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锡元素的电化学性质及在镀液中的应用

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:它的相对原子质量为118.69,在元素周期表中的原子序数为50。二价锡的电化学当量为2.2[g/(A·h)],而四价锡的电化学当量为1.1[g/(A·h)]。而在碱性镀液中(四价锡)只能镀出1.1g金属锡。

锡元素的电化学性质及在镀液中的应用

1.锡的基本性质

锡是一种银白色金属,元素符号为Sn。它的相对原子质量为118.69,在元素周期表中的原子序数为50。锡的密度为7.28g/cm3,比铁稍轻。锡的硬度较软,熔点很低,仅为232℃,易于焊接。

锡的化学稳定性较高,在一般性潮湿大气、水溶性盐溶液及弱酸中都具有相当好的耐蚀性。但是,锡易受到卤素(如食盐)、强碱性溶液及无机酸(如硫酸盐酸硝酸等)的侵蚀。

在与电镀有关的性质上,锡的电极电位为-0.136V,比铁的电极电位正(铁的电极电位为-0.44V)。所以在铁上镀锡时,锡属于阴极性镀层。而在铜上镀锡时,锡属于阳极性镀层(铜的电极电位为+0.34V)。

锡的化合价有+2价和+4价两种。二价锡在酸性溶液中稳定,所以酸性镀锡溶液中常使用硫酸亚锡(锡为+2价)作主盐。四价锡在碱性溶液中稳定,所以碱性镀锡溶液中常使用锡酸钠(锡为+4价)作主盐。在酸性镀锡溶液中如果含有四价锡就成了杂质,会使镀液性能劣化。而在碱性镀液中,二价锡就成了杂质,同样会使镀液性能劣化。

同一种金属,价态不同,它的电化学当量也不同。二价锡的电化学当量为2.2[g/(A·h)],而四价锡的电化学当量为1.1[g/(A·h)]。这就说明,电镀时消耗同样的电量时,1A电流,镀1h后,在酸性镀液中(二价锡)可镀出2.2g金属锡来。而在碱性镀液中(四价锡)只能镀出1.1g金属锡。以上数据未考虑电流效率等因素的影响。

锡的物理性质中有一个十分有趣的现象:在13.2℃时,锡会从白色的固体金属形态转变为粉末状的灰色锡,这种现象称为锡瘟。某学者研究这一现象后认为,虽然至今还没有在镀锡层上观察到,但在低温下锡镀层明显变脆。

电镀锡的另一个问题是会产生锡须。在电子线路板中,常因锡须而导致短路现象。在镀液中加入某些添加剂或第二种金属元素都可有效地避免锡须现象的发生。锡具有焊接性能。

2.镀锡层的用途

由于锡的物理、化学性能,电镀锡技术主要应用在食品工业和电子工业两个方面。前者是利用它的化学耐蚀性,而后者则是利用它的焊接性。

(1)在食品包装上的应用 由于锡镀层在有机酸性溶液中具有良好的耐蚀性(人们发现在有机酸存在下,锡的电极电位变得比铁负,这样锡成了铁的阳极性镀层)。所以,将锡镀在钢板上,用来做食品罐头包装。这项技术早在1934年便获得了工业应用,从而代替了传统的热浸法镀锡工艺。这种白口铁钢带上的锡镀层厚度只有0.4~2μm。

(2)做焊接镀层 电子工业的飞速发展,使得电子元器件(大多为钢件和铝件)表面需要进行防蚀和钎焊处理,锡镀层无疑是最佳首选。为了避免锡须造成事故,并提高焊接性能,在镀液中加入光亮剂使镀层结晶细致,同时还可加入第二金属,例如铅、锑、铋、铈、银、铜等微量元素,使性能大为提高。

