鋁合金鍍銀過渡工藝研究

祁海洋，王海燕，蔣成博

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

鋁合金以其密度小、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，易加工且強(qiáng)度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在中壓配電開關(guān)設(shè)備主回路上。為了減小主回路導(dǎo)電接觸部位的接觸電阻，提高導(dǎo)電性能，通常在主回路導(dǎo)體接觸表面鍍銀［1-3］，但是受電鍍工藝的影響，如果鍍層質(zhì)量不合格，會(huì)導(dǎo)致鍍銀層在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)腐蝕起泡［4］，造成接觸面接觸電阻增加，長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生發(fā)熱故障。

鋁在電化學(xué)序列中標(biāo)準(zhǔn)電極電位為負(fù)，易失去電子，因此在鋁及鋁合金上直接鍍銀時(shí)，由于金屬銀與鋁之間的電位差較大，無法獲得結(jié)合力良好的鍍層。因此想要在鋁及鋁合金工件上沉積出合格的銀層，需要在銀層與基體之間增加一層過渡層，通過降低銀層（+0.799 V）與鋁（－1.670 V）之間的電位差來提高鍍層的結(jié)合力［5-7］。同時(shí)，它也可以有效減緩電化學(xué)反應(yīng)，提高鋁合金鍍銀層的耐蝕性。

鋁合金鍍銀工藝常用的過渡層主要為氰化鍍銅層、鍍鎳層、酸性鍍銅層3種［8-10］，我公司沿用早期從國(guó)外引進(jìn)的氰化鍍銅工藝，而沿海地區(qū)電鍍行業(yè)大多采用鎳、酸性鍍銅作為過渡層。

根據(jù)以往電站出現(xiàn)的故障分析發(fā)現(xiàn)，由于鍍銀層腐蝕引起的電站現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量事故較多，公司鍍銀產(chǎn)線也反饋鍍銀層腐蝕起泡問題。為此本文選擇幾種不同的鍍銅過渡層工藝，通過分析鍍銀后的鍍層特性，選出較優(yōu)的過渡層工藝指導(dǎo)生產(chǎn)，提高鋁合金鍍銀層在復(fù)雜環(huán)境下的耐腐蝕能力。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 工藝過程

堿浸蝕→酸洗→一次浸鋅→酸洗→二次浸鋅→鍍銅→預(yù)鍍銀→鍍銀→下掛。針對(duì)鍍銅過渡層工藝方案，提出5種實(shí)驗(yàn)方案，如表1所示。原生產(chǎn)方案為氰化鍍銅，時(shí)間為10 min。鍍銀液的組成及工藝條件為：KCN 145～155 g/L，AgCN 41～45 g/L，K2CO316～20 g/L，氰化鍍銅電流密度為1.0 A/dm2，酸性光亮鍍銅和氰化光亮鍍銅電流密度為3.0 A/dm2。

表1 鍍銅工藝方案Tab.1 The process of copper plating

1.2 性能檢測(cè)

外觀檢測(cè)：采用肉眼對(duì)不同鍍銅工藝下的樣件進(jìn)行對(duì)比，觀察外觀差異。

結(jié)合力檢測(cè)：采用加熱法、熱震法或劃痕法進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試，觀察樣件鍍層是否起皮、起泡。

孔隙率檢測(cè)：采用鋁試劑貼濾紙法，觀察濾紙表面變色情況。

耐蝕性檢測(cè)：采用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣件進(jìn)行腐蝕，觀察不同樣件的耐腐蝕性。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀檢查

為了將改進(jìn)的鍍銅工藝與現(xiàn)有鍍銅工藝進(jìn)行對(duì)比，筆者選取現(xiàn)有氰化鍍銅10 min的工藝條件作為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，結(jié)果如表2所示。從6組樣品可以看出，增加鍍銅時(shí)間并不能明顯增加鍍層光亮性，但是增加氰化光亮鍍銅層或酸性光亮鍍銅層后，鍍銀層的光亮性均有所提升。

