Нанесение покрытия олово-свинец в колокольчиках
Вопрос.
Здравствуйте уважаемые коллеги и специалисты, кто читает это письмо!
Прошу вас проконсультировать меня по вопросу нанесению покрытия олово-свинец в колокольчиках.
На нашем предприятии имеется технология нанесения покрытий олова и его сплавами. На печатных платах применяется покрытие О-С(60), на контактах, лепестках и элементах заземления применяется О-Ви (99,7) в колокольчике, на шины и др. детали О-Ви (99,7). Нанесение О-Ви производится согласно ОСТ107.460092.001-86 карта 17 состав 1. Проблем с покрытием сплавами О-С никогда не возникало.
НО… ВСЕГДА ЕСТЬ МАЛЕНЬКОЕ «но».
В соответствии с новыми требованиями ГОСТов на некоторые монтажные электроэлементы (лепестки, контакты и т.д. размерами до 10 мм и толщиной не более 1 мм) при новом проектировании применять покрытие О-Ви (99,7) не допускается. Альтернативной заменой является покрытие О-С(60) по требованию разработчика.
Теперь о проблеме.
Приготовили состав согласно ОСТ 107.460092.001-86 карта 18 состав 1.
Сделали первую загрузку на 100 г деталей по приведенным в ОСТе режимам (1-2 А/дм2, время обработки 30 мин, скорость осаждения 1 мкм за 2 мин, колокольчик объемом 3 л, объем электролита 2 л). Ожидаемая толщина с учетом того, что нанесение проводится в колокольчике, и скорость осаждения снижается раза в два, предполагалась в пределах 6-7 мкм.
Результат — толщина покрытия составила 0,5-2 мкм.
Начали наносить покрытие О-С на детали в разной конфигурации, разной навески (10, 50, 100, 200 г), при разной плотности тока. Увеличили время до 1 часа. Результат составил от 1-6 мкм. Покрытие на деталях получается пятнистым. Толщина на разных деталях разная.
Замечу, что при экспериментах на ячейке Хулла на пластинках или в маленькой стационарной ванночке, покрытие получается ровное серое, красивое в соответствии с ГОСТ 9.301.
Прошу Вас рекомендовать методы решения данного вопроса: другие режимы, составы или ухищрения, которые помогут решить данную проблему.
P.S.: два месяца мучаюсь. Перепробовал все, что в голову приходило. До 6 мкм наносится и дальше никак.
Прочитал, что после нанесения определенной толщины дальше уменьшается контакт деталей и идет истирание покрытие. Возможно, это и так, но цифру 6 мкм пока перепрыгнуть не получается, именно на колокольчике. На пластинах в стационарной ванночке на 3 литра (изготовил из пластиковой пятилитровки) и с лабораторным выпрямителем этим же составом добивал толщину до 24 мкм за час с красивым ровным покрытием. На тех же колокольчиках и на тех же деталях, почти при тех же режимах покрытие О-Ви достигает от 6 до 12 мкм.
С уважением, Алексей Лопатин.
Ответ.
Давайте рассудим логически. Если на подвесках в данном электролите качество покрытия удовлетворительное, а при покрытии в колоколах возникают проблемы, то это значит, что причина не в электролите, а в том, что не учитываются особенности покрытия в колоколах.
При нанесении покрытий во вращающихся установках (барабанах и колоколах) необходимо учитывать, что условия формирования покрытия на деталях при обработке насыпью существенно отличаются от условий электроосаждения на подвесках.
Основное отличие заключается в том, что при покрытии деталей насыпью бoльшая доля подаваемого тока приходится на детали, находящиеся в данный момент в верхнем слое (на поверхности) загрузки. На детали, находящиеся в глубине загрузки, ток попадает в меньшей степени, так как они экранированы поверхностными деталями.
При вращении барабанов и колоколов, вследствие пересыпания деталей и экранирования друг другом, каждая конкретная деталь покрывается в режиме импульсного тока. В те моменты, когда деталь выходит на поверхность, плотность тока на этой детали максимальна и может многократно превышать расчётную. Когда деталь засыпается другими деталями и уходит вглубь загрузки, плотность тока на этой детали минимальна. Таким образом, плотность тока на детали зависит от её положения внутри загрузки в каждый конкретный момент времени.
Частота импульсов тока зависит от частоты выхода детали на поверхность, которая, в свою очередь, зависит от скорости вращения барабана или колокола и величины загрузки. Естественно, что чем больше объём загрузки, тем реже деталь выходит на поверхность и тем большие токовые удары приходятся на поверхностные детали (ведь изначально токовую нагрузку рассчитывают на все детали в колоколе, а не только на поверхностные).
