Свинцевание металла в домашних условиях
Обновлено: 06.07.2024
чает изготовление сложных деталей глубокой вытяжкой. Возможно их соединение сваркой сопротивлением, а также пайкой мягким и твердым припоем.
б. Узкая полоса. Применяется для изготовления фальцованных освинцованных труб, листов для фильтров, охладителей и т. п. Покрытию подвергают холоднокатаную светлоотожженную стальную полосу толщиной 0,06—0,1 мм.
При скорости движения через агрегат 50 м/мин толщина слоя покрытия составляет 2,7—28 мкм. Операции:
травление; промывка; сушка; ванна жидкого металла Pb — Sn — Sb со слоем флюса на месте входа полосы; воздушные сопла для регулирования толщины покрытия (воздушный нож) в месте выхода полосы; воздушное охлаждение.
4.3.2.2. Гомогенное свинцевание (свинцевание наплавлением)
Выполняется обычно с промежуточным слоем олова. Толщина слоя свинца составляет 25—300 мкм.
Применяют для покрытия резервуаров, аппаратов и трубопроводов для сильных кислот (в химической промышленности), а также для защиты от излучения, например в атомных реакторах.
Такой комбинированный материал имеет наряду с высокой коррозионной стойкостью также и высокую теплопроводность.
При гомогенном свинцевании стали (а также коррозионностойкой стали, никеля, меди, алюминия) ввиду различия коэффициентов теплового расширения свинца и основного металла (эти коэффициенты имеют следующие значения, 10 -6 град -1 : свинец 28, сталь 11,5, медь 16,5, дуралюминий 24,0) при переменном температурном нагружении имеется опасность образования трещин и возникновения пластической деформации, особенно при большой толщине слоя свинца.
Гомогенное свинцевание выполняется следующим образом: на лист и штучные изделия промежуточный слой олова или сплава Sn — Sb наносят в жидком виде после соответствующей предварительной подготовки поверхности; верхний слой свинца наносят тоже в жидком виде (с подогревом горелками или заливкой); на трубы слой свинца наносят методом центробежного литья.
4.3.2.3. Прочие способы
Электролитическое свинцевание стали, меди и алюминия (после предварительного никелирования) с применением свинца или сплавов Pb — Sn позволяет получить, например на стальном листе, покрытия толщиной 2; 5 и 7,5 мкм, содержащие 90 % Pb и 10 % Sn; возможно также одностороннее или дифференцированное свинцевание.
Плакирование при прокатке
Возможны следующие варианты: свинец на цинковый лист; сплав Pb — Sn на алюминиевый лист; свинец на стальной лист, причем в последнем случае перед плакированием на стальной лист наносят промежуточный слой погружением в ванну свинец — олово или свинец — сурьма. При последующем плакировании холодной прокаткой происходит обжатие по толщине преимущественно только свинцового слоя. Поэтому свинцовый лист, применяемый для плакирования, может иметь меньшую длину и ширину, чем стальной лист.
Свинцевание распылением жидкого свинца
Осаждение из паровой фазы в вакууме
Этот способ находится на стадии разработки.
Автор: Администрация
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Свинцевание | Механизм и технология получения покрытий свинцом. Структура и свойства свинца.
1. Что такое свинец и для чего применяют свинцевание?
Свинец — металл серого цвета. Нормальный потенциал свинца равен -0,126 В. В паре с железом свинец, является катодом. Он мало склонен к пассивации в окислительных кислотах. Химическая стойкость свинцовых покрытий объясняется образованием сравнительно толстых защитных пленок, которые непосредственно защищают свинец. В серной кислоте, в частности, образуется защитная пленка сульфата свинца.
В азотной и уксусной кислотах свинец не устойчив, так как нитраты и ацетаты хорошо растворимы в воде. Неустойчив свинец и в растворах щелочей.
Свинцевание - нанесение тонкого слоя металлического свинца на изделие для придания ему необходимых характеристик.
Электролитические свинцовые покрытия применяют для защиты стали в химической промышленности, на коксохимических предприятиях, для предохранения аппаратуры от действия серной кислоты, сернистых газов, для защиты от действия на сталь отравляющих веществ, для защиты от действия бензина. Применяют свинцовые покрытия для защиты от воздействия паров серной кислоты.
