酸洗工藝對鋁合金鍍銀質(zhì)量的影響

李寶增， 張穎杰， 劉 暢， 王戰(zhàn)輝， 張柳麗

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001;2.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001)

引 言

高壓開關(guān)大量使用鋁合金作為導(dǎo)電部件。為了提高開關(guān)的安全性能，在零部件接觸部位一般都采用鍍銀處理，鍍銀層的質(zhì)量對于高壓開關(guān)件的性能至關(guān)重要。由于材質(zhì)不合格或前級加工遺留問題，鍍銀層經(jīng)常發(fā)生質(zhì)量不合格的現(xiàn)象，如氣泡、起皮，致使鍍銀層與基材的結(jié)合力相當(dāng)差，在接通與斷開電流時，接通部位接觸電阻較大，引起發(fā)熱過多，溫升過高，影響了開關(guān)的安全運行。由于鍍銀層結(jié)合力不良而造成零部件報廢，給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。隨著人們環(huán)保意識的提高，傳統(tǒng)的鋁合金電鍍前高污染、高揮發(fā)的酸洗處理工藝受到社會的密切關(guān)注，開發(fā)了含氫氟酸的前處理工藝取代原酸洗工藝，取得了一定成績，并開始應(yīng)用于個別牌號基材種類且體積較小的零部件上。但對眾多牌號的鋁合金及較大的零部件，仍存在局限性［1］。為了提高鋁合金鍍銀層的結(jié)合力，減少企業(yè)經(jīng)濟損失，進一步研發(fā)出新型前處理酸洗工藝，擴展到6XXX系列鋁合金，都獲得了極佳的酸洗效果。實驗為提高鍍銀工藝水平提供借鑒。

1 鋁合金前處理酸洗溶液配置

鋁合金件鍍銀層起皮絕大多數(shù)為前處理不良，前處理不良的原因可以歸納為以下幾種類型。

1)成分偏析。在熱處理過程中，合金化元素會造成成分偏析，局部合金化元素或雜質(zhì)會較多。如高硅鋁合金容易存在元素硅的偏析，在酸洗時采用單一的高硅鋁合金的酸洗方式(含氫氟酸的酸洗液)，或一般低硅鋁合金采用的無機酸酸洗方式效果都不合適。

2)機加工缺陷。如6XXX系列的鍛造鋁合金，鍛造成型過程中受到模具限制，沿著受力方向的部位會有一定的殘余應(yīng)力存在，如果沒有配合合理的熱處理方式，鋁合金中的殘余應(yīng)力會影響到酸洗效果，酸洗處理時鋁合金表面顏色不一致是最明顯的特征，在后續(xù)鍍銀時將會由于應(yīng)力釋放而造成鍍銀層出現(xiàn)氣泡和起皮現(xiàn)象。

3)滲入基體的有機冷卻液。如軋制成型的零部件，前級加工過程中，如果采用有機冷卻液，冷卻液一旦滲入合金內(nèi)部，或者零部件比較復(fù)雜，常規(guī)的無機酸酸洗，極難除去有機分子，殘留的有機冷卻液在鍍銀時影響到鍍銀層的質(zhì)量［2］。另外針對一些鋁合金所含的難溶元素，如部分高銅含量的2XXX系列鋁合金，部分富鎂、富鋅含量的5XXX系列鋁合金，部分富鋅含量的7XXX鋁合金，都需添加一定含量的針對性酸洗溶液成分。

