшатся его технико-эксплуатационные характеристики. Создание дополнительно слоя из никеля выгодно тем, что при повреждении металла всегда можно быстро нанести новый слой.
Никель обладает приятным серебристо-серым блеском, поэтому никелирование может выполняться и для декоративных нужд. Украшение металлических игрушек, создание красивых никелированных каркасов и так далее).
Никелировать можно практически любой металл — сталь, чугун, различные железные сплавы, медь, латунь, алюминий, титан и так далее.

Основные технологии никелирования

Гальваническое покрытие никелем. Основано на процессе электролиза.
Химический метод. Нанесение слоя происходит под воздействием никелесодержащих химических веществ.

Гальваническое покрытие никелем заключается в осаждении его на поверхности металлической детали под воздействием электрического тока. Для гальванического никелирования изделий к поверхности изделия подключается отрицательный контакт через источник питания. После, аналогичным образом, соединяется с положительным контактом никелевые аноды. После этого, изделие погружают в электролит. Этот раствор состоит из воды и соли хлорида никеля. Благодаря электрическому току, присутствующему в электролите, соль хлорида никеля распадается на отрицательные ионы хлора и положительные катионы никеля. Отрицательный заряд изделия затем притягивает положительные ионы никеля, в то время как положительный заряд никелевого анода привлекает отрицательные хлорид-анионы. В результате этой химической реакции никель в аноде окисляется и растворяется в растворе. Отсюда окисленный никель притягивается к основному материалу и впоследствии покрывает изделие.

Достоинства электрохимического метода:

Простота. Технология, позволяет широко использовать гальваническое никелирование от коррозии как в промышленности, так и в домашних условиях, обеспечивая высокую производительность.
Экономичность. Для организации процесса не нужно дорогостоящее специализированное оборудование и сырье, что делает технологию высокорентабельной.
Качество. Гальванизация позволяет получить слой никеля, отличающийся высокой прочностью, обеспечивающей надежную защиту антикоррозийной поверхности от негативного внешнего воздействия.
Эстетические характеристики. В результате поверхность детали становится гладкой и блестящей, устойчивой к механическим повреждениям.

Недостатки электролитического метода:

Размеры обрабатываемых деталей ограничены габаритами гальванической ванны, поэтому невозможно покрыть никелем крупные объекты.
Стационарность. Для промышленного процесса необходимо громоздкое технологическое оборудование, требующее особых условий эксплуатации, что делает невозможной обработку стационарно закрепленных объектов не подлежащих транспортировке.
Тонкий защитный слой. При гальваническом никелировании максимальная толщина получаемого покрытия, равна 40-60 мкм, тогда как химический метод позволяет сформировать слой никеля любой толщины.

Этапы электролитического никелирования различных металлов

Подготовка поверхности – важнейший этап, от которого зависит качество защитного слоя. Ошибки на этой стадии могут привести к отслоению покрытия. Технологии очистки поверхности:
- Механическая чистка. Желательна обработка пескоструйным аппаратом.
- Шлифовка. Позволяет получить идеально ровную поверхность и улучшить сцепление слоев.
- Обезжиривание. Обработка растворителями для очистки от жировых загрязнений, препятствующих адгезии. После обезжиривания деталь промывается в проточной воде и высушивается.
Омеднение. Не является обязательным этапом, но позволяет улучшить качество поверхности, выровнять ее и повысить адгезионные свойства. Производится гальваническим методом с использованием медных катодов и электролитического раствора, состоящего из медного купороса и серной кислоты.
Никелирование. Готовится водяной электролитический раствор из сульфатов никеля, магния, натрия, поваренной соли и борной кислоты. В сосуд опускают никелевые электроды. Заготовку подвешивают, чтобы она не касалась стенок и дна сосуда. На электроды подается напряжение до 6 вольт. Продолжительность процесса около 40 минут. Затем деталь извлекают из ванны, промывают и высушивают.

Химический метод никелирования — по сравнению с гальваническим, химический метод никелирования является более трудоемким и дорогим, поэтому не так распространен. Основные его преимущества – однородность и неограниченная толщина конечного покрытия. Помимо высокой цены, недостатки у технологии такие же как у гальванического метода нанесения покрытий из никеля, связанные с ограничениями по размеру изделий.

Этапы химического никелирования

Подготовительный. Заключается в очистке поверхности различными методами: механической чистке, шлифовке и полировании с применением специального оборудования. В заключении деталь обезжиривают, промывают и сушат. Этап требует ответственного подхода и тщательности, поскольку от него напрямую зависит итоговый результат.
Химическое никелирование. Заключается в погружении деталей в химический раствор на основе солей никеля, разогретый до 90ºC. Дополнительно в него добавляются и другие химические вещества, участвующие в реакции и стабилизирующие ее. Ванны для химического никелирования бывают двух видов:
- Кислотные – на основе сульфата никеля. Получили наибольшее распространение, благодаря предсказуемости реакции и ее устойчивости. Процесс идет с большой скоростью, получаемое покрытие отличается высоким качеством и прочностью.
- Щелочные – на основе хлорида никеля. Не так распространены, как химические, из-за неустойчивости процесса в щелочной среде, связанной с улетучиванием аммиака под воздействием высоких температур и низкой скорости реакции. Стабилизации процесса можно добиться добавлением солей лимонной кислоты и аммиака.