Для электролитического свинцевания пригодны как кислые, так и щелочные электролиты. Известны составы на основе простых и комплексных солей: фторборатные, кремнефторидные, перхлоратные, сульфаматные, нитратные, ацетатные, плюмбитные, фенолсульфоновые, тартратные, пирофосфатные, полиэтиленполиаминовые, нитрилтриацетатные и др. Промышленное значение имеют борфторидные, кремнефторидные и фенолсульфоновые электролиты.
2. Электролиты для получения покрытий свинцом.
Состав электролитов для свинцевания и режимы электролиза представлены в таблице ниже.
Компоненты и режим работы
Состав электролитов, г/л
Клей мездровый (столярный)
Плотность тока, А/дм 2
Скорость осаждения, мкм/мин
В состав кислых электролитов свинец входит в виде следующих солей: борфторида Pb(BF4)2, кремнефторида Pb(SiF6)2, фенолсульфоната Pb(C6H4SO3OH)2, перхлората Pb(ClO4)2 и сульфамата Pb(H2NSO3). В таких электролитах необходимо присутствие свободной кислоты для предупреждения гидролиза соли свинца, увеличения электропроводимости, некоторого улучшения структуры осадков и снижения склонности к дендритообразованию. В составе электролита для первых двух ванн содержится, кроме того, борная кислота, необходимая для повышения устойчивости соответствующих свинцовых солей.
Режим электролиза, в частности, плотность тока, выбирают в зависимости от необходимой толщины покрытия. Для получения тонких слоев покрытий (~ 30 мкм) рекомендуется применять более разбавленный электролит.
Щелочные плюмбитные электролиты просты по составу, доступны, их легко приготовить. В этих электролитах свинец присутствует в виде анионов Pb(OH)4 2- , образующихся в результате диссоциации комплексных солей плюмбитов натрия или калия Na2[Pb(OH)4] или K2[Pb(OH)4]. Низкая растворимость плюмбитов в щелочном растворе (0,23 экв. Pb в 4 н. КОН)ограничивает верхний предел допустимых плотностей тока (10-40 А/м 2 ). Для расширения интервала плотностей тока рабочую температуру поддерживают в пределах 60-70 °С. Растворимость свинца увеличивается в присутствии 60-65 г/л глицерина или сегнетовой соли. Это объясняется образованием растворимых комплексных соединений свинца типа глицератов.
Свинцовые аноды пассивируются вследствие накопления карбоната натрия, образующегося при взаимодействии свободной щелочи с диоксидом углерода воздуха. Катодная поляризация в щелочном плюмбитном электролите невелика.
Поляризуемость катода в интервале рабочих плотностей тока более высокая, что наряду с хорошей электропроводимостью электролита обуславливает более высокую рассеивающую способность по сравнению с кислыми растворами.
Широкое применение щелочных электролитов ограничено невысокой стабильностью растворов, низкими плотностями тока, пассивированием анодов и отсутствием хорошего сцепления свинцовых покрытий со стальной основой.
Борфтористоводородные электролиты отличаются высокой стабильностью, в них получаются мелкокристаллические, хорошо сцепленные с основой осадки непосредственно на стали, поэтому выбран именно этот электролит.
Электролитическое свинцевание
Обычно применяемые в гальванотехнике хлористые и сернокислые электролиты не могут применяться для осаждения свинца вследствие малой растворимости этих солей в воде. Уксуснокислые и азотнокислые растворы тоже малопригодны, так как свинец из них осаждается в виде плохо держащихся на катодной поверхности дендритов или губки (рис. 134). Успешное применение нашли только кремне- и борфтористоводородные соли свинца, соли хлорной и сульфаминовой кислот.
Кремнефтористоводородные электролиты применяют преимущественно для рафинирования свинца. Для обеспечения прочного сцепления железных и стальных изделий со свинцовым покрытием, полученным из кремнефтористоводородных электролитов, рекомендуется предварительное меднение. Последняя операция отпадает при употреблении борфтористоводородных или перхлоратных электролитов.
