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金属镀层的腐蚀(氧化)对产品可靠性的危害

导读: 一种优良的可焊性镀层,不仅要具有优良的可焊性,而且还要具有良好的抗腐蚀性,这样才能保证基体金属长期储存后的可焊性。

金属腐蚀的定义:金属受外部环境介质(气态或液态)的作用(化学的或电化学的)在其表面所起的异相反应,而变成氧化物、硫化物、氯化物等化合物的现象。

一、腐蚀介质的分类

1.基体金属镀层的大气腐蚀当引脚基体镀层金属与气体介质(O2、S)接触时,首先气体分子被吸附在镀层金属的表面上,然后与表层金属作用并在其表层生成化合物,如表1所示。

表1 基体金属镀层的大气腐蚀

在工业大气中,除含有O2外,还含有少量的CO2、CO、H2S、SO2等。空气中正常的CO2是无害的,它既不会引起腐蚀,也不会加速腐蚀。空气中很少量的H2S,可引起Ag、Cu的爬行腐蚀而使Ag、Cu变色,Ag的变色是形成了Ag2S+Ag2O+CuCl膜,而Cu的变色是形成了Cu2S+CuS+Cu2O的混合膜。在工业大气中最具腐蚀性的气体是SO2,它主要来源于煤、石油、汽油的燃烧。Sn在城市大气中的腐蚀速度是比较小的,所以选择Sn基合金作为可焊性镀层在抗大气腐蚀这一点上是合适的。

2.基体金属镀层的有机物腐蚀元器件要经历涂漆、绝缘、烘烤、封装等处理,在这些工序中,金属往往要置于有机气氛之中而引起镀层金属的腐蚀。例如,Zn、Cd镀层在甲酸、乙酸等有机气氛之中,会形成“白霜”状的疏松金属有机酸盐的腐蚀产物。微生物中的霉菌、真菌和细菌在其代谢过程中也会产生有机酸,人的手汗中含有多种无机物和有机物。它们都很容易使金属镀层发生化学或电化学腐蚀,其中大多数的腐蚀产物均难以与助焊剂形成熔融性化合物,所以它们都将降低镀层的可焊性。因此,一种优良的可焊性镀层,不仅要具有优良的可焊性,而且还要具有良好的抗腐蚀性,这样才能保证基体金属长期储存后的可焊性。

二、引脚基体金属和镀层间的电化学腐蚀现象

焊接接头部的化学性质最关注的是腐蚀性,它可区分为由于钎料和基体金属等接触而引发的电化学腐蚀,以及基体金属和钎料自身的腐蚀两大类型。

1.金属的电化学腐蚀1)金属电化学腐蚀反应金属的电化学腐蚀反应通常分成以下两类。(1)反应中有电子的得失:这类反应称为氧化-还原反应,失去电子的反应称为氧化反应,失去电子的物质称为还原剂;得到电子的反应称为还原反应,得到电子的物质称为氧化剂。金属的原子容易失去电子变成正离子,因此,金属是还原剂。金属越容易失去电子,就越活泼,还原能力就越强。例如,Zn从Cu盐溶液中取代出Cu的反应为Zn+Cu++=Cu+Zn++

该反应的本质是Zn原子将自己的电子转移给予了Cu++离子,使Zn原子变成了Zn++离子,而Cu++离子获得了电子变成了Cu原子。Zn失去电子的过程称为氧化反应,Zn是还原剂;而Cu++离子获得电子的过程称为还原反应,Cu是氧化剂。氧化作用和还原作用总是同时发生的。

(2)反应中无电子的得失

2)金属电化学腐蚀机理相接触的不同金属或合金之间,由于其电极电位的差异而引起的腐蚀现象称为电化学腐蚀,也称为接触腐蚀或伽伐尼腐蚀。金属和液体介质,如与水溶液接触时发生的腐蚀比较复杂,其腐蚀作用常常深入到金属内部。由于溶液通常是电解质,金属和这样的水溶液相接触时,就产生了原电池作用,即电化学作用。纯金属在空气中几乎是不腐蚀的,甚至像Fe这样的金属在纯净状态下也不生锈。然而工业用金属常含有各种各样的杂质,杂质的存在是引起金属腐蚀的原因之一。例如,在Cu板上铆一个Fe钉,如图1所示。这样的异种金属在空气中接触后,因空气中经常含有水蒸气、CO2等,而所有的固体表面都会从空气中吸附水分,所以在相接触的两金属的表面上也将覆盖着一层极薄的水膜。水的电离程度虽小,但仍能电离成H+和OH-。H+离子的数量由于水中溶解了CO2而增加:CO2+H2O?H2CO2?H++HCO2-因而Fe和Cu就好像放在含有H+、OH-和HCO2-离子溶液中一样,形成了一个原电池,Fe为负极,Cu为正极。由于它们是紧密接触的,作用便不断进行。Fe将离子不断投入溶液,同时多余的电子移向Cu,在Cu上H+和电子结合变成H2放出,溶液中的Fe++和OH-结合,生成铁锈(Fe(OH)2)附着在Fe的表面上。

图1

2.金属的化学腐蚀1)金属化学腐蚀的特征与典型案例与电化学腐蚀的机理不同,化学腐蚀的特征是腐蚀反应的产物直接生成于发生反应的表面区域。例如,焊接后助焊剂清除不净,在潮湿环境中基体金属和钎料间发生的直接腐蚀。诸如:●Cu基体上出现铜绿(CuCO2?Cu(OH)2):2Cu+CO2+3H2O→CuCO2?Cu(OH)2+2H2●钎料表面上生成碳酸铅(PbCO2):SnPb系钎料的腐蚀主要是由含有Cl的助焊剂残留物在湿热环境中而激发的,如图2所示,它是一种Pb的选择性腐蚀。被腐蚀了的Pb变成了多孔而脆弱的碳酸铅(PbCO3),导致钎料崩裂,焊点破坏。

图2

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