甲基磺酸鹽體系Pb-Sn-Cu合金鍍液性能的研究

郭遠(yuǎn)凱,賴?yán)?張豐如,唐春保

(嘉應(yīng)學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 梅州 514015)

Pb-Sn-Cu三元合金塑性較高，能產(chǎn)生順應(yīng)性變性，可作為良好的減摩性材料應(yīng)用于汽車的軸瓦上.傳統(tǒng)的電鍍Pb-Sn-Cu三元合金工藝獲得的鍍層晶粒粗大，鍍層厚度不一致，鍍層的錫原子易向基體擴(kuò)散，鍍液廢水較難處理等缺點(diǎn).因此，各種新型、環(huán)保的電鍍體系的研究開(kāi)發(fā)尤其重要，目前研究應(yīng)用最多的是甲基磺酸鹽體系[1].甲基磺酸鹽電鍍Pb-Sn-Cu合金工藝保持了傳統(tǒng)氟硼酸鹽電鍍體系鍍液成分簡(jiǎn)單、可方便調(diào)整控制鍍層成分等優(yōu)點(diǎn).同時(shí)，由于甲基磺酸沒(méi)有毒性，克服了氟硼酸鹽電鍍體系污染環(huán)境的缺點(diǎn).本課題組采用甲基磺酸鹽配制Pb-Sn-Cu合金鍍液，測(cè)定鍍液的電導(dǎo)率、陰極電流效率和極化曲線等鍍液參數(shù)，同時(shí)測(cè)試了該鍍液的分散能力、深鍍能力以及鍍液的穩(wěn)定性，為采用甲基磺酸電鍍Pb-Sn-Cu三元合金的實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考.

1 甲基磺酸鹽Pb-Sn-Cu合金工藝[2]

1.1 工藝流程

除油─超聲波清洗─水洗─電鍍鉛錫銅合金─水洗─干燥─檢驗(yàn).

1.2 鍍液配方及工藝條件

采用最優(yōu)的鍍液配方和工藝條件：Pb2+100 g/L，Sn2+10 g/L，Cu2+3 g/L，CH3SO3H 140 g/L，Jk 3 A/dm2，θ25°C，陽(yáng)極 Sn10Pb，45 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 電導(dǎo)率

鍍液導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱直接影響電鍍液的性能.具有良好導(dǎo)電性的鍍液，可以降低能源消耗，便于控制鍍液溫度，提高電流效率、提高鍍液的覆蓋能力和分散能力.鍍液導(dǎo)電性的高低取決于鍍液的組成、濃度及溫度等因素.經(jīng)測(cè)定，鍍液電導(dǎo)率為0.89×105μs·cm-1.

表1游離甲基磺酸對(duì)電導(dǎo)率的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍍液在鉛、錫、銅三種成分不變的情況下，鍍液的電導(dǎo)率隨著游離甲基磺酸濃度的增加而增大(圖1).因此，增大甲基磺酸的濃度，既有利于提高鍍液的電導(dǎo)率，降低槽端電壓；也有利于防止水解現(xiàn)象的發(fā)生.但是，因同離子效應(yīng)的影響，游離甲基磺酸濃度提高會(huì)降低主鹽的溶解度.因此，要增大Pb-Sn-Cu三元合金鍍液的導(dǎo)電性，降低能源消耗，提高能源利用率，實(shí)際應(yīng)用中游離甲基磺酸的濃度可控制在140～150 g/L左右.

圖1甲基磺酸濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

2.2 陰極電流效率

在電鍍生產(chǎn)中，在相同的電流密度下，沉積相同厚度的鍍層，陰極電流效率高，則所用的電鍍時(shí)間短，提高工作效率.陰極電流效率高的鍍液，在電鍍過(guò)程中陰極析出的氫氣少，一方面可以減少析出的氫原子向鍍層和基體內(nèi)部滲透而引起的鍍層和基體的氫脆性；另一方面可以減少氣霧帶出的鍍液損失以及對(duì)環(huán)境造成的污染.

將鍍液槽中的陰極試片a和銅庫(kù)侖計(jì)的陰極試片b洗凈、烘干并準(zhǔn)確稱量.按鍍液工藝要求通電一段時(shí)間后，取出試片a和b，洗凈、烘干再準(zhǔn)確稱量，計(jì)算陰極電流效率.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知：隨著電流密度的增大，電流效率逐漸降低，最低電流效率可達(dá)86.48%.