Хотя в последних четырех электролитах склонность к дендритообразованию значительно меньше, чем в других, все же и в них приходится прибегать к коллоидным добавкам. С этой точки зрения свинец, как и олово, представляет исключительный интерес. По способности давать крупнокристаллические осадки свинцовые электролиты располагаются в следующем порядке: уксуснокислые, азотнокислые, кремнефтористоводородные, борфтористоводородные и перхлоратные. Этот ряд согласуется с представлением о связи между катодной поляризацией и структурой осадка; в последнем электролите наблюдается заметная поляризация, в то время как в первом она почти отсутствует.
Введение свободной кислоты и коллоидов в перхлоратные, сульфаминовые, кремне- и борфтористоводородные электролиты вызывает увеличение катодной поляризации и одновременно с этим уменьшение размеров кристаллов. Наибольшая поляризация и наиболее тонкая структура наблюдаются в кислых перхлоратных электролитах, содержащих желатину.
Благоприятное влияние желатины в указанных выше электролитах объясняется тем, что прикатодный слой, как и в медном электролите, кислый (водород почти не выделяется), положительно заряженные коллоиды достигают катодной поверхности и затрудняют рост кристаллов (способствуют образованию мелкокристаллических осадков).
В гальванотехнике наиболее широкое распространение для свинцевания получили борфтористоводородные электролиты.
Для приготовления таких электролитов исходят из основной углекислой соли свинца, в которой содержание металла не ниже 98% от теоретического, исходя из формулы 2РbСО3*Рb(ОН)2. Плавиковая кислота применяется обычно 50%-ная. В ней в качестве примесей почти всегда присутствует серная кислота, для удаления которой затрачивается определенное количество свинца. Рекомендуется применять кристаллическую борную кислоту, а не порошкообразную, так как последняя бурно реагирует с плавиковой кислотой.
Рекомендуется следующий метод приготовления электролита. В свинцовый (или освинцованный) сосуд наливают потребное количество плавиковой кислоты и понемногу добавляют борную кислоту; так как при этом происходит сильное разогревание, то раствор понемногу разбавляют водой, тем самым охлаждая его. Углекислый свинец рекомендуется добавлять в виде густой кашицы при постоянном перемешивании. После растворения свинца раствору дают некоторое время отстояться (при наличии серной кислоты выпадает сернокислый свинец), затем его сифонируют, переливают в асфальтированную ванну, добавляют нужное количество коллоида и разбавляют водой до нужной концентрации.
С увеличением концентрации кислоты можно рассчитывать на улучшение структуры осадков вследствие уменьшения активности ионов свинца и связанного с этим повышения катодной поляризации. Что касается влияния повышенной концентрации свинца в растворе, то оно сводится к повышению допустимой плотности тока, при которой не растут дендриты.
Повышение плотности тока способствует получению более мелкой структуры, но в то же время и дендритообразованию на краях, так что пределом должна служить для каждого случая та плотность тока, при которой на краях не образуются дендриты.
Избыток борной кислоты в электролите не оказывает заметного влияния на качество осадка, но способствует устойчивости электролита и предупреждает образование шламообразного фтористого свинца.
Повышение температуры не вносит улучшений, но отложения получаются с более крупной структурой. Для получения относительно толстых покрытий свинца (до 0,125 мм) рекомендуется следующий состав электролита, г/л:
Для получения более толстых слоев при более высоких плотностях тока концентрацию этих компонентов следует увеличить примерно вдвое. Плотность тока можно поддерживать в пределах 1—3 a/дм2, причем для концентрированных растворов можно применять более высокую плотность тока. Напряжение колеблется в пределах десятых долей вольта и редко превышает 1 в.
Температуру рекомендуется поддерживать на уровне 18—20° С и если от проходящего тока происходит разогревание электролита, то последний приходится даже искусственно охлаждать.
Для подготовки поверхности перед покрытием в борфтористоводородном электролите применяется обработка пескоструйным аппаратом или глубокое травление. Подготовленная таким образом и покрытая свинцом поверхность может выдержать разогрев до 250° С без вздутия и отслаивания покрытия.
Для получения беспористого покрытия в случае хорошо подготовленной поверхности и мелкокристаллической структуры достаточна толщина свинца 0,075 мм; для большей надежности ввиду того, что свинец мягкий и легко повреждается при механическом воздействии, рекомендуется толщина 0,125 мм. В отдельных случаях для защиты от коррозии при жестких условиях толщина свинцового покрытия превышает 1 мм.