綜上所述，結(jié)合目前國內(nèi)外提出的環(huán)保電鍍與清潔生產(chǎn)的要求，本文開發(fā)一種新型前處理酸洗工藝，酸洗溶液有效成分包括碳酸鹽、檸檬酸等。碳酸鹽的作用是緩蝕，保護鋁合金基材;檸檬酸的作用是降低溶液硬度，去除鋁合金表面氧化皮，輔助去除油污;去污劑的作用是去除油污;光亮劑的作用是提高鋁合金酸洗后的表面質(zhì)量。復(fù)合助劑中，螯合劑(EDTA四鈉)與金屬離子螯合，去除金屬離子;剝離劑、乳化劑和活性劑的作用是去除油污;分散劑的作用是提高溶液的分散均勻度，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件也能達(dá)到良好的除油污效果;緩釋劑的作用是緩釋，保護鋁合金基材。本發(fā)明的鋁合金酸洗劑，采用碳酸鹽、檸檬酸、去污劑、復(fù)合助劑、光亮劑與水進行復(fù)配，保證酸洗徹底去除鋁合金表面油污、金屬離子和氧化皮。該溶液無色無味，不揮發(fā)，可以改善生產(chǎn)車間的環(huán)境質(zhì)量，提高鍍銀層質(zhì)量與一次鍍銀合格率。

2 實驗設(shè)備及材料

2.1 實驗材料

實驗基材首先選擇了存在成分偏析，前級加工過程中采用有機溶液做冷卻液的鍛鋁合金6063零部件。然后擴大到1XXX、2XXX、5XXX與7XXX系列鋁合金。

新型前處理溶液組成為:去除氧化皮0.5%NaNO3，去污劑 0.55%NaOH，0.55% 檸檬酸，0.1%乳化劑EDTA四鈉，剝離劑0.1%硬脂酸三乙醇胺酯季銨鹽，分散劑0.2%十二烷基硫酸鈉，光亮劑0.2%聚乙二醇400，余量為水。

鍍銀電解液配方，37～46g/L氰化銀，123～156g/L氰化鉀，20g/L碳酸鉀，20ml/L光澤劑(含金屬元素銻)。θ為20～35℃。

2.2 實驗方法

采用三種前處理工藝對鋁合金零部件進行酸洗，具體工藝如表1。

表1 實驗采用的三種工藝

整個實驗過程采用佳能DS126231型號相機。拍攝外觀效果。零部件表面成分分析采用尼通Niton-XL3t 980型手持式光譜分析儀進行，在零部件表面正常區(qū)域與缺陷區(qū)域各取3點，最后取平均值。鍍銀結(jié)合力根據(jù)國標(biāo)GB12307.2-1990采用101-2A型鼓風(fēng)干燥箱，在(190±5)℃加熱2 h，觀察鍍銀層起泡狀況，起泡多則為結(jié)合力差，不起泡為優(yōu)。

3 實驗結(jié)果

3.1 傳統(tǒng)酸洗后鍍銀工藝

材質(zhì)為6063鋁合金支座類零件，在生產(chǎn)線上酸洗后，整個零件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的圓斑，且每一件零件沿著支座的側(cè)面兩個部位酸洗后呈現(xiàn)黑色。反復(fù)酸洗，無法清除干凈，晶粒明顯可見，異常粗大，達(dá)到了厘米級，且零部件黑色位置表面有掛灰現(xiàn)象。鍍銀后沿著黑色部位結(jié)合力極差，鍍銀層擱置一段時間首先出現(xiàn)了氣泡，隨著時間延長，鍍銀層就會起皮，如圖1所示。說明用原酸洗工藝無法將零件酸洗干凈，原因是由于鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力造成了晶界極易被腐蝕出來，應(yīng)力的逐步釋放引起鍍銀層與基體的結(jié)合界面處晶粒進行調(diào)整，最終使得鍍銀層與基體產(chǎn)生分離現(xiàn)象，鍍銀層氣泡。

圖1 傳統(tǒng)酸洗與鍍銀層表面照片

3.2 高氫氟酸溶液酸洗后鍍銀工藝

實驗采用了高氫氟酸含量的酸洗方式，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了10%。在生產(chǎn)線上酸洗后，觀察零件表面，在前者發(fā)黑部位沒有出現(xiàn)發(fā)黑與掛灰現(xiàn)象。說明采用氫氟酸溶液酸洗后對于黑色部位酸洗起到了一定的作用。鍍銀后，沒有氣泡和起皮現(xiàn)象發(fā)生。進行結(jié)合力測試，鍍銀層產(chǎn)生了大量較小的氣泡，如圖2所示。

