胎圈钢丝化镀锡青铜工艺研究

1、胎圈钢丝化镀锡青铜工艺研究仝奎(郑州大学材料工程学院450052窦光聚(冶金金属制品行业生产力促进中心郑州450007摘要研究胎圈钢丝化镀锡青铜的镀液配方,分析了(Cu 2+(Sn 2+之比和硫酸浓度对镀液的影响:(Cu 2+(Sn 2+之比应控制在13以上,硫酸浓度可在一定范围波动,对镀层含锡量影响不明显。加入研制的添加剂可增加镀液稳定性。为提高镀层与橡胶的粘结力,应加强钢丝表面前处理和镀后处理。关键词胎圈钢丝化镀锡青铜镀液稳定性研究T echnology R esearch of B ronze -plating by ChemicalDisplacement on B ead WireT

2、 ong K ui(Materials Engineering College o f Zhengzhou Univer sity 450052Dou Guangju(Productive Forces Promotion Center o f China Steel Wire Products Industry Zhengzhou 450007Abstract T o research the plating liquid prescription of bronze 2plating by chemical displacement on bead wire.The effects of

3、con 2centration ratio of Cu 2+to Sn 2+and sulphuric 2acid concentration on the plating liquid are analyzed.The concentration ratio of Cu2+to Sn2+should be controlled over 13.The sulphuric 2acid concentration can wave within a certain scope ,and its effect on Sn com po 2nent in the coat is not obviou

4、s.Adding additive researched and produced by self can raise the stability of the plating liquid.In order to increase the coherence of rubber with coat ,the pre 2treatment and after 2treatment of steel wire s sur face should be strengthened.K eyw ords bead wire ;bronze -plating by chemical displaceme

5、nt ;plating liquid ;stability research1概述化学置换镀锡青铜是以电化学置换反应为基础,从而获得镀层的方法。该法具有沉积速度快、工艺简单、与橡胶结合力强等特点,很适合生产胎圈钢丝的表面镀层。胎圈钢丝作为轮胎的一种骨架材料,其性能的好坏直接影响着轮胎的质量,因此要求它具有良好的力学性能、工艺性能及与橡胶高的粘结特性。随着IS O T C17SC17新标准的颁布实施,国内的胎圈钢丝也将由紫铜镀层为主发展为以青铜为主。2化镀青铜的原理严格地讲化镀青铜应该是化学置换法镀青铜,它有别于通常所说的“化学镀”。在钢丝基体(铁上进行置换反应时各金属的标准电极电位1如下:E

6、°(Cu 2+Cu =+0.377VE °(Sn 2+Sn =-0.136V E °(Fe 2+Fe =-0.441V铁的标准电极电位值明显低于锡和铜,根据能斯特方程,铁置换铜与锡的反应是自发进行的。由E °(Cu 2+Cu -E °(Sn 2+Sn =0.337-(-0.136=0.473V 可知,铜与锡之间存在很大的电位差。为了得到一定含锡量的青铜镀层,通过控制液相中铜锡两组份合金的金属离子浓度以及加入适量的添加剂可得到满意的结果。3镀液配方的研究3.1(Cu 2+(Sn 2+之比对镀层含锡量的影响按预先设定的配方,先假设其它组分不变,通过

7、对不同(Cu 2+(Sn 2+之比的调整,得到不同含锡量的镀层,结果见图1及表1。由此可看出硫酸本课题为2000年河南省科技攻关项目第28卷第6期金属制品2002年12月V ol 128N o 16S teel Wire Products December 2002铜与硫酸亚锡的质量比应控制在13以上 。图1硫酸铜与硫酸亚锡含量对镀层 含锡量的影响3.2硫酸含量对镀层含锡量的影响笔者同时试验了硫酸的含量对镀层含锡量的影响,结果如图2所示。硫酸的浓度可在一定范围内波动,对镀层中的含锡量影响不明显,即溶液中的硫酸含量不是影响镀层含锡量的主要因素。表1硫酸铜与硫酸亚锡含量对镀层含锡量的影响w %Cu

8、S O 45H 2O (g L -1SnS O 4(g L-1234555 1.5 2.1 2.7 3.860 1.2 1.8 2.5 3.462.50.9 1.6 2.2 3.1650.81.32.03.0图2镀液中硫酸含量对镀层含锡量的影响3.3镀液的稳定性本实验镀液中的Sn2+是以锡盐(SnS O 4的形式加入的,Sn 2+极易受空气中氧的作用而被氧化为Sn4+,同时Sn 2+易水解形成偏锡酸盐的白色沉淀,从而使镀液混浊以致失败。我们采用在镀液中加入稳定剂的方法来提高其稳定性,试验结果见表2。表2稳定剂对镀液稳定性及镀层含锡量的影响镀液放置时间h未加稳定剂添加适量稳定剂镀液外观w (Sn

9、 %镀液外观w (Sn %3清 2.2清 2.210浊 2.0清 2.224浊 1.8清 2.272浊 1.5清 2.2168浊 1.0清 2.1336浊0.5清2.1实验发现,镀液在未加稳定剂的情况下,10h 后就会出现混浊,经分析所镀的试样,镀层含锡量下降。在镀液中加入过量的硫酸可有限地抑制沉淀,但不能从根本上解决沉淀的问题。加入稳定剂后,则大大增加了镀液的稳定性。3.4添加剂添加剂一般对金属的平衡电位影响甚小,而对金属的极化往往有极大的影响,特别对于置换反应,由于添加剂在钢丝表面可能被吸附或形成表面络合物,所以常具有明显的阻化作用2,如果不加入添加剂只能得到疏松多孔、结合力差、防锈性差的

10、镀层。这是由于钢丝在酸性溶液中的快速溶解使电极表面积累了大量电子,引起电极电位的强烈负移,导致较高的结晶过电位,使得三维晶核在钢丝表面大量析出并长大,最终形成了与基体结合很差的疏松镀层。加入添加剂后,由于其明显的吸附及阻化作用,降低了置换反应的速度,抑制三维晶核的形成,使晶核的生长沿平面进行,从而得到高质量的镀层。由于铜、锡之间存在一定的电位差(0.473V ,因此要想使铜锡在钢丝表面上发生共沉积,必须添加适当的添加剂。因添加剂在钢丝表面的阻化作用常带有一定的选择性,一种添加剂可能对几种金属的沉积起作用,而对另一些金属则效果不显著,因此在镀液中加入适宜的添加剂也是实现其沉积达到所需镀层含锡量的

11、有效方法。根据对数十种添加剂进行的系统研究、筛选与优化,我们研制的添加剂适用于化镀青铜,经分析测试,取得了满意的结果。3.5镀液的配方根据以上的试验研究,我们得出了如下的胎圈钢丝化镀锡青铜w (Sn <3%的镀液配方:5第6期仝奎等:胎圈钢丝化镀锡青铜工艺研究硫酸铜5565gL硫酸亚锡15gL硫酸4080m LL稳定剂适量添加剂适量3.6镀液成分对镀层的影响(1硫酸铜及硫酸亚锡。硫酸铜和硫酸亚锡是镀液的主盐,其含量可在一定范围内变化,但为了保证w(Sn在3%以内,根据试验,硫酸铜与硫酸亚锡的比应大于13。(2硫酸。硫酸能防止硫酸铜及硫酸亚锡的水解,同时为置换反应提供足够的动力,所以应保持

12、在一定的范围(4080m LL,且在此范围内不会影响镀层含锡量。(3添加剂。添加剂在镀青铜化学反应中起着重要的作用,它可使镀层结晶致密、光亮,对金属的极化有较大的影响。因此应保证镀液中有足够的添加剂。4镀层的粘结力胎圈钢丝表面的铜锡合金镀层是一过渡层,而镀层的结合强度直接影响钢丝与橡胶的结合力。由于镀层厚度一般仅为0.15m,依据通常的缠绕试验很难对镀层与基体的结合强度作出正确并有可比性的判断。而根据粘结力试验可发现:抽出力低的,钢丝表面露底、无铜层,极少有挂胶;抽出力高的,钢丝表面一般挂胶均匀,钢丝表面仍有铜层存在。因此,胎圈钢丝表面的铜锡合金镀层与钢丝基体间的结合强度一定要大于镀层与橡胶的

13、粘接强度。影响镀层结合力的因素有:(1钢丝表面的前处理。钢丝镀前其表面未清除干净,容易造成镀层粗糙,产生黑斑、发花,导致与橡胶结合力差等一系列问题。镀前处理是整个镀青铜工艺获得良好镀层的先决条件,并对粘结力起决定性作用。(2镀后处理。胎圈钢丝经过镀青铜后,锡的质量分数可稳定地控制在3%以下,其抗蚀性比纯铜镀层有所增强,但因镀层极薄,且是阴极性镀层,不采取镀后处理极易变色或锈蚀。通过采用在钢丝镀层表面涂防锈剂的方法,使其在钢丝表面形成一层致密的膜层,达到防锈的目的,避免影响与橡胶的粘结力。5结论(1研究的化镀青铜镀液稳定,操作方便,镀层厚度及含锡量易于控制;(2镀液中硫酸铜与硫酸亚锡的比应大于1

14、3;(3硫酸含量在一定范围内变化对镀层的含锡量影响很小;(4生产中应加强镀前处理,镀液的维护与管理和镀后处理,三者缺一不可。参考文献1方景礼,沈宁一.表面处理工艺手册.上海:上海科学技术出版社.1991,82屠振密.电镀合金原理与工艺.北京:国防工业出版社, 1993,51(收稿日期:2002-07-30作者简介仝奎1963年9月生,郑州大学材料工程学院高级工程师。窦光聚1957年11月生,高级工程师,冶金金属制品行业生产力促进中心总工。(上接第3页上吊起检查托索轮并更换备件,由于产生过大的局部弯曲,使钢丝绳在夹板处产生断丝,通过无损探伤发现整条钢丝绳有12处断丝。这说明夹板只适于水平方向牵引钢丝绳时使用,在垂直起吊时夹板和U形夹都是不能使用的,要使用专用工具起吊钢丝绳。4.4设计不当或张紧力不够钢丝绳的安全系数低于规定值固然有害,但如果过大的安全系数对WS型钢丝绳也同样是有害的。安全系数设计过大或钢丝绳拉紧装置起不到应有的张紧作用,致使钢丝绳安全系数过大,将使钢丝绳各丝间不能互相压紧,也是使内部细丝被挤出的重要原因。如某脉动索道,使用了 46mm的6×36WS型钢丝绳,由于设