Подслой никеля под защитные покрытия

Подслой никеля создает благоприятные условия работы покрытий на трение, предотвращает диффузию основного металла при температурах до 350°C, способствует стабильности контактного сопротивления.

Нанесение подслоя никеля перед электролитическим оловянированием замедляет иглообразование и улучшает паяемость оловянных осадков.

В качества материала для изготовления электрических контактов чаще всего используется медь и ее сплавы, а в качестве покрытия используется серебро. Медь и серебро образуют твердые растворы, что облегчает взаимную диффузию этих металлов. При работе контактной пары это может привести к существенному изменению характеристик контакта и даже к полному исчезновению верхнего слоя серебра с поверхности детали. Кроме того, ухудшение характеристик электрических контактов связано с проникновением продуктов коррозии основы (при нанесении на медную основу, например, оксидов меди) через поры серебра на поверхность контактирующих изделий.

В отличие от меди никель не образует с серебром твердых растворов, что уменьшает возможность взаимной диффузии. При нанесении серебра не по меди, а по промежуточному подслою никеля постоянство значений переходного сопротивления во влажной атмосфере может обеспечиваться более тонким и, соответственно, более пористым слоем серебра. Кроме того, многослойное покрытие позволяет сократить или уменьшить число сквозных пор покрытия, доходящих до поверхности покрываемых изделий, при уменьшении толщины верхнего слоя драгоценного серебра. Именно этот слой должен обеспечивать низкое значение переходного сопротивления при контактировании и сохранение его во времени.

Применение подслоя никеля при осаждении серебра на алюминиевые детали позволяет избежать возможность отслаивания покрытия и повысить прочность сцепления с поверхностью алюминия.

Серебрение деталей

Серебрение является одним из основных гальванических процессов. Это связано с тем, что из всей группы благородных металлов серебро обладает наибольшей тепло и электропроводимостью, полируемостью и отражательной способностью. Сочетание этих качеств обуславливает большое распространение процесса серебрения в технологических процессах покрытия конактных групп и технологических деталей. При гальванике металл подготавливают механически, химически, наносятся подслойные покрытия, серебрение наносят последним, часто с использованием предварительного серебрения. После покрытия детали тщательно промываются и просушиваются. Технология подходит для обработки любых контактов в электронике. Толщина серебрения зависит от силы тока и времени выдержки изделий в ванне.

Покрытия серебром являются катодными по отношению ко всем конструкционным материалам и не защищают их поверхность в условиях электрохимической коррозии. Серебро отличается устойчивостью к щелочным растворам и большинству органических кислот, концентрированная серная кислота может растворять металл только при кипячении, а соляная при значительном нагревании. Серебро неустойчиво в растворах аммиака. Серебро быстро тускнеет в промышленной атмосфере в присутствии одновременно сернистых соединений, кислорода и влаги, покрываясь пленкой сульфидов коричневого и темно-серого цвета. Особенно активно в этом отношении гальванически осажденное серебро. Серебро может тускнеть в присутствии органических серосодержащих материалов (резины, пластмассы, компауиды, герметизирующие материалы), если длительное время будет находиться вместе с ними в непроветриваемом помещении.

В промышленности серебрение применяется:

для создания поверхностных слоев высокой электропроводимости;
для получения антифрикционного покрытия в подшипниках качения и скольжения, в т.ч. в вакууме, инертных средах, маслах;
для обеспечения хорошей электропроводности в электрических контактах;
при изготовлении отражателей, т.к. коэффициент отражения белого света для чистого серебра равен 95%.

К негативным особенностям серебряных покрытий можно отнести:

склонность к образованию наплывов на покрытии и свариванию контактов;
плохая переносимость запрессовки в полимеры;
возможность иглообразования;
миграция по диэлектрику;
диффузия на основной металл или на внешний слой покрытия.

Особенно следует рассмотреть вопрос переходного сопротивления электроконтактов с серебряным покрытием. Как упоминалось ранее, на серебряных покрытиях может образовываться сульфидная пленка. Эта пленка обладает ионной и фотоэлектрической проводимостью. Т.е. чем больше она освещена, тем меньшее ее сопротивление. Такая особенность электропроводимости сульфидов серебра приводит к серьезной нестабильности переходного сопротивления посеребренных электроконтактов в условиях эксплуатации. Если же на контакт приложена малая контактная нагрузка и через него пропускается низкий ток, то проводимость контакта может нарушиться полностью.

По теме

Шины медные твердые луженые ШМТЛ

Шины медные мягкие луженые ШММЛ

Шины медные гибкие изолированные ШМГИ из луженой меди

Пластины переходные медные луженые