Фазлутдинов К.К.

21.08.2018 (обновленно 20.11.2020)

3541 просмотров

Механизм и технология осаждения сплава олово-никель. Преимущества перед другими сплавами. Структура, свойства.

Содержание:

 1. Что такое сплав олово-никель?

2. Кинетика процесса осаждения сплава олово-никель, состав и свойства осадков. 

1. Что такое сплав олово-никель?

Сплав олово-никель имеет серебристо-серый цвет с розоватым оттенком, блестящий. Его отличают:
• Исключительная коррозионная стойкость. На рисунке 1 приведена фотография образцов электроконтактов из алюминия с различными покрытиями сплавами олова. После нагрева до 300° С цвет олово-никелевого покрытия (третий слева) не изменился, в то время как олово-свинец (первый) и белая бронза (второй) окислились. Олово-никель является анодом к меди, защищая ее электрохимически. А вот на сталь без подслоев его наносить не рекомендуется, ввиду большой пористости даже при значительных толщинах. 

Рисунок 1 — Образцы электроконтактов из алюминия с покрытиями сплавами олова (слева направо): олово-свинец 60, белая бронза, олово-никель. 

• Полная устойчивость в концентрированной азотной кислоте. Наряду с этим олово-никелевое покрытие хорошо выдерживает воздействие разбавленных серной и соляной кислот, хлористого натрия, 100% влажности, масел.
•  Устойчивость в серосодержащей промышленной атмосфере. Сплав олово-никель может заменить серебро в этих условиях, если требуется стабилизация переходного сопротивления.
• Повышенная, относительно других сплавов олова, износостойкость и твердость. Sn-Ni в несколько раз более износостоек и эластичен, чем чистый гальванический никель.
• Высокая пластичность.
• Применяется в ювелирном деле в качестве подслоя под драгоценные металла, так как золото не может диффундировать в сплав.
• Отличная паяемость, покрытие применяется взамен лужения, когда к изделию применяются требования по износостойкости.

В Европе сплав олово-никель активно используют взамен олово-висмута при пайке и при повышенных требованиях к механической прочности. В ювелирном производстве Sn-Ni является разделительным слоем между покрываемым изделием и драгоценными металлами благодаря свойству покрытия препятствовать их диффузии в себя и затем в покрываемое изделие. Применяют сплав и для защиты арматуры неразъемных контактов, запрессованных в пластмассу.

Процесс электролитического осаждения оловянно-никелевого сплава полностью не изучен, но получил значительное промышленное применение. 

2. Кинетика процесса осаждения сплава олово-никель, состав и свойства осадков.

Разность стандартных потенциалов между оловом и никелем составляет 0,1В. Совместное их осаждение на катоде возможно, если электролит содержит лиганды, образующие стабильные анионные комплексы с оловом. Это смещает потенциал олова в более отрицательную область, уменьшая разность потенциалов между ним и никелем. На рисунке 2 представлены катодные поляризационные кривые осаждения сплава и индивидуальных металлов из галогенидных электролитов. Никель начинает осаждаться при потенциалах ниже -0,35 В, олово - ниже -0,30 В. Восстановление ионов олова происходит при низкой поляризации. 

Рисунок 2 — Катодные поляризационные кривые на медном электроде из раствора с анионным лигандом: 1 — никель, 2 — олово, 3 — сплав олово-никель, при температуре 70° С и рН = 3. 

Поляризационная кривая при совместном осаждении олова и никеля смещена в сторону более положительных потенциалов (рисунок 1, кривая 3), что подтверждает образование сплава и бинарных соединений.

Осаждению сплава способствует эффект деполяризации при совместном восстановлении ионов обоих металлов вследствие образования химических соединений NiSn₂ и Ni₃Sn₂, что является энергетически выгодным процессом. Все вышесказанное подтверждает рентгено-фазовый анализ.

На рисунке 3 приведены рентгенограммы сплава олово-никель и индивидуальных металлов.

Рисунок 3 — Рентгенограммы электроосажденных покрытий никель (1), олово (2) и сплав олово-никель (3). 

Анализ рентгенограмм показывает, что большинство наблюдаемых дифракционных пиков соответствуют основным компонентам покрытий. Наличие отражения от меди связано с тем, что сигнал от подложки проходит через поры в покрытии. Кроме того, было обнаружено, что сплав содержит интерметаллические фазы Ni₃Sn₄ и NiSn₂.

С точки зрения элементного состава в сплаве содержится примерно 60% олова.

Температура электролита и pH являются ключевыми факторами, определяющими ход осаждения сплава и его финишные свойства.

При pH=2 при температуре 50° C осаждение сплава Sn–Ni (рисунок 4) начинается при потенциале -0,22 В и сопровождается интенсивным выделением водорода. 

Рисунок  4 — Катодные поляризационные кривые на медном электроде в галогенидном растворе при осаждении сплава олово-никель. рН = 2 и 3. T = 50° C.

Повышение pH до 3 при 50° С приводит к сдвигу потенциала сплавообразования в более электроотрицательную область, около –0,30 В. При этом обеспечивается рост однородных блестящих покрытий Sn – Ni серого цвета с плотноупакованной структурой без дендритов.

Повышение температуры до 70° C при pH = 3 снижает катодную поляризацию, в результате чего сплав Sn – Ni начинает осаждаться даже при напряжении –0,25 В (рисунок 2).

Выход по току при осаждении сплава при различных температуре и рН приведен в таблице 1.

Микроизображения олово-никелевого покрытия и индивидуальных металлов приведены на рисунке 5. 

Рисунок 5 — Электронные микроизображения покрытий: а — олово-никель, б — олово, в — никель. T = 50°C, i = 1 А/дм², pH=3.

Повышение плотности тока выше 1,0 А / дм² приводит к растрескиванию покрытий.

В статье частично использованы материалы из источника:

Пянко, А.В. Композиционное покрытие олово-никель-диоксид титана / Пянко А.В., Макарова И.В., Харитонов Д.С. [и др.] //  Неорганические материалы. — 2019. — Т. 55. № 6. — С. 609-616. DOI: 10.1134/S0002337X19060137