Не имея информации о размерах и конфигурации покрываемых Вами деталей довольно трудно представить, сколько слоёв деталей в вашем случае находится под верхним слоем, но нужно понимать, что чем больше толщина слоя загрузки, тем будет меньше доля деталей, находящихся на поверхности, и тем выше реальная плотность тока, приходящаяся на поверхностные детали. Слишком высокая плотность тока на поверхностных деталях может быть причиной низкого выхода по току и, соответственно, причиной малой толщины покрытия. Для проверки данного предположения можно проверить толщины покрытия на угловом катоде ячейки Хулла в области разных плотностей тока. Если на ближнем к аноду конце катодной пластины (в области высоких плотностей тока) толщина покрытия незначительно больше, чем на участке, соответствующем 1-2 А/дм2, то сделанное предположение верно.
Для того чтобы исключить чрезмерные токовые нагрузки на поверхностные детали в барабанах и колоколах средняя расчетная плотность тока бывает значительно ниже, чем плотность тока, рекомендуемая для покрытия деталей на подвесках. Как правило, плотности тока в барабанах ниже подвесочных в 2-3 раза. Расчетная средняя плотность тока в барабанах даже для таких покрытий, как никель, обычно не превышает 0,5-1,0 А/дм2. Но, как уже было сказано выше, даже при таких низких средних плотностях тока реальная плотность тока на поверхностных деталях может достигать значительно бoльших величин, чем в случае покрытия деталей на подвесках. Естественно, что при малых расчётных плотностях тока в колоколах время покрытия будет пропорционально выше, чем при покрытиях на подвесках.
Следующей особенностью покрытия деталей в барабанах является трудность покрытия тонкостенных плоских деталей. Тонкостенные плоские детали нередко слипаются между собой и прилипают к стенкам колокола, в результате этого внутренняя поверхность слипшихся деталей не покрывается и на деталях появляются пятна. Вполне вероятно, что в вашем случае главной причиной появления пятен является именно эта причина.
Иногда для разбивки слипшихся деталей к ним добавляют либо более тяжелые детали другой формы, либо инертные стеклянные или пластиковые шарики.
Контактные лепестки сложной формы могут зацепляться друг за друга и вращаться в колоколе комом, что также приводит к непрокрытию внутренних деталей и к большому количеству брака.
Еще одной особенностью покрытия деталей в барабанах является истирание наносимого на детали покрытия вследствие трения их друг о друга. Для учёта этого явления при расчете времени покрытия вводится коэффициент, увеличиваюющий расчётное время на 5-30 %. Для мягких покрытий (олово, цинк) коэффициент истирания принимается максимальным Кистир. = 1,3. Для износостойких покрытий (хром, никель) коэффициент истирания либо не вводят, либо принимают минимальное значение Кистир. = 1,05.
Коэффициент истирания зависит не только от износостойкости покрытия, но и от массы загрузки, определяющей прижим деталей друг к другу. Кроме того, истирание зависит от наличия острых кромок, способствующих истиранию. Величина коэффициента истирания принимается различной в каждом конкретном случае и на практике может быть определена экспериментально по фактической толщине покрытия.
Вследствие коррозионно-механического изнашивания покрываемых деталей имеет место повышенное загрязнение электролита примесями металла основы и, как результат, ухудшение качества покрытий. В каждом рабочем цикле барабанной или колокольной ванны загрязнение электролита может идти в два этапа: относительно медленное бестоковое взаимодействие деталей с электролитом с момента загрузки колокола и последующее интенсивное коррозионно-механическое взаимодействие при вращении колокола, постепенно уменьшаемое по мере покрытия деталей.
Обычно эффект истирания рассматривается как нежелательное явление, но в нём есть и положительная сторона. Дело в том, что истирание покрытия происходит только на выступающих частях деталей, т.е. как раз там, где толщина покрытия за счёт низкой рассеивающей способности электролитов получается наибольшая. Таким образом, истирание способствует выравниванию покрытия по толщине. Кроме того, при трении деталей происходит галтовка, в результате которой покрытие становится более гладким и плотным.
Состав электролита, используемый во вращающихся установках, идентичен составу электролита в подвесочных ваннах, но концентрация ионов осаждаемого металла может быть значительно ниже, чем в подвесочных ваннах. Более низкие концентрации соли покрываемого металла во вращающихся установках вполне допустимы, так как при интенсивном перемешивании и коротких импульсах тока низкая концентрация разряжающихся ионов не приводит к диффузионным ограничениям, в то время как эффект от снижения уноса солей металла с деталями из разбавленных растворов получается довольно существенный.