Свинцовые аноды
Свинец — один из самых древних металлов, известных человечеству. Он достаточно распространен в земной коре - его содержание составляет 1,6·10−3 % по массе. Свинец чрезвычайно мягок и пластичен (режется ножом), легко плавится и, в связи с этим, его добыча и обработка не вызывают затруднений. Свинец относится к группе тяжелых металлов, имеет огромную плотность - 11,3 г/см3. При нормальных условиях свинец покрыт толстым слоем оксидов, со многими химическими реагентами образует нерастворимые соединения.
Чисто свинцовые аноды выпускаются следующих марок:
Максимальное содержание примесей, %
Свинцовые аноды являются одними из самых востребованных нерастворимых анодов в гальванике, эксплуатируясь во многих сернокислых, хромовокислых и фосфорнокислых электролитах. Реже свинец применяется в качестве растворимых анодов в процессах свинцевания и электроосаждения двух/трехкомпонентных сплавов, легированных свинцом.
Вследствие низкой механической прочности и высокой плотности имеются особенности и трудности в применении анодов из чистого свинца. Так, например, невозможно использовать чистый свинец в качестве геометрически сложных внутренних анодов ввиду их деформирования под собственным весом. Это может провоцировать короткое замыкание. Внутренние аноды из свинцовых стержней и проволоки нельзя подвергать натяжению, а, следовательно, сложно центрировать внутри изделия. Наконец, следует помнить, что даже инертные аноды подвержены износу. Например, при хромировании с использованием анодов из чистого свинца их износ составляет в среднем 0,75 мг/см 2 *ч. Указанную скорость растворения можно считать весьма интенсивной.
В связи с этим целесообразно применять для изготовления анодов сплавы свинца. Например, небольшие добавки сурьмы (Sb) позволяют повысить механические свойства анода за счет большей твердости сплава свинец-сурьма. Кроме того, сплав с сурьмой обладает большей химической стойкостью в кислотах, в частности - в хромовой. Так, при применении сплава ССу7, легированного 7% сурьмы, скорость разрушения анодов при хромировании снижается более, чем в 3 раза и составляет уже 0,20 мг/см 2 *ч, процесс их зачистки упрощается.
Рассмотрим анодный процесс, протекающий при хромировании с применением свинцовых анодов. Параллельно идут две реакции:
- окисление воды и выделение кислорода:
- окисление ионов хрома Cr 3+ до Cr(VI):
Некоторая доля кислорода, образующегося на аноде реагирует с поверхностью свинца с образованием темно-коричневой пленки PbO2. Она обладает хорошей электропроводностью и механически защищает аноды от дальнейшего разрушения. Аноды, покрытые пленкой пероксида свинца, практически нерастворимы в хромовом электролите с добавкой анионов SO4 2- . Слой оксида свинца увеличивает перенапряжение выделения кислорода, катализируя процесс перехода Cr 3+ в Cr(VI).
Однако, с течением времени диоксид свинца реагирует с хромовой кислотой с образованием нерастворимого слоя рыхлого желтого хромата свинца, обладающего значительным сопротивлением и низкой адгезией к поверхности анода:
Для обеспечения дальнейшей работы электролита пленку хроматов свинца удаляют крацеванием с предварительной обработкой в щелочном растворе.
Новые свинцовые аноды следует прорабатывать на анодных штангах при постепенном увеличении анодной площади с повышением напряжения на ванне с 5 до 8В. Процесс подготовки проводят в течение часа, что достаточно для образования плотной пленки диоксида свинца.
Отдельно рассмотрения стоит анодный процесс, протекающий на свинцовых анодах в сернокислых электролитах. В начале работы на анодах образуется малопроводящий фазовый слой практически нерастворимого сульфата свинца PbSO4, а по мере зарастания площади аноды пассивируются. При высокой анодной поляризации на аноде регистрируется наличие остаточных токов, что свидетельствует о протекании процессов окисления. В фазовом слое сульфата свинца образуется большое количество окисленных продуктов из соединений свинца и легирующего компонента; толщина фазового слоя растет. Кроме того, окисляются соединения двухвалентного свинца, и образуется токопроводящая фаза двуокиси свинца PbO2, на которой протекает процесс выделения кислорода. В результате чего замедляются процессы ионизации свинца и роста фазового слоя.
