高硅鋁合金無氰浸鋅的應(yīng)用及故障解決

徐金來 *，周杰，趙國鵬，胡耀紅

（1.廣州市二輕工業(yè)科學技術(shù)研究所，廣東 廣州 510663；2.廣州鴻葳科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

鋁合金具有質(zhì)輕、易壓鑄成型等特點，被廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備的生產(chǎn)。通訊設(shè)備器材(如濾波器等)是通訊系統(tǒng)機站調(diào)頻設(shè)備的重要零件，硅在濾波器通訊設(shè)備中對濾波效果起到至關(guān)重要的作用，所以零件中硅的含量通常都較高。濾波器具有結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)腔深度大，腔內(nèi)共鳴信號柱多，在壓鑄過程中容易產(chǎn)生冷隔、氣孔、縮孔等壓鑄缺陷。這對電鍍過程的浸鋅要求非常高，一般的無氰浸鋅溶液難以滿足要求。故在高硅鋁合金上，仍以有氰浸鋅為主?！稄V東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄(2007年本)》中第3 類淘汰類中的第15 項“其他”明確列出含氰浸鋅工藝屬于淘汰工藝。因此，在此清潔生產(chǎn)政策背景下，無氰浸鋅的研究和應(yīng)用在近幾年成為熱點[1-6]。

高硅鋁合金器材通常指含硅量在8%～13%的鋁合金，主要應(yīng)用于通訊設(shè)備、航天設(shè)備及汽車零件上。含硅量高給浸鋅及電鍍帶來很大的困難，常見問題是基體與鍍層之間出現(xiàn)起泡、脫皮現(xiàn)象，或者經(jīng)過220°C 熱震結(jié)合力測試后出現(xiàn)起泡、脫皮等結(jié)合力不良情況。

無氰浸鋅主要有一元(Zn)、二元(Zn–Ni 和Zn–Fe)、三元(Zn–Ni–Fe)和四元(Zn–Ni–Cu–Fe)體系，一般均存在以下問題：由于僅使用羥基羧酸(如酒石酸鉀鈉、葡萄糖酸鈉等)作為配位劑，對鋅、銅的配位不足，導致浸鋅層的銅含量偏高，對鎳的配位過于強而導致浸鋅層中鎳難以沉積。同時，無氰浸鋅中銅離子在溶液中的配位不穩(wěn)定，含量難以控制，易使浸鋅層發(fā)黑。由于濾波器等通訊設(shè)備形狀復雜，高低區(qū)差別明顯。以上浸鋅溶液用于此類工件上會出現(xiàn)以下問題：浸鋅層中無銅或銅含量不穩(wěn)定，導致基體與鍍層容易出現(xiàn)起泡和脫皮的結(jié)合力不良情況；浸鋅層中無鎳或者鎳含量非常低，遠少于含氰浸鋅；四元浸鋅層中銅含量偏高，致使在復雜件進行無氰浸鋅后的沖擊電鍍時，與含氰浸鋅有明顯差別，表現(xiàn)在經(jīng)無氰浸鋅沖擊鍍銅后低電流密度區(qū)無法上銅或銅層發(fā)暗，氰化浸鋅后沖擊鍍銅則高、低電流區(qū)均出現(xiàn)紅色的銅層，而且含氰浸鋅的浸鋅層為米黃色，銅鎳合金層含量穩(wěn)定。

BH 無氰浸鋅液在高硅鋁合金上結(jié)合力優(yōu)良，與同類產(chǎn)品相比具有許多突出的優(yōu)點，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用在高硅鋁合金濾波器上[7]。本文介紹BH 無氰浸鋅液應(yīng)用于高硅鋁合金中常見的問題及解決方案。

1 BH 無氰浸鋅層的表面形貌分析

BH 無氰浸鋅在高硅鋁合金上的結(jié)合力，浸鋅層化學成分及合金化狀態(tài)，預鍍銅的覆蓋性能、孔隙率等均與含氰浸鋅性能接近或一致[7]。對比研究純鋁(組成為：Al 99.2%，Si 0.25%，F(xiàn)e 0.4%，余量為Zn、Cu、Mn、Ti、Mg 等)和壓鑄鋁合金件(組成為：Al 80.93%，Si 11.29%，F(xiàn)e 1.45%，余量為Zn 1.7%、Cu 4.0%、Mn 0.35%，其他為Ti、Mg 等)在BH 無氰浸鋅液、市售主流無氰浸鋅液、含氰浸鋅液等3 種浸鋅液中得到的浸鋅層的微觀形貌照片，結(jié)果見圖1 和圖2。比較圖1a、1b、1c 可以看出，純鋁片經(jīng)市售無氰浸鋅液處理后得到的浸鋅層其表面的覆蓋程度較BH 無氰浸鋅液和有氰浸鋅液處理得到的浸鋅層差，而后兩者其表面浸鋅層的覆蓋程度接近。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，市售無氰浸鋅液的黑色“空洞”部分為露底的鋁基材，而圖1a 中，BH 浸鋅液得到的浸鋅層盡管也有“空洞”，且較有氰浸鋅層圖1c 多，但這些“空洞”含有較薄的浸鋅層。