表2 鍍層外觀結(jié)果對(duì)比Tab.2 The comparison of coating appearance

2.2 結(jié)合力測(cè)試

對(duì)同樣的6組樣品采用加熱法進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，采用氰化鍍銅層或氰化鍍銅分別與兩種光亮鍍銅配合使用的樣塊鍍銀層結(jié)合力合格，而直接采用酸性光亮鍍銅或氰化光亮鍍銅的樣塊結(jié)合力均不合格，因此酸性光亮鍍銅和氰化光亮鍍銅不能代替氰化鍍銅直接作為鋁合金鍍銀的過渡層。

表3 鍍層結(jié)合力檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The test results of coating adhesion

2.3 孔隙率測(cè)試

對(duì)同樣的6組樣品采用鋁試劑貼濾紙法進(jìn)行孔隙率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。可以看出，鍍銅時(shí)間增加可以明顯降低鍍層的孔隙率，但與其他方案相比，差距較為明顯；增加酸性光亮鍍銅或氰化光亮鍍銅后的鍍層孔隙率降為0。

表4 鍍層孔隙率檢測(cè)結(jié)果Tab.4 The test results of coating porosity

2.4 討 論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：

（1）僅采用兩種光亮鍍銅，鍍層結(jié)合力不滿足要求，因此不能使用氰化光亮鍍銅或酸性光亮鍍銅直接代替氰化鍍銅作為過渡層；氰化鍍銅分別與兩種光亮鍍銅搭配使用效果較好。

（2）同樣條件下（氰化鍍銅5 min+光亮鍍銅5 min），酸性光亮鍍銅與氰化光亮鍍銅在性能上差別不大；

酸性鍍銅層采用硫酸鹽體系，氰化鍍銅后需對(duì)零件進(jìn)行徹底的清洗，避免氰化鍍銅溶液帶入酸性鍍銅溶液中，影響鍍層質(zhì)量，污染溶液；氰化光亮鍍銅采用與鍍銅相同的氰化物體系，氰化鍍銅后不需清洗可直接進(jìn)行氰化光亮鍍銅，可縮短生產(chǎn)時(shí)間，且不存在溶液帶入污染的情況。同時(shí)考慮到鍍銅時(shí)間對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響，以及增加光亮鍍銅層效果優(yōu)于僅使用單一氰化鍍銅層作為過渡層的工藝，因此筆者對(duì)增加氰化光亮鍍銅層的方案5進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，來確定氰化鍍銅與氰化光亮鍍銅的時(shí)間分配。

3 最佳參數(shù)優(yōu)選

首先確定鍍銅時(shí)間總共為10 min，將21個(gè)樣塊分為7組，每組3個(gè)樣本，其中一組氰化鍍銅10 min作為空白對(duì)照組，具體分組如表5所示。采用不同的鍍銅時(shí)間配比進(jìn)行電鍍，然后對(duì)不同實(shí)驗(yàn)組的結(jié)合力、鍍層孔隙率及耐蝕性進(jìn)行檢測(cè)。

表5 鍍銅時(shí)間分配表Tab.5 The time schedule of copper plating

3.1 結(jié)合力測(cè)試

對(duì)7組樣件進(jìn)行結(jié)合力檢測(cè)，每組均采用加熱法、熱震法和劃痕法3種方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6中結(jié)果可以看出，氰化鍍銅層低于3 min時(shí)，不同檢測(cè)方法顯示有不合格情況出現(xiàn)，因此建議氰化預(yù)鍍銅時(shí)間不低于3 min。