2.3 極化曲線

本試驗(yàn)采用LK98BⅡ微機(jī)電化學(xué)分析系統(tǒng)完成.在基礎(chǔ)鍍液中，加入不同濃度及組成的添加劑，測(cè)定不同配方鍍液的極化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 不同添加劑對(duì)極化曲線的影響

(1)基礎(chǔ)鍍液+對(duì)苯二酚3g/L

(2)基礎(chǔ)鍍液+蛋白胨(3g/L)+對(duì)苯二酚(3g/L)

(3)基礎(chǔ)鍍液+蛋白胨(3g/L)+明膠(2g/L)+間苯二酚(5g/L)

從曲線abc可以看出，它們的共同特征是電流密度開(kāi)始增加時(shí)，陰極極化顯著增大，電勢(shì)負(fù)移；在同一電流密度下，電極電位是a>b>c，說(shuō)明c陰極極化最大，其次是b，a陰極極化最小.顯然，在鍍液中加入蛋白胨后，可以使陰極極化增大；而在鍍液中同時(shí)加入蛋白胨和明膠后，可以使陰極極化變的更大.由于提高陰極極化，可以改善鍍液的分散能力，因此在工藝上可以適當(dāng)在鍍液里加入添加劑-蛋白胨和明膠.

2.4 分散能力

本試驗(yàn)采用霍爾槽法來(lái)測(cè)定Pb-Sn-Cu三元合金鍍液的分散能力.根據(jù)表2所示鍍液配方測(cè)定不同鍍液的分散能力，結(jié)果見(jiàn)表3.

表2 Pb-Sn-Cu三元合金鍍液試驗(yàn)配方(單位：g/L)

表3 不同配方鍍液的分散能力

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在鍍液配方相同的情況下，鍍液的分散能力隨著電流強(qiáng)度的增大而增大；在電流強(qiáng)度相同的情況下，加了添加劑的鍍液的分散能力較沒(méi)加添加劑的鍍液要好，說(shuō)明添加劑可以改善鍍液性能.

2.5深鍍能力

本試驗(yàn)采用管形內(nèi)孔法測(cè)定鍍液的深鍍能力,取一根孔徑為5mm、長(zhǎng)度為50mm的紫銅管，放置于試驗(yàn)槽中，管口正對(duì)陽(yáng)極.通電電鍍一定時(shí)間后，取出清洗干凈并干燥后，沿中軸線剖開(kāi)，測(cè)量鍍層鍍進(jìn)管內(nèi)的深度為50mm，說(shuō)明試驗(yàn)鍍液的深鍍能力達(dá)100%.

2.6鍍液的穩(wěn)定性

把基礎(chǔ)鍍液和分別添加了少量穩(wěn)定劑的鍍液放置于空氣中自然氧化，觀察鍍液產(chǎn)生沉淀及變渾濁所經(jīng)歷的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.[3]

表4添加劑對(duì)鍍液穩(wěn)定性的影響g/L

添加劑時(shí)間/d12345W對(duì)苯二酚3436363534.5間苯二酚2525262624抗壞血酸910111822苯酚1214161716無(wú)穩(wěn)定劑1d后就出現(xiàn)沉淀,4～5d就完全渾濁

實(shí)驗(yàn)表明，鍍液在沒(méi)有添加劑存在的情況下穩(wěn)定性較差，可以添加合適的添加劑增加鍍液的穩(wěn)定性.在有添加劑的情況下，鍍液保持澄清的時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到一個(gè)月左右.

3 結(jié)論

(1)鍍液的電導(dǎo)率隨著游離甲基磺酸濃度的增加而增大，實(shí)際應(yīng)用中游離甲基磺酸的濃度可控制在140～150 g/L左右.

(2)隨著電流密度的增大，電流效率逐漸降低，最低電流效率可達(dá)86.48%.

(3)在鍍液中加入蛋白胨后，可以使陰極極化增大；而在鍍液中同時(shí)加入蛋白胨和明膠后，可以使陰極極化變的更大.由于提高陰極極化，可以改善鍍液的分散能力.

(4)添加合適的添加劑可以增加鍍液的穩(wěn)定性.在有合適濃度添加劑存在的情況下，鍍液保持澄清的時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到一個(gè)月左右.

[1] 王愛(ài)榮,荊瑞俊,亓新華,等.甲磺酸鹽光亮鍍錫鉛合金工藝研究[J].表面技術(shù),2003,32(3):55-56.

[2] 郭遠(yuǎn)凱,張豐如,曾育才,等.甲基磺酸鹽體系電鍍鉛-錫-銅合金工藝[J].電鍍與涂飾，2013(7)：1-4.

[3] 郭遠(yuǎn)凱,唐春保.甲基磺酸鹽電鍍Pb-Sn-Cu穩(wěn)定劑的研究[J].嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué),2013(5)：47-49.