Свойства и основные области применения оловянных покрытий
Оловянные покрытия чрезвычайно пластичны и легко выдерживают развальцовку, штамповку, изгибы. Свежеосажденное олово легко паяется при применении спиртоканифольных флюсов. При продолжительном хранении даже в хороших условиях способность к пайке ухудшается, через две-три недели она ухудшается настолько, что детали приходится подвергать повторному облуживанию или оплавлению.
Легирование олова небольшим количеством висмута (0,3-5%) значительно улучшает способность покрытия к пайке даже после длительного хранения (более полугода). Сплавы олова со свинцом, кобальтом, никелем и другими металлами характеризуются также хорошей способностью к пайке и широко применяются в радиотехнической и приборостроительной промышленности.
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 гальванической 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, 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.
При низких температурах (от -30 до -50°С) олово склонно к переходу в серую ?-модификацию и рассыпается в порошок. Процесс этот значительно ускоряется и начинается при более высоких температурах, если происходит «заражение» компактного металлического олова ?-модификации кристаллами серого ?-олова. Это явление, известное под названием «оловянной чумы», необходимо учитывать при выборе покрытий для изделий, эксплуатирующихся при низких температурах.
На способность к пайке оловянных покрытий и сплавов олова большое влияние оказывают примеси металлического и неметаллического характера, которые, находясь в электролитах, включаются в состав покрытия.
Примеси меди, цинка попадают в покрытие также в результате диффузии этих металлов из латуни, металла, из которого изготовлены детали. Для устранения этого явления применяют никелевый подслой толщиной не менее 3 мкм.
Примеси органических веществ включаются в покрытие вследствие введения в состав электролита смачивателей, блескообразователей и других компонентов, причем различные органические компоненты производят различный эффект. Например, замена в электролите клея и фенола на синтетические ПАВ (ОС-20) улучшает паяемость покрытия. Применение блестящих покрытий оловом в зависимости от природы блескообразователя приводит к ухудшению свойства паяемости, а иногда к улучшению в результате того, что органическая добавка не включается в осадок олова, а структура покрытия получается более плотной и более стойкой против окисления.
Для улучшения физико-механических свойств оловянного покрытия и, в первую очередь, улучшения способности к пайке покрытия оплавляют.
При длительном хранении оловянированных деталей и в условиях эксплуатации отмечались многочисленные случаи самопроизвольного роста нитевидных кристаллов перпендикулярно поверхности, представляющих собой олово ?-модификации. Длина нитевидных кристаллов, называемых «усами» или «вискерами», достигает 4-5 мм при толщине 0,5-2 мкм, а иногда и более. Нитевидные кристаллы прорастают даже через изоляционные пленки и вызывают замыкание цепей в приборах и радиотехнических изделиях. Причины появления подобных дефектов покрытия еще недостаточно изучены, однако установлено, что на образование «усов» в значительной степени влияют материал катода, внутренние напряжения в покрытии, наличие примесей в покрытии, а также характер окружающей среды. Одним из определяющих факторов роста «усов» является толщина покрытия. На покрытиях толщиной менее 0,5 мкм нитевидные кристаллы не образуются. Наибольшая скорость образования «усов» наблюдалась на покрытиях толщиной 5 мкм. Быстрее всего появляются «усы» на латунных деталях, что связывают с миграцией цинка в покрытие; применение никелевого подслоя тормозит процесс образования нитевидных кристаллов, но не исключает его.
О влиянии природы электролита на рост «усов» у исследователей еще нет единого мнения, и результаты наблюдений имеют противоречивый характер. Большинством исследователей установлено, что основным фактором образования нитевидных кристаллов являются внутренние напряжения в покрытии, вызванные наводороживанием, диффузией металла основы в покрытие и занесение примесей в металл покрытия. В последнем случае влияние примесей различно. Так, примеси цинка, кадмия, мышьяка ускоряют появление «усов», а примеси никеля, кобальта, висмута значительно замедляют это явление.
Олово обладает следующими основными физическими свойствами: плотность - 7280 кг/м3, температура плавления - 232°С, удельное электрическое сопротивление - 0,115 Ом?мм, удельная теплоемкость 226,1 Дж/(кг?К). Твердость электролитического олова 1,5-1,7 МПа.