表6 鍍層結(jié)合力檢測(cè)結(jié)果Tab.6 The test results of coating adhesion

3.2 孔隙率測(cè)試

對(duì)7組樣件進(jìn)行孔隙率檢測(cè)，結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，只進(jìn)行氰化鍍銅10 min后鍍銀的樣塊孔隙率較高，經(jīng)過光亮鍍銅后鍍銀的樣塊，孔隙率有明顯改善；氰化鍍銅時(shí)間不大于2 min時(shí)，鍍層依然存在一定的孔隙率，而氰化鍍銅大于3 min時(shí)，鍍銀后鍍層孔隙率為0。

表7 鍍層孔隙率檢測(cè)結(jié)果Tab.7 The test results of coating porosity

3.3 耐蝕性測(cè)試

3.3.1 銅層耐蝕性

中性鹽霧實(shí)驗(yàn)2 h后，方案1氰化鍍銅6 min+氰化光亮鍍銅4 min以及方案2氰化鍍銅5 min+氰化光亮鍍銅5 min的樣塊表面未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，方案3到方案6的樣塊均出現(xiàn)腐蝕銅綠現(xiàn)象。中性鹽霧實(shí)驗(yàn)6 h后，方案1氰化鍍銅6 min+氰化光亮鍍銅4 min以及方案2氰化鍍銅5 min+氰化光亮鍍銅5 min的樣塊表面也開始出現(xiàn)腐蝕銅綠現(xiàn)象，方案3到方案6時(shí)間配比的樣塊銅綠腐蝕現(xiàn)象加重。中性鹽霧實(shí)驗(yàn)后的樣塊如圖1所示，左邊四塊為方案3到方案6，右邊兩塊為方案1和方案2。

圖1 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)后的鍍銅樣塊Fig.1 The copper plating samples after neutral salt spray test

3.3.2 銀層耐蝕性

鍍銀后，樣塊表面耐腐蝕性明顯提升。中性鹽霧實(shí)驗(yàn)48 h后，大部分時(shí)間配比的樣塊都未發(fā)生腐蝕，但空白組氰化鍍銅10 min和方案5氰化鍍銅1 min+氰化光亮鍍銅9 min的樣塊開始出現(xiàn)腐蝕起泡現(xiàn)象。中性鹽霧實(shí)驗(yàn)48 h后樣塊腐蝕情況如圖2所示。方案1氰化鍍銅6 min+氰化光亮鍍銅4 min以及方案2氰化鍍銅5 min+氰化光亮鍍銅5 min的樣塊在中性鹽霧實(shí)驗(yàn)96 h后，未出現(xiàn)腐蝕起泡等現(xiàn)象。中性鹽霧實(shí)驗(yàn)96 h后方案1和方案2樣塊腐蝕情況如圖3所示。

圖2 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)48 h后的鍍銀樣塊Fig.2 The silver plating samples after 48 h of neutral salt spray test

圖3 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)96 h后的鍍銀樣塊Fig.3 The silver plating samples after 96 h of neutral salt spray test

4 結(jié) 論

本文對(duì)鋁合金鍍銀的中間過渡工藝進(jìn)行了研究，制作了不同的樣塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)試得到結(jié)果如下：

（1）僅采用酸性光亮鍍銅或氰化光亮鍍銅作為鍍銀的過渡工藝，最終的鍍銀層結(jié)合力不滿足要求，氰化鍍銅與光亮鍍銅搭配使用效果較好。

（2）同樣條件下酸性光亮鍍銅與氰化光亮鍍銅性能差異不大，但與氰化鍍銅搭配使用時(shí)，酸性光亮鍍銅前后需要增加清洗工藝，對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍有一定影響，因此氰化光亮鍍銅更適合與氰化鍍銅工藝搭配使用。

（3）在鋁合金鍍銀工藝中引入氰化光亮鍍銅，氰化鍍銅時(shí)間保證5 min以上再進(jìn)行氰化光亮鍍銅時(shí)，與單純使用氰化鍍銅10 min的工藝相比，可得到結(jié)晶更致密、結(jié)合力良好、孔隙率明顯降低、中性鹽霧實(shí)驗(yàn)?zāi)臀g性大幅度提高的鍍層。