Определение величины единичной загрузки[1]
У Вас величина единичной загрузки выражена в граммах. Единичная загрузка, выраженная в граммах, применяется только для облегчения процедуры загрузки барабана или колокола рабочими. Сама по себе, эта величина не даёт ни какой информации о величине поверхности загружаемых деталей. Так, например, 100 г очень мелких и тонкостенных деталей имеют очень большую поверхность, а поверхность 100 г толстостенных деталей может быть очень маленькой.
Высокая удельная поверхность характерна для мелких, плотно укладывающихся деталей с резьбой (шайбы, гайки, винты, шурупы и др.).
При покрытии деталей в электролитах, в которых аноды склонны к пассивации, необходимо учитывать трудности размещения анодов с поверхностью, соответствующей высокой площади единичной загрузки. Для колоколов наливного типа это имеет особо важное значение. Для нормального баланса по ионам металла в электролите поверхность анодов должна быть, как минимум, равна поверхности деталей. Разместить аноды с такой большой поверхностью в наливном колоколе весьма затруднительно.
Следует иметь в виду, что чрезмерно высокая единичная загрузка барабана не приведёт к увеличению производительности, а даже наоборот. Дело в том, что увеличение единичной загрузки не приводит к существенному увеличению количества единовременно покрываемых поверхностных деталей. При этом частота очередного выхода деталей из глубины загрузки на поверхность в зону покрытия будет снижаться, а токовые импульсы будут редкие и слишком сильные. Таким образом, чрезмерное увеличение единичной загрузки идентично чрезмерному увеличению плотности тока, что приводит к снижению выхода по току и качества покрытия.
Электролиты для нанесения сплавов олова в коррозионном плане являются довольно агрессивными. По этой причине по окончании электролиза детали нужно незамедлительно извлекать из ванны и тщательно промывать. При промывке и при последующей сушке детали необходимо перетряхивать или ворошить, чтобы исключить слипание деталей при проведении этих операций. На недостаточно промытой и непросушенной поверхности слипшихся деталей неизбежно будут пятна, а толщина покрытия может быть очень малой.
Некачественное обезжиривание также может быть причиной появления пятен на оловянно-свинцовом покрытии.
Ещё одной из причин плохого покрытия тонких легких деталей является плохой контакт деталей с токоподводом и между собой.
При расчёте величины тока не забудьте учесть поверхность токоподвода. В маленьких барабанах и колоколах доля тока, уходящая на токоподвод, может быть значительной.
Из всего вышесказанного становится понятным, что покрытие деталей в колоколах осложнено массой обстоятельств, тогда как при покрытии на подвесках или даже в ячейке Хулла всё проще. Ток идет не импульсами, а постоянно и равномерно, нет эффекта слипания деталей, контакты более надёжны, при отсутствии слипания осуществляется более качественное обезжиривание, промывка и сушка.
Данный вывод не означает, что мелкие детали нельзя оловянировать в колоколах, но указывает на необходимость учёта особенностей покрытия деталей насыпью.
Одним из решений вашей проблемы ещё может быть переход на покрытие контактных лепестков не насыпью, а в виде цепочки. Сущность метода заключается в том, что контактные лепестки штампуются из ленты с небольшими перемычками между собой. Полученная цепочка протягивается через обычную ванну с определённой скоростью. При высокой производительности через ванну может протягиваться одновременно более 10 цепочек параллельно.
В том случае, если производственная программа небольшая, то можно воспользоваться старым проверенным способом – нанесением покрытия на сетке. Сущность способа заключается в том, что детали насыпаются на металлическую сетку, подключенную к отрицательному полюсу источника тока. Слой деталей должен быть не очень толстым, чтобы силовые линии электрического поля могли свободно проходить до каждой детали. Сетка опускается в ванну с электролитом. Аноды располагаются либо сверху, либо сбоку (если сетка небольшого размера). Для более равномерного покрытия, детали на сетке необходимо периодически перетряхивать. При покрытии на сетке необходимо учитывать, что значительная часть тока будет уходить на сетку. Поэтому величину подаваемого тока нужно увеличивать из расчёта потерь тока на сетку.
Существует ещё один способ покрытия мелких деталей. Сущность способа заключается в следующем: В качестве ванны применяется цилиндрическая ёмкость с плоским дном из диэлектрического материала. Детали засыпаются на дно этой ёмкости. По центру размещается мешалка для перемешивания деталей. Мешалка является отрицательным токоподводом и представляет собой скребки, которые прижаты к дну ёмкости и медленно вращаются. Детали приподнимаются скребками и пересыпаются через них. Для разных деталей скребки могут быть различной формы (сплошные или в виде гребёнки). Аноды располагаются сверху.
Желаю успеха.
23.09.2021
[1] Под термином «единичная загрузка» понимается суммарная величина поверхности деталей, единовременно загружаемых на подвеску или в барабан.