В сплавах, легированных сурьмой или серебром, скорость ионизации значительно замедляется, тем самым уменьшается количество поступающих в раствор катионов свинца. Легирующие элементы заметно изменяют механизм образования фазовых слоев на свинцовом аноде, что, в свою очередь, влияет на перенапряжение выделения кислорода. Так в сплаве Pb-Sb 6% сурьма легко окисляется в составе сплава, а продукты окисления оказывают деполяризующее действие на основной электродный процесс.
Свинцевание
Свинец и железо не образуют в твердом состоянии ни твердых растворов, ни каких-либо интерметаллических фаз Pb — Fe (см. диаграмму состояния системы Pb— Fe). Кроме того, жидкий свинец не смачивает поверхности железа. Поэтому при горячем свинцевании железа (стали) применяют следующие приемы:
нанесение промежуточных слоев, вступающих в диффузионные соединения с железом и свинцом (например, промежуточного слоя олова на стали при гомогенном свинцевании);
ввод легирующих добавок в свинцовую ванну;
покрытие такими соединениями свинца, которые образуют с железом совместные фазы.
В качестве легирующих добавок к свинцу применяют преимущественно олово (от 7 до 20—25 %) и сурьму (до 5—7 %). Находят применение также сплавы системы Pb — Sn — Sb, например 8—9 % Sn, 2—3 % Sb. При добавках сурьмы к тому же повышается и твердость покрытия.
В ваннах системы Pb — Sn образуется промежуточный интерметаллическии слой фазы FeSn2 в ваннах системы Pb — Sb — промежуточный слой фазы FeSb2. Толщина этих промежуточных слоев увеличивается по мере повышения содержания олова или сурьмы в свинцовой ванне.
4.3.2. МЕТОДЫ СВИНЦЕВАНИЯ
4.3.2.1. Горячее свинцевание (свинцевание погружением в металлический расплав)
Горячее свинцевание стального листа
Стальные листы покрывают в свинцовой ванне, содержащей 7—10 или 15—20 (до 25) % олова, а также сурьму. Предварительная обработка поверхности выполняется так же, как при горячем цинковании. Применяют три способа:
а. Свинцевание с флюсом (ZnCl2). Выполняется в таких же агрегатах, как для горячего лужения листа; на выходе лист должен проходить через пальмовое масло; толщина покрытия составляет около 4,4 мкм (что соответствует массе 80 г/м 2 с обеих сторон).
б. Комбинированный способ. Процесс ведется как по варианту «а», но с дополнительным погружением в ванну Pb—Sn и затем в пальмовое масло; толщина покрытия составляет примерно 9—25 мкм (что соответствует массе 160—450 г/м 2 с обеих сторон).
в. С пальмовым маслом в качестве флюса.
Применяется четыре ванны (ручной процесс): пальмовое масло, ванна Pb—Sn с пальмовым маслом, еще одна такая же ванна, ванна Pb—Sn и пальмовое масло.
При этом достигается лучшее качество покрытия, чем по варианту «б»; толщина слоя составляет около 17—25 мкм (что соответствует массе 320—450 г/м 2 с обеих сторон).
Горячее свинцевание стальной полосы в непрерывных агрегатах
а. Широкая полоса (сталь для глубокой вытяжки и весьма глубокой вытяжки): обезжиривание (электролитическое); промывка; травление (например, в соляной кислоте); промывка; сушка; ванна жидкого металла (свинец с содержанием от 8 до 20—25 % олова, а также и сурьмы; температура около 350 °С; продолжительность погружения около 5—10 с) со слоем флюса в месте входа полосы и пальмовым маслом и валками жировой машины в месте выхода полосы; толщина получаемого покрытия составляет около 7 мкм (рис. 4.40); воздушное охлаждение; машина для удаления пальмового масла.
Освинцованный стальной лист и широкую полосу применяют, в частности, для изготовления бензобаков (например, при толщине слоя покрытия 7 мкм), а также в качестве кровельного материала.
Покрытия, содержащие, например, 8—11 % Sn и 1—3 % Sb, имеют более высокую твердость и повышенную сопротивляемость истиранию при глубокой вытяжке. Свинцовые покрытия обладают хорошим смазочным действием, что облег-
Читайте также: