錫酸鈉生產(chǎn)工藝對鍍錫層質(zhì)量的影響

張振華

(云南錫業(yè)集團(tuán)研究設(shè)計院，云南個舊 661000)

錫酸鈉生產(chǎn)工藝對鍍錫層質(zhì)量的影響

張振華

(云南錫業(yè)集團(tuán)研究設(shè)計院，云南個舊 661000)

將氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉與傳統(tǒng)堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉通過電鍍驗證的方式進(jìn)行了質(zhì)量對比，從而考察氧壓合成法生產(chǎn)工藝能否取代傳統(tǒng)的堿解法生產(chǎn)工藝。實驗結(jié)果表明，氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉所得錫鍍層，在色澤、晶粒大小、可焊性、耐腐蝕性及表面粗糙度均優(yōu)于堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉，可在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。

錫酸鈉;電鍍驗證;氧壓合成法;堿解法

引 言

錫酸鈉是一種含錫堿性無機(jī)化合物，產(chǎn)品為白色晶體，易溶于水，溶液呈堿性，主要用于電鍍工業(yè)堿性鍍錫、鍍錫-銅及錫-鋁合金，在織物印染工業(yè)、玻璃、陶瓷及造幣等行業(yè)也有著廣泛應(yīng)用［1］。某公司是生產(chǎn)錫酸鈉的主要廠家，采用堿解法生產(chǎn)錫酸鈉已有20多年的歷史，在生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)工藝和技術(shù)條件不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，使得產(chǎn)品質(zhì)量不斷的提升，生產(chǎn)成本逐年下降，但堿解法生產(chǎn)錫酸鈉工藝仍存在勞動強(qiáng)度大、自動化程度低等不足。

針對堿解法生產(chǎn)工藝的不足，開發(fā)了氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉，與堿解法相比，氧壓合成法生產(chǎn)工藝不僅具有勞動強(qiáng)度低、自動化程度高等優(yōu)勢，同時還具有生產(chǎn)成本低、作業(yè)環(huán)境友好等優(yōu)點。而產(chǎn)品在規(guī)模生產(chǎn)、推向市場之前，本著對用戶負(fù)責(zé)的態(tài)度，模擬采取應(yīng)用錫酸鈉主要客戶生產(chǎn)工藝，考察錫酸鈉生產(chǎn)工藝的改變對鍍錫生產(chǎn)的影響。

1 實驗過程

實驗主要使用試劑為錫酸鈉(堿解法生產(chǎn)、氧壓合成法生產(chǎn))、氫氧化鈉(分析純)。

1.1 實驗方法

實驗步驟如下:

1)配制電鍍液。將氫氧化鈉溶解在欲配溶液體積三分之二的純水中，把錫酸鈉和雙氧水溶在上述溶液中，加水至規(guī)定體積，沉淀后過濾。

2)用電子天平稱量陰、陽極板的質(zhì)量。

3)將稱量好的陰極板用超聲波熱堿清洗，去除板上的油污后，放入20%的硫酸溶液中活化15 min。

4)將陽極板和活化后的陰極板置于電鍍槽中，連接導(dǎo)線，將配制好的電鍍液倒入電鍍槽中，加熱至75℃，記錄陰、陽極板的有效面積，極間距。

5)打開電鍍電源，調(diào)至規(guī)定電流，開始計時。記錄電鍍過程中的溫度、pH、槽電壓、陰、陽極和電鍍液的變化情況。

6)反應(yīng)結(jié)束，關(guān)閉電鍍電源，取出陰陽極板，用純水沖洗、干燥，稱量陰陽極板質(zhì)量，測定電鍍液pH及電鍍液體積，并分析溶液中錫質(zhì)量濃度。

7)以陰極電流效率、電鍍液的變化情況及沉積速度為綜合評價指標(biāo)，采用掃描電鏡(SEM)觀察鍍錫層結(jié)晶細(xì)致程度，對鍍層進(jìn)行可焊性檢測。

1.2 實驗條件及檢測方式

用不同生產(chǎn)方式生產(chǎn)的錫酸鈉做實驗，鍍錫溶液組成及操作條件為:60 g/L錫酸鈉，10 g/L氫氧化鈉，Jκ為4 A/dm2，t為 15 min，θ為 70 ℃，極間距為14 cm，每組實驗重復(fù)5次。

鍍層檢測:極化曲線測定耐蝕性、掃描電鏡觀察表面形貌;

鍍液檢測:陰極電流效率、沉積速率、分散性能、堿溶性。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 陰極電流效率、沉積速度的對比

陰極電流效率和沉積速度是電鍍成本和生產(chǎn)效率的主要影響因素，電流效率反應(yīng)了電能的利用率，電能損耗主要來源于氫離子的放電和其他的副反應(yīng)。

1)陰極電流效率的計算公式如下:

式中:ηκ為陰極電流效率，%;m為陰極鍍層的質(zhì)量，g;C為電化當(dāng)量，錫的電化當(dāng)量為1.107 g/A·h;I為電流，A;t為電鍍時間，h。

2)鍍層平均厚度的計算公式為:

式中:δ為鍍層平均厚度，μm;ρ為鍍層密度，g/cm3;A為陰極面積，本次試驗所采用的陰極面積為90 cm2。

3)沉積速度的計算公式為:

式中:v為沉積速度，mg/min。

表1為兩種工藝生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍錫的陰極電流效率及沉積速度數(shù)據(jù)。

表1 電鍍錫電流效率和沉積速度測定表

由表1可以看出，堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉和氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍錫的陰極電流效率和沉積速度兩個指標(biāo)基本一致，堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍錫的陰極電流效率略高于氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉。

2.2 鍍層質(zhì)量對比

1)鍍層表面形貌對比。鍍層微觀形貌采用日本日立公司的HITACHI S-4700FEG掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。兩種工藝生產(chǎn)的錫酸鈉鍍錫層表面形貌SEM照片如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

圖1 堿解法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層SEM照片(200×)

圖2 氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層SEM照片(200×)

圖3 堿解法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層SEM照片(2 000×)

圖4 氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層SEM照片(2 000×)

由圖1和圖2可以看出，氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉所得鍍層表面的孔隙少。

從圖3、圖4可以看出，氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍所得鍍層表面較致密、鍍層晶粒較細(xì)，而堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍所得鍍層則微略發(fā)黑，鍍層較疏松。

分析認(rèn)為，在電鍍過程中，電流的分布并不是絕對均勻的，查看SEM照片后發(fā)現(xiàn)，采用錫酸鈉電鍍錫，鍍層的生長模式是從晶粒之間的空隙處生長，以片狀結(jié)構(gòu)長大，或以錯層結(jié)構(gòu)生長，布滿鍍層表面。

2)鍍層可焊性對比。采用焊槽法測定鍍錫層焊接性能。精確稱取一定質(zhì)量的焊錫絲置于鍍層表面，設(shè)定可焊性測試儀θ為198℃，待焊錫絲完全鋪展在鍍層表面后，計算焊錫絲鋪展面積A，估算鍍層的可焊性。兩種工藝生產(chǎn)的錫酸鈉鍍錫層可焊性如表2所示。

表2 鍍錫層的可焊性

由表2可知，氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍錫層可焊性優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉所得鍍層。

3)鍍層耐腐蝕性對比。試驗采用上海辰華公司生產(chǎn)的CHI恒電位儀(Model 660B)進(jìn)行極化曲線測試，分析鍍層耐腐蝕性能，在3%氯化鈉溶液中，參比電極為飽和甘汞電極，金為輔助電極，工作電極為1cm2鍍錫片，極化曲線的測試結(jié)果如圖5、圖6所示。通過極化曲線求出腐蝕電位和腐蝕電流密度。

圖5 氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層極化曲線

腐蝕電位反應(yīng)材料熱力學(xué)上的穩(wěn)定性，腐蝕電位越正，材料發(fā)生腐蝕的傾向越小，而腐蝕電流密度越大，材料的耐腐蝕性越差。

兩種不同工藝生產(chǎn)錫酸鈉電鍍錫層的腐蝕電位及腐蝕電流密度如表3所示。

圖6 堿解法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫層極化曲線

表3 鍍錫層腐蝕數(shù)據(jù)

由表3可知，氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉錫鍍層的耐腐蝕性優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉錫鍍層。

4)表面粗糙度。采用SJ-201表面粗糙度儀，檢測鍍層表面粗糙度，兩種工藝生產(chǎn)的錫酸鈉鍍錫層表面粗糙度對比，如表4所示。

表4 鍍錫層表面粗糙度對比

由表4可知，堿解法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍所得錫鍍層表面較氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍所得錫鍍層表面粗糙度低。

從鍍層的色澤、晶粒大小、可焊性、耐腐蝕性及表面粗糙度等指標(biāo)看，氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉錫鍍層質(zhì)量優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍錫層。

2.3 鍍液性能

1)鍍液均鍍能力。均鍍能力是鍍液性能的重要指標(biāo)，其計算公式如下:

式中:T為鍍液的分散能力，%;K為遠(yuǎn)近陰極與陽極間距離之比，本試驗取K=2。m1、m2為近、遠(yuǎn)陰極鍍層的質(zhì)量，g。

鍍液均鍍性能對比如表5所示。

表5 兩種方法生產(chǎn)的錫酸鈉配制鍍液的均度能力對比

由表5可以看出，氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉鍍錫液的均鍍性能明顯優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉鍍液。

2)堿溶性。在配制鍍錫溶液過程中，堿解法生產(chǎn)錫酸鈉溶解性明顯不如氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉的堿溶性，堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉溶解時間長，且溶解后有部分不溶物，電鍍液不清亮，需過濾。而氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉配制的鍍液無需過濾，鍍液清亮，且溶解速度快。

3 總結(jié)

1)在電流效率和沉積速度方面，兩種不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的錫酸鈉電鍍錫的陰極電流效率和沉積速度基本一致;

2)從鍍層質(zhì)量和鍍液性能各項指標(biāo)分析，氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍錫層在色澤、晶粒大小、可焊性、耐腐蝕性以及表面粗糙度等方面要優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉電鍍所得錫鍍層;且氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉的鍍液性能也明顯優(yōu)于堿解法生產(chǎn)錫酸鈉的鍍液;

3)氧壓合成法生產(chǎn)的錫酸鈉在陰極電流效率和沉積速度與傳統(tǒng)堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉基本一致，而在鍍液性能、鍍層質(zhì)量的各項指標(biāo)優(yōu)于堿解法生產(chǎn)的錫酸鈉，可明顯提高電鍍產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合氧壓合成法生產(chǎn)錫酸鈉勞動強(qiáng)度小、自動化程度高、成本低等優(yōu)勢，可以取代堿解法生產(chǎn)工藝，大規(guī)模生產(chǎn)錫酸鈉，并在市場推廣使用。

［1］黃位森.錫［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000:15-807.

Effect of Sodium Stannate Production Technology on Tin Electroplating Quality

ZHANG Zhen-hua
(Research ＆ Design Institute of Yunnan Tin Industry Group，Gejiu 661000，China)

Qualities of sodium stannate which produced by new developed oxygen pressure synthetic process and traditional alkali solution process were compared by tin electroplating test.Thereby，whether the new process could replace the traditional one or not in sodium stannate production could be verified.Results showed that sodium stannate produced by the new process was better than that produced by traditional process in tin coating qualities such as luster，crystal grain size，solderability，corrosion resistance and surface roughness.Thus，the new process could be used in practical production.

sodium stannate;electroplating validation;oxygen pressure synthesis process;alkali solution process

TQ153.13

B

1001-3849(2011)11-0036-04

2011-06-17

2011-07-12