鋁及其合金高附著力鍍銀工藝探討

韓 力

(新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司電鍍分廠，遼寧沈陽 110027)

鋁及其合金高附著力鍍銀工藝探討

韓 力

(新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司電鍍分廠，遼寧沈陽 110027)

通過對原浸鋅工藝的改進及增加表調(diào)工序，采用多元合金化的浸鋅工藝，提高了鍛鋁、高硅鑄鋁表面鍍銀層的附著力，解決了鋁合金鍍銀質(zhì)量不穩(wěn)定的難題。描述了鋁基材上電鍍存在的問題及原因分析，針對鍛鋁和高硅鑄鋁兩種材質(zhì)采用了不同工藝鍍銀，分別進行了熱震、磨削和拉力試驗，驗證了新工藝提高了鍍銀層的附著力。

鍍銀;表調(diào);多元合金化浸鋅;附著力;熱震試驗

引 言

高質(zhì)穩(wěn)定是高壓電氣產(chǎn)品可靠運行的重要保障，隨著我公司產(chǎn)品產(chǎn)量的逐年遞增，技術(shù)要求不斷提高，鋁件鍍銀質(zhì)量不穩(wěn)定已成為制約產(chǎn)品質(zhì)量提高的瓶頸。因此，電鍍分廠為提高鋁合金件鍍銀附著力進行攻關(guān)實驗。

1 存在的問題

同傳統(tǒng)鋁合金件鍍銀工藝相比，雖然在1997年研制投產(chǎn)的鋁及其合金鍍銀工藝在附著力上有所提高，但仍存在許多問題:

1)起皮、起泡現(xiàn)象時有發(fā)生，如 LW12-500KV產(chǎn)品中的壓氣缸鍍銀;ZF6-750KV產(chǎn)品中的鑄鋁導體鍍銀;ZF15-550產(chǎn)品中的觸指座鍍銀等。

2)工藝不穩(wěn)定，返修率高。如盆式絕緣子中心導體熱震試驗后合格率為70%，壓氣缸合格率為60%及鑄鋁件合格率為50%。

2 原因分析

1)鋁的標準電極電位很負(φ°=-1.67V)，當制件入槽后立即與槽液中電位較正的金屬離子發(fā)生置換反應，生成疏松、易剝落的接觸鍍層，影響后續(xù)電鍍層的結(jié)合力。

2)鋁的化學性質(zhì)極其活潑，與氧的親和力很強，極易生成氧化鋁薄膜。利用堿蝕、酸洗方法除去氧化膜后，表面又會很快生成一層新的氧化膜。鋁是兩性金屬，在酸、堿溶液中都易溶解，使鋁基體遭受腐蝕，在電鍍?nèi)芤褐幸矔驗殇X的溶解，使Al3+增多，污染電鍍?nèi)芤骸?/p>

3)鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)金屬都大，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于基體與鍍層的膨脹系數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生內(nèi)應力，如果附著力不好，會使鍍層被破壞。

4)高硅鋁鑄件表面的硅元素在酸、堿浸蝕時未除去，使基體與鍍層之間的結(jié)合力下降;鑄造本身也存在缺陷，雖然表面狀態(tài)較好，可是其內(nèi)層結(jié)構(gòu)疏松、晶粒粗大，存在氣孔、夾雜物和砂眼等，在電鍍過程中，鑄鋁件的氣孔、夾雜物和砂眼常會滯留溶液和氫氣，從而影響鍍層與基體的結(jié)合力。

以上因素增加了鋁合金件電鍍的困難，為獲得結(jié)合力良好的鍍層，施鍍前除了必須嚴格除油、去氧化膜等處理外，還必須采取特殊的鍍前預處理方法，除去制件表面的氧化物并有效防止其再生，還要阻止鋁基體在電鍍液中發(fā)生置換反應，保證電鍍過程的順利進行。

3 方案的確定

3.1 不同鋁件電鍍工藝的對比

目前，國內(nèi)外普遍采用的鋁及其合金電鍍工藝方法有［1］:1)浸鋅→氰化鍍銅→鍍其它金屬;2)電鍍薄鋅層→氰化鍍銅→鍍其它金屬;3)陽極氧化→鍍其它金屬;4)電凈→活化→直接電鍍;5)特殊浸鋅→鍍其它金屬。

針對上述工藝做了大量的對比實驗［2］。從實驗結(jié)果看，浸鋅工藝及在浸鋅溶液基礎上的改進是鋁合金件電鍍良好的過渡層。該工藝操作方法時間短、成本低、工藝簡單及控制容易，應用范圍更廣。

3.2 工藝方案的確定

為了獲得結(jié)合力好的鍍層，從兩方面開展研究，一是改進浸鋅前的預處理工藝，二是對原特殊浸鋅溶液的改進。

3.2.1 浸鋅前的預處理

鋁合金電鍍，關(guān)鍵是前處理，前處理不妥，很難有好的效果。原工藝是在浸鋅前對鋁合金表面進行打磨，由于手工打磨，容易造成表面打磨不均或形狀復雜的件打磨不到位，導致后續(xù)電鍍的失敗，這是該工藝存在的嚴重不足。為了解決了這一問題選用了HL-1鋁表調(diào)劑，該溶液含有絡合劑和緩蝕劑，對鋁合金表面進行微腐蝕，除去鋁合金表面的氧化膜及有害的微量成分，使其表面充分活化，在此表面狀態(tài)下浸鋅，具有良好的附著力。

表調(diào)工作θ為30～60℃;t為5～8min;表調(diào)劑使用壽命為25dm2/L，根據(jù)使用壽命更換、補充表調(diào)劑，以確保質(zhì)量。

3.2.2 浸鋅溶液的改進

浸鋅是使用最廣泛的鋁合金預處理工藝。與錫酸鹽浸鍍、浸鎳及浸銅等工藝相比，浸鋅對鋁合金成分不敏感，幾乎所有鋁材都能適用，在技術(shù)、操作和經(jīng)濟上都占有優(yōu)勢。研究人員［3］發(fā)現(xiàn)從稀的鋅酸鹽溶液中(5g/L氧化鋅和45g/L氫氧化鈉)得到的鋅沉積物具有比較厚和大的晶粒，形成樹枝狀的結(jié)構(gòu)。從濃溶液中(100g/L氧化鋅和500g/L氫氧化鈉)得到精細的晶粒，比較緊密。稀的鋅酸鹽溶液中得到鋅層與在濃溶液中所獲得的鋅層質(zhì)量相差很小，但厚度相差較大，說明稀的鋅酸鹽溶液獲得的浸鋅層密度較低，鍍層疏松，質(zhì)量較差。氫氧化鈉是鋅的絡合劑，當其質(zhì)量濃度高時，Zn(OH)4在溶液中比較穩(wěn)定，能夠控制置換反應緩慢進行，改善鋅層結(jié)構(gòu)使結(jié)晶趨向細致。在傳統(tǒng)的鋅酸鹽浸鋅溶液中加入Ni2+，可以與鋅共沉積，抑制鋅的生長，使晶核生成大于晶粒成長的速度，減小浸鋅層中鋅晶粒的尺寸，浸鋅層更薄、更細致，有利于提高浸鋅層與基本的結(jié)合力?；谶@一理論，研制開發(fā)了一種多元合金化的浸鋅工藝。

多元合金化的浸鋅工藝基礎配方:15g/L氧化鋅，300g/L氫氧化鈉，15g/L氯化鎳，60g/L檸檬酸鈉，5g/L細化劑，20g/L絡合劑。θ為10～25℃;t為50～60s;多元合金化浸鋅溶液使用壽命為90dm2/L，在實際生產(chǎn)中，根據(jù)溶液的使用壽命更換、補加新溶液，以確保質(zhì)量。

4 試驗

4.1 熱震試驗

鋁合金件鍍銀原工藝過程是特殊浸鋅→預鍍銅→鍍銅→預鍍銀→鍍銀;新工藝過程是表調(diào)→多元合金化浸鋅→預鍍銅→鍍銅→預鍍銀→鍍銀。采用熱震試驗檢驗鍍層附著力。熱震試驗條件是采用我公司制定的鋁件鍍銀附著力檢驗標準:絕緣澆鑄件180℃恒溫3h后，在空氣中自然冷卻，放置24h后檢查;壓氣缸、動觸桿類零件，180℃恒溫1h后在空氣中自然冷卻，放置24h后檢查;鑄鋁合金件，180℃恒溫30min后在空氣中自然冷卻，放置24h后檢查。鑄硅鋁合金件采用原工藝和改進后工藝鍍銀后熱震試驗結(jié)果列于表1。