圖1 純鋁經(jīng)BH 無氰浸鋅、市售無氰浸鋅和有氰浸鋅得到的浸鋅層的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 1 Photos of scanning electron microscopy for zinc coatings obtained on pure aluminum after treating by BH cyanide-free zinc-dipping process,marketed cyanide-free zinc-dipping process,and cyanide-containing zinc-dipping process

圖2 高硅鋁合金經(jīng)BH 無氰浸鋅、市售無氰浸鋅和有氰浸鋅處理后浸鋅層的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 2 Scanning electron microscopic photos of zinc coatings obtained on high-silicon aluminum alloy after treating by BH cyanide-free zinc-dipping process,marketed cyanide-free zincdipping process,and cyanide-containing zinc-dipping process

高硅鋁合金浸鋅后的掃描電鏡照片如圖2 所示。由于為壓鑄基材，故表面存在較多微裂紋。但對比圖2a、2b 和2c 發(fā)現(xiàn)，市售無氰浸鋅液得到的浸鋅層的表面覆蓋程度較BH 無氰浸鋅液和有氰浸鋅液得到的浸鋅層差，表面還存在較多微裂紋，而后兩者僅有少量的微裂紋存在。這表明后兩種浸鋅液得到的浸鋅層對壓鑄基材的覆蓋性能較好。

2 BH 無氰浸鋅的應(yīng)用

BH 無氰浸鋅目前已成功應(yīng)用于廣東某廠高硅鋁合金通訊器材的電鍍加工。該加工件為高硅壓鑄鋁合金和鋁合金機加件，具有復雜腔體，材質(zhì)包括Al–Si–Cu、Al–Si–Mg、Al–Fe 等多個系列。該類產(chǎn)品電鍍主要工藝流程分為3 種：

(1)除油─堿蝕─除垢─一次浸鋅─氰化堿銅─鍍銀；

(2)除油─堿蝕─除垢─二次浸鋅─氰化堿銅─鍍銀；

(3)除油─堿蝕─除垢─二次浸鋅─化學鎳─氰化堿銅─鍍銀。

相對較簡單的工件或者為Al–Si–Cu 系的腔體，主要采用電鍍工藝流程(1)，工件只需進行一次浸鋅即可滿足要求，可以大大節(jié)省浸鋅成本及減少退鋅工序，提高生產(chǎn)效率。如果浸鋅液有較好的堿銅覆蓋性能，在堿銅電鍍加工完成后不會產(chǎn)生腔體內(nèi)外銅層顏色分層現(xiàn)象，且要求220°C 熱震試驗的工件，可采用電鍍工藝流程(2)。對于腔體復雜的工件或者機加件，通常使用工藝流程(3)，以減少低區(qū)起泡現(xiàn)象，提高合格率。

該廠曾試用過國外知名公司的無氰浸鋅產(chǎn)品以及市售主流無氰浸鋅液，均不能滿足上述要求。而采用BH 無氰浸鋅液對該產(chǎn)品進行電鍍加工，無論產(chǎn)品外觀還是結(jié)合力，均與有氰浸鋅無異，完全滿足該廠實際生產(chǎn)要求。

浸鋅液使用半年多來，通過補加濃縮液，鍍液穩(wěn)定，浸鋅層的組分也較穩(wěn)定，基本滿足生產(chǎn)需要。但在部分復雜工件的合格率上與有氰浸鋅相比還存在一定距離，前者比后者低2%～8%。

3 應(yīng)用過程存在的問題及解決措施

經(jīng)過半年多的跟蹤，發(fā)現(xiàn)通訊設(shè)備鋁合金濾波器及配件在浸鋅和電鍍過程中容易出現(xiàn)的故障主要有以下方面。

3.1 基體與銅層起泡

生產(chǎn)蓋板時，曾出現(xiàn)240 件產(chǎn)品經(jīng)120°C 烘干后，有40 件發(fā)生基體與銅層起泡現(xiàn)象，見圖3，起泡均位于同一位置，合格率遠低于正常的98%水平。