圖2 高氫氟酸的酸洗與鍍銀層表面照片

3.3 新型前處理后鍍銀工藝

首先對鋁合金零部件進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，具體方式為190℃加熱2h。

新型前處理工藝酸洗流程的效果如圖3。鋁合金酸洗之后，表面在正常的鍍銀工藝中呈現(xiàn)發(fā)黑的部位，晶粒仍舊明顯可見，但在整個零部件表面沒有掛灰現(xiàn)象，如圖3(a)。在隨后的浸鋅過程如圖3(b)、預(yù)鍍銅如圖3(c)、預(yù)鍍銀如圖3(d)，烘干如圖3(e～f)，鍍銀層狀況良好，鍍銀層沒有氣泡與起皮現(xiàn)象。鍍銀過程跟蹤統(tǒng)計結(jié)果如表2。

圖3 新型前處理酸洗后鍍銀層外觀照片

表2 檢測內(nèi)容及依據(jù)

新型前處理酸洗工藝分析。1)油污酸洗。鋁合金零部件表面的油污主要有動物油、植物油和礦物油。去除這些油污主要通過乳化劑、分散劑與檸檬酸的潤濕、乳化和分散作用來實現(xiàn)。首先乳化劑、分散劑與檸檬酸能迅速溶解油污，并穿透油污到達(dá)金屬表面與油污的交界面定向吸附使油污松動、乳化、分散，在分子熱運動和機械力作用下，將油污拉入酸洗液中，從而脫離金屬表面。2)三氧化二鋁金屬氧化皮酸洗。溶液中的檸檬酸與硝酸鹽很容易與之反應(yīng)，生成可溶性鹽，從金屬表面除去。3)偏析元素硅的酸洗。在乳化劑、分散劑與檸檬酸的共同作用下，從金屬表面脫落下來。

為了進一步找到零部件氣泡、起皮的原因，實驗從零部件上選擇黑色條帶范圍與一般位置分別取三個點，采用尼通手持式金屬分析儀進行測試，結(jié)果如表3所示。在黑色部位，硅含量過高;而一般的部位則是接近正常鋁材6063。因為高硅鋁合金與低硅合金的鍍銀前處理方式不同，所以采用一般的酸洗前處理方式無法完全酸洗干凈，而采用新型前處理工藝，綜合考慮基體材料可能存在的成分偏析，實現(xiàn)對鋁合金的徹底酸洗。

表3 鋁合金不同位置成分測定(%)

新型前處理工藝經(jīng)過 1XXX、2XXX、5XXX、6XXX和7XXX鋁合金酸洗實驗，均提高了鍍銀前處理的質(zhì)量，保證了鍍銀層結(jié)合力，滿足使用要求，可以在大批量生產(chǎn)中使用。

4 結(jié)論

1)鋁合金電鍍前新型前處理溶液成分為:0.5%NaNO3，0.55%NaOH，0.55% 檸檬酸，乳化劑0.1%EDTA四鈉，剝離劑0.1%硬脂酸三乙醇胺酯季銨鹽，分散劑0.2%十二烷基硫酸鈉，光亮劑0.2%聚乙二醇400，余量為水。具體工藝流程為:熱處理→水洗→新酸洗工藝→水洗，可以滿足1XXX、2XXX、5XXX、6XXX 和7XXX 鋁合金鍍銀前處理要求，是一種極具前途的新型酸洗工藝。

2)新型前處理溶液無色無味，不揮發(fā)，可以改善生產(chǎn)車間的環(huán)境質(zhì)量，符合電鍍生產(chǎn)的環(huán)保趨勢。此工藝適用鋁合金零部件的前級加工方式范圍廣，不同的熱處理方式，不同的機加工方式及比較復(fù)雜零部件電鍍前處理的技術(shù)要求。

［1］ 張躍庭，王永.鋁合金環(huán)保型前處理工藝研究與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013，(18):191-192.

［2］ 羅耀宗.提高鋁合金電鍍結(jié)合力的探討［J］.電鍍與精飾，2003，23(31):11-12.