表1 鑄鋁合金鍍銀后件熱震試驗結(jié)果

從表1熱震試驗結(jié)果看，鑄鋁件采用改進工藝(表調(diào)→多元合金化浸鋅工藝)，其附著力要強于原工藝。

4.2 磨削試驗

用鋼絲輪磨削鍍件的邊緣，磨削方向是從基體金屬至覆蓋層，如附著強度差，覆蓋層會從基體上剝離。鑄硅鋁合金件采用用原工藝和改進后工藝鍍銀后磨削試驗結(jié)果列于表2。

表2 鑄硅鋁合金件鍍銀后磨削試驗結(jié)果

由表2磨削試驗結(jié)果看，鑄硅鋁件采用表調(diào)→多元合金化浸鋅工序后，其附著力要強于原工藝。

4.3 拉力試驗

拉力試驗委托中科院金屬研究所測試。拉力檢測設備采用AG-5000電子萬能試驗機(日本島津公司)。試驗樣件 1#、2#為鍛鋁件，3#、4#為鑄鋁件，1#、3#采用工藝為表調(diào)→多元合金化浸鋅→預鍍銅→鍍銅→預鍍銀→鍍銀;2#、4#采用工藝為特殊浸鋅→預鍍銅→鍍銅→預鍍銀→鍍銀。拉力試驗結(jié)果列于表3。

表3 拉力試驗結(jié)果

由表3拉力試驗結(jié)果分析，鍛鋁合金1#樣件鍍銀層附著力好于2#樣件;鑄鋁合金3#樣件鍍銀層附著力好于4#樣件。

通過各項附著力試驗，驗證了采用表調(diào)→多元合金化浸鋅的改進工藝使鋁合金件鍍銀層的附著力顯著改善。

5 中試

為了進一步確定改進后工藝是否滿足生產(chǎn)需求，采用改進后工藝加工了幾批零件，并做了熱震、磨削試驗，其結(jié)果見表4。

表4 中試結(jié)果

6 結(jié)論

1)表調(diào)→多元合金化浸鋅工藝可以對鍛鋁、高硅鑄鋁合金表面進行均勻的微腐蝕，去除鋁合金表面有害的雜質(zhì)元素，同時在鋁合金基體表面形成薄而致密的鋅合金層，在該合金層上電鍍可以得到結(jié)合力好的鍍層。

2)鍛鋁件采用表調(diào)→多元合金化浸鋅工藝后，經(jīng)過1年的實際生產(chǎn)，熱震試驗后鍍層合格率有了顯著提高，盆式絕緣子中心導體的合格率由原來的70%上升到95%，每月減少返修鍍銀面積990 dm2，鍍銀返修加工費按30元/dm2計算，每月降低成本3萬元;壓氣缸合格率由原來的60%上升到95%，每月減少返修鍍銀面積600 dm2，鍍銀返修加工費按90元/dm2計算，每月降低成本5.4萬元，合計降低成本8.4萬元，并且取代了原有工藝中特殊浸鋅前勞動強度大的手工打磨工序，提高了生產(chǎn)效率。

3)鑄鋁件采用表調(diào)→多元合金化浸鋅工藝后，經(jīng)過1年的實際生產(chǎn)，熱震試驗后鍍層合格率在90%以上，而原工藝合格率僅為50%。每月減少返修鍍銀面積260dm2，鍍銀返修加工費按90元/dm2計算，每月降低成本2.3萬元。

［1］張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊［M］.第3版.北京:國防工業(yè)出版社，2007:153-162.

［2］韓力，魏新，趙榮杰.鋁及其合金特殊鍍銀工藝探討［C］//第四屆全國青年1996年學術(shù)會議論文集，沈陽:中國電機工程學會，1996:632.

［3］安茂忠.電鍍理論與技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004:153.

Investigations of Silver Plating Technology with High Adhesion to Al and Its Alloys

HAN Li
(New Northeast Electric High Voltage Switohgear Co.Ltd.，Plating factory，Shenyang 110027，China)

The adhesion of silver coatings on base of forging aluminum and high silica casting aluminum were enhanced，and the unstable quality problems in silver plating on aluminum alloy were resolved by improving the exiting zinc dipping process，increasing a pretreatment process and adopting a new multicomponent zinc dipping process.The existing questions of silver plating on Al substrates were described and analyzed.The new silver plating technology was employed in the two materials of forging aluminum and high silica casting aluminum，and thermal shock，grinding and tensile tests were separately carried out.Results verified that the adhesive force of silver coatings could be increased by using the new technology.

silver plating;pretreatment;multicomponent zinc dipping;adhesion;thermal shock test

TQ153.16

B

1001-3849(2012)07-0031-04

2011-11-29

2011-12-19