后查明原因，該位置有不少毛坯寫有油性字樣，除垢后未能有效去除，影響了沉鋅效果，最終引起了結(jié)合力不良。采用一次浸鋅時問題更嚴重，采用二次浸鋅法可以有效解決該問題，有氰浸鋅也是采用二次浸鋅才獲得較高的合格率。

圖3 由于前處理不徹底導致起泡的鍍件照片F(xiàn)igure 3 Photos of bubbling of plated workpieces caused by poor pretreatment

解決辦法：改用水性筆標示或加強前處理。

3.2 掛具點附近起泡

某次生產(chǎn)蓋板和腔體件時，發(fā)生不良率較高的銅與基體起泡現(xiàn)象，起泡幾乎全為掛具點附近，見圖4。之后發(fā)現(xiàn)，當掛具未退鍍時，在除垢水溫度較高(40°C以上)的情況下，就會引發(fā)該類起泡現(xiàn)象。之前有氰沉鋅也經(jīng)常發(fā)生該類問題。一般情況下，在沖銅后掛具點附近有發(fā)黑現(xiàn)象，即會導致浸鋅后掛具點附近起泡。因此，解決的辦法是每次電鍍后都對掛具進行退鍍，或嚴格控制除垢溫度。

圖4 掛具點附近產(chǎn)生起泡的鍍件Figure 4 Plated workpieces with bubbling near the rack

3.3 孔位起泡

有氰浸鋅也經(jīng)常發(fā)生該類問題，原因可能與螺絲未退鍍，或退鋅后孔位清洗未凈，又或孔內(nèi)含有殘留切削液有關(guān)(一般與浸鋅液無關(guān))。加熱水清洗，對該起泡現(xiàn)象的解決十分有利。因此，通常的解決辦法是：增加浸鋅前熱水清洗，清洗后甩凈孔內(nèi)液體再浸鋅。圖5 為孔位起泡的浸鋅件。

3.4 低位起泡

生產(chǎn)某型號的腔體時，經(jīng)過某一特定堿銅槽的工件80%以上發(fā)生腔體底部起泡現(xiàn)象，如圖6 所示。

圖5 發(fā)生孔位起泡的浸鋅件照片F(xiàn)igure 5 Photo of zinc-dipping workpiece with bubbling near the hole

圖6 發(fā)生腔體底部起泡的浸鋅件Figure 6 Zinc-dipping workpiece with bubbling at the bottom of cavity

經(jīng)排查原因后發(fā)現(xiàn)，由于該型號腔體較深，而電鍍加工該槽工件的堿銅由于受到金屬雜質(zhì)的污染，深鍍能力較差，導致工件底部難以上銅，最終發(fā)生腔體底部起泡現(xiàn)象。解決辦法是調(diào)整堿銅槽或更換堿銅槽。但是，如果內(nèi)壁亦發(fā)生起泡現(xiàn)象，且不良率較高時，應(yīng)引起足夠重視，可能與浸鋅液有較大的關(guān)系，需要更換浸鋅液。

3.5 凹槽起泡

在含鎂基材腔體進行浸鋅時，通常其背后框框凹槽處容易發(fā)生起泡現(xiàn)象，在有氰浸鋅時，也發(fā)生同樣的情況，如圖7 所示。但若在無氰浸鋅時發(fā)生較多的大泡時，應(yīng)引起足夠重視，可能是浸鋅液狀態(tài)不佳，導致結(jié)晶不夠細致所造成的。解決的辦法是調(diào)整浸鋅槽，加入配位劑。

圖7 含鎂基材腔體背后框框凹槽起泡位置Figure 7 Bubbling position in the frame groove of cavity back made from magnesium-containing material

3.6 銅與銀之間起泡

銅層與銀層之間的起泡一般為預鍍銀帶電入槽導電不良或預鍍銀槽液有問題所致，如圖8 所示。解決辦法是帶電入槽或調(diào)整預鍍銀槽。

圖8 銅與銀之間的起泡現(xiàn)象Figure 8 Bubbling phenomenon between copper and silver coatings

4 結(jié)語

(1)通過結(jié)合力、浸鋅層化學成分、浸鋅層合金化狀態(tài)、堿銅覆蓋性能、孔隙率、微觀形貌等方面的測試比較[7]及形貌分析可知，BH 無氰浸鋅各方面性能與有氰浸鋅較為接近，且明顯優(yōu)于市售無氰浸鋅。

(2)通過一年多的應(yīng)用，對BH 無氰浸鋅使用過程的故障及解決措施有了更深的認識和了解。

(3)BH 無氰浸鋅在工業(yè)上的成功應(yīng)用及其在實際應(yīng)用中積累的生產(chǎn)經(jīng)驗表明，在高硅鋁合金預處理上，BH 無氰浸鋅完全有可能取代有氰浸鋅。

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