3.镀锡准备

镀锡之前,要做下述准备工作:选择镀液、选择电镀方法及设备、拟定电镀步骤、工序。

4.镀锡溶液的选择

镀锡溶液分为酸性和碱性两大类。

(1)酸性溶液 酸性镀锡溶液中,锡以二价锡形式存在,如硫酸亚锡、氟硼酸亚锡。由于导电盐不同,酸性锡溶液又分为硫酸盐型和氟硼酸盐型。(www.zuozong.com)

1)硫酸盐型镀锡溶液中用硫酸亚锡作为主盐,硫酸作为导电盐。这两种成分为主体。此外,为防止二价锡水解,还要加入稳定剂,为了使镀层细致和光亮,还要加入光亮剂或结晶细化剂。

这种镀液的优点是成分简单、易于控制、成本低、污染小、镀层光亮细致,电流效率达90%以上,是当前镀锡十分流行的工艺。但该溶液也存在一些不足之处,例如溶液易水解浑浊,镀液分散能力较差。

2)氟硼酸盐型镀锡溶液用氟硼酸亚锡作主盐,用氟硼酸作络合剂兼导电盐。除此之外,也加入了一些添加剂,起到细化结晶的作用。该溶液的优点是镀速快(可使用大电流)、镀液稳定、易于控制,不足之处是成本高、污染大、废水处理困难。

由于上述两种酸性溶液都存在不足之处,人们发现了烷基磺酸盐镀锡新工艺。该工艺使用有机磺酸,镀液稳定,可使用较大电流,镀液中使用光亮剂可获得光亮细致的镀层,镀液污染小,但成本较高。

(2)碱性镀液 碱性镀锡液中锡以四价形式存在,电流效率仅为酸性镀锡的一半。以锡酸钠或锡酸钾为主盐,氢氧化钠或氢氧化钾作络合物兼导电盐。这种镀液的优点是镀液均镀能力好,缺点是电流效率低(80%左右)、能耗大(高温)、环境污染大、镀液控制困难,小件难以滚镀。

由于碱性镀锡不光亮,又有诸多缺点难以克服,已很少使用。

5.镀锡方法及设备

对于较大件镀锡,应采用挂镀锡的方法,而对于小件则应采取滚镀的方法。对于某些连接件,则采用连续性电镀方法。连续性电镀法还广泛地应用在钢带和铜丝的镀锡工艺上。

酸性镀锡时工件要采取移动措施,以防止镀件表面产生气流状条纹。吊镀时,一般采取阴极移动方法。一般移动10~15次/min。滚镀时要控制滚筒的转速为8~12r/min。由于硫酸盐光亮镀锡溶液中含有大量的表面活性剂,不宜使用空气搅拌。镀锡要使用波形完整的电源,缺相或波纹系数大的电源会造成电镀缺陷。滚镀机应采用全浸式。

6.镀锡工艺步骤

大多数镀锡是在铜或铜合金上进行的,也有在铝及铝合金上进行的,还有在钢铁件上直接镀锡的。不同基体上镀锡应采取不同的工艺方法,以保证镀锡层与基体的结合力良好。

(1)铜及铜合金件镀锡 工件在电镀前经下述步骤:脱脂脱脂→热水洗→冷水洗→酸浸蚀(或酸抛光)→冷水洗→镀碱性铜→回收→水洗(冷水)→水洗→镀锡。

黄铜件等合金件必须先预镀一层碱性铜,否则锌会渗入锡镀层,使锡变色。

(2)铝及铝合金镀锡 铝及合金件在电镀锡之前一定要镀过渡层,不能直接镀锡。常采用先浸锌再镀碱性铜的方法:工件脱脂→热水洗→冷水洗→去氧化膜(碱浸蚀或硝酸浸蚀)→水洗→浸锌(二次浸锌)→镀碱性铜→回收→水洗→镀锡。

(3)钢铁件镀锡 工件脱脂→热水洗→电解脱脂→热水洗→冷水洗→去锈→冷水洗→碱性镀铜→回收→冷水洗→活化→冷水洗→镀锡。根据需要也可以省去碱性镀铜工序。

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