酸性光亮電鑄銅的工藝實(shí)踐

蔣文中， 楊利東

(河南江河機(jī)械有限責(zé)任公司，河南平頂山 467337)

引 言

在結(jié)晶器銅管基體表面上進(jìn)行修復(fù)性酸性光亮電鑄銅。由于結(jié)晶器銅管是含低磷的銀-銅或鉻-銅合金，在它的基體上鍍上幾個毫米厚的銅鍍層，將出現(xiàn)銅鍍層結(jié)合力差、長銅瘤及外觀粗糙等問題。并且鍍后的銅鍍層還需經(jīng)過銑削、外拋等機(jī)加工過程。所以，必須解決銅鍍層與結(jié)晶器銅管基體之間的結(jié)合力差和鍍液穩(wěn)定性問題。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，在結(jié)晶器銅管基體上獲得了符合產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量要求的鑄銅鍍層。該銅鍍層厚度達(dá)到幾個毫米，外觀呈光亮的紫紅色，結(jié)合力良好能承受銑削、外拋等機(jī)加工過程。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要嚴(yán)格控制鍍液中各成分的含量和工藝條件參數(shù)，可以提高鑄銅鍍層結(jié)合力和鍍液的穩(wěn)定性。

1 工藝配方

酸性光亮電鑄銅溶液組成和操作條件為:

硫酸銅 180～220g/L

硫酸 60～90 g/L

鹽酸 50～90 mg/L

光亮劑A 4～6mL/L

光亮劑 B 0.3 ～0.6mL/L

θ 20～40℃

Jκ1.5 ～8.0A/dm2

Ja0.5 ～3.0A/dm2

U 2～10V

陽極 0.1% ～0.3%磷銅板

攪拌 需要

連續(xù)過濾 需要

電鑄銅操作過程中，結(jié)晶器銅管需帶電入槽和出槽。

2 鍍液的配制

首先將純凈水注入預(yù)用槽(帶刻度)中，加入計(jì)量的硫酸，θ為45℃時(shí)，加入計(jì)量的硫酸銅，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙鉃橹?。隨后均勻地撒入2g/L活性炭(粉末)，攪拌1～2h，待溶液澄清后用過濾泵將鍍液濾入清潔的電鍍槽內(nèi)。此時(shí)需測量鍍液中的氯離子，根據(jù)氯離子的質(zhì)量濃度進(jìn)行微調(diào)。在充分?jǐn)嚢钘l件下，慢慢加入計(jì)量的亮銅-3號光亮劑。攪拌均勻后，用低電流密度電解溶液數(shù)小時(shí)，同時(shí)分析溶液中各成分的含量，控制在工藝范圍內(nèi)，即可開始試鍍。

3 鍍液中各成分作用

1)硫酸銅。在鍍銅溶液中，如果硫酸銅含量過低，鍍層易出現(xiàn)條紋，粗糙，嚴(yán)重時(shí)會燒焦。如果硫酸銅含量過高，鍍層粗糙?？紤]到產(chǎn)品加工的特殊性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，硫酸銅的質(zhì)量濃度控制在180～220g/L為最佳。

2)硫酸。硫酸的主要作用是提高鍍液的導(dǎo)電性和電流效率，防止銅鹽水解，保證鍍液的穩(wěn)定。當(dāng)硫酸含量過低，硫酸銅或硫酸亞銅易發(fā)生水解，水解產(chǎn)物使鍍層疏松和光亮度下降。當(dāng)硫酸含量過高，陽極易鈍化，鍍層光亮度下降。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，硫酸的質(zhì)量濃度控制在60～90g/L較適宜，可改善鍍液分散能力，使鍍層結(jié)晶細(xì)致，進(jìn)一步提高鍍層的光澤性和整平性。

3)氯離子。在光亮硫酸鹽鍍銅液中必須有少量的氯離子才能得到全光亮鍍層，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，氯離子質(zhì)量濃度控制在50～90mg/L較適宜。氯離子含量過低，鍍液整平性和鍍層光亮性下降，易產(chǎn)生光亮樹枝狀條紋，嚴(yán)重時(shí)鍍層粗糙甚至燒焦。氯離子含量過高時(shí)，鍍層光亮度也會下降，光亮區(qū)變窄，因此工作中需經(jīng)常檢查鍍液中氯離子的含量。因?yàn)槁入x子可以與亞銅離子生成難溶于水的氯化亞銅，從而消除亞銅離子的影響。氯離子還可以消除光亮銅層的內(nèi)應(yīng)力，提高鍍層的韌性。

4)添加劑。硫酸鹽鍍銅所用的添加劑種類很多，可以同時(shí)采用一種或幾種配合使用，主要作用是穩(wěn)定鍍液，提高鍍層的整平性和光亮性，提高陰極極化過程，使銅鍍層的晶粒更為均勻、細(xì)致和緊密［1-4］。實(shí)驗(yàn)中只采用光亮劑A和光亮劑B，光亮劑A在低電位下起光亮作用，光亮劑B起整平和光亮作用。在含低磷的銀銅或鉻銅合金表面鍍幾個毫米厚的銅鍍層，銅鍍層還得經(jīng)過銑削、外拋等機(jī)加工過程，這就必須控制添加劑的用量。經(jīng)過一年的試生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)控制好添加劑的用量，即能提高鍍層的結(jié)合力和光亮度，同時(shí)也穩(wěn)定了鍍液濃度。

4 工藝條件的影響

1)溫度。硫酸鹽鍍銅操作溫度范圍較寬。經(jīng)過不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后確定θ為30～40℃較適宜，鍍后的銅鍍層光亮性和整平性非常好，而且韌性也好。溫度控制在其他區(qū)間內(nèi)，雖然也能得到光亮性和整平性良好的銅鍍層，但韌性不好，在機(jī)械加工時(shí)鍍層容易剝離，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，將θ控制在30～40℃為佳。

2)陰極電流密度。電流密度與鍍液的操作溫度、硫酸銅質(zhì)量濃度和攪拌強(qiáng)度均有關(guān)系。當(dāng)溫度較高時(shí)，陰極電流密度可以接近工藝參數(shù)的上限。同樣，如果當(dāng)硫酸銅質(zhì)量濃度、攪拌強(qiáng)度較高時(shí)，陰極電流密度也可以接近工藝參數(shù)的上限［4］。但最大陰極電流密度不允許超過工藝規(guī)定的上限，如果電流密度過大，鍍層結(jié)晶粗糙，會出現(xiàn)許多針孔，光亮性降低。

3)空氣攪拌和連續(xù)過濾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌可以降低濃差極化，提高陰極電流密度，可有效防止鍍層產(chǎn)生條紋，減少針孔和毛刺，使鍍層更均勻，有助于鍍液中亞銅離子氧化成銅離子，進(jìn)而減少銅粉的產(chǎn)生。攪拌的同時(shí)進(jìn)行循環(huán)過濾，可除去鍍液中存在的微量銅粉、添加劑分解產(chǎn)物和懸浮的固體雜質(zhì)等，有利于改善鍍層質(zhì)量、穩(wěn)定鍍液［4］。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，只采用連續(xù)過濾，能得到滿意的銅鍍層。

4)陽極。在硫酸鹽光亮鍍銅工藝中使用磷銅陽極很重要。因工作場地處偏僻，采購專用的磷銅合金作陽極比較困難。開始，所用的陽極是自己鑄造的，滿足不了工藝要求，從而導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生毛刺、粗糙或積瘤等。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，陽極材料專門選購，鍍層的質(zhì)量問題得到解決。

5 測試

1)結(jié)合力測定。實(shí)踐中測定鍍銅層結(jié)合力的方法比較簡單，不需要借助先進(jìn)儀器。首先，打磨結(jié)晶器銅管外表的銅鍍層，判定銅鍍層與結(jié)晶器銅管是否剝離。如果沒有剝離，再將結(jié)晶器銅管進(jìn)行快速鋸切，觀察銅鍍層與結(jié)晶器銅管是否剝離。如果沒有剝離，最后，將結(jié)晶器銅管進(jìn)行快速銑削，同樣觀察銅鍍層與結(jié)晶器銅管是否剝離。如果沒有剝離，證明銅鍍層與結(jié)晶器銅管的結(jié)合力良好。用上述方式可以判明銅鍍層結(jié)合力。

2)鍍液穩(wěn)定性試驗(yàn)。鍍液老化試驗(yàn)最可靠的方法是長時(shí)間的生產(chǎn)，從2010年9月配制的鍍銅溶液，到2011年9月已經(jīng)使用了一年時(shí)間，完成了數(shù)百只成品結(jié)晶器管實(shí)驗(yàn)品和產(chǎn)品的電鍍，溶液仍繼續(xù)使用，與初配時(shí)一樣清澈。在日常工作中經(jīng)常對溶液各成分進(jìn)行化驗(yàn)分析，如果含量超出工藝范圍，對溶液進(jìn)行稀釋，如果含量低于工藝范圍，對溶液進(jìn)行補(bǔ)加?？傊?，各成分質(zhì)量濃度必須控制在工藝范圍內(nèi)。同時(shí)槽液需連續(xù)過濾，蒸發(fā)后的溶液要及時(shí)補(bǔ)加去離子水。

用上述工藝在長期施鍍過程中，陽極正常損耗，幾乎不產(chǎn)生陽極泥，且溶液清澈見底，鍍層呈光亮的紫紅色。

6 結(jié)論

通過電鑄銅工藝對結(jié)晶器銅管進(jìn)行施鍍，所得銅鍍層光亮，打磨后放置時(shí)間長而不變色。在工序生產(chǎn)過程中，未發(fā)現(xiàn)銅鍍層與結(jié)晶器銅管剝離的現(xiàn)象，說明鍍層結(jié)合力良好，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］ 張?jiān)收\，胡如南，向榮.電鍍手冊［M］.第2版.北京:國防工業(yè)出版社，1997:284-286.

［2］ 張勝濤.電鍍工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:142-145.

［3］ 鄭瑞庭.電鍍實(shí)踐600例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:40-46.

［4］ 任廣軍.電鍍原理與工藝［M］.沈陽:東北大學(xué)出版社，2001:99-104.