鋁合金表面電鍍金層出現(xiàn)花斑的原因分析及解決措施

熊俊良*，杜楠

（中國空空導彈研究院十五分廠，河南 洛陽 471009）

鋁合金零件具有較高的比強度和良好的防護性能，并且各種表面處理技術(shù)成熟，因而在航空領域應用廣泛。某零件材料為2A12，要求對其表面鍍金，工藝流程如下：裝掛→除油(恩森化學有限公司JS-1142，60 ～ 65 °C，6 ～ 10 min)→混酸腐蝕(濃硝酸 200 g/L，無機酸 10 g/L，添加劑 30 g/L，室溫，1 ～ 3 min)→除垢(濃硝酸500 mL/L，室溫，30 ～ 60 s)→一次沉鋅(NaOH 400 ～ 500 g/L，ZnO 50 ～ 80 g/L，添加劑適量，室溫，30 ～ 60 s)→脫鋅(濃硝酸500 mL/L，時間10 ～ 20 s，室溫)→二次沉鋅(同一次浸鋅)→堿性化學鍍鎳(恩森化學有限公司JS-998，85 ～ 90 °C，5 ～ 10 min)→酸性化學鍍鎳(恩森化學有限公司JS-934，82 ～ 90 °C，80 ～ 90 min)→電鍍金(羅門哈斯 Ronovel N 鍍金液，40 ～ 50 °C，5 ～ 10 min)。鍍金后發(fā)現(xiàn)零件表面有大量花斑。

1 花斑特征

如圖1所示，零件表面花斑有兩種類型：A類花斑較嚴重，有明顯的凹陷，主要分布在零件的孔和槽周圍；B類花斑較輕微，無凹陷，幾乎遍布零件表面，分布位置無規(guī)律。

圖1 兩類花斑缺陷的特征Figure 1 Characteristics of two types of piebald defect

2 原因分析

對A類花斑故障零件進行剖切并制成金相試樣，放大500倍觀察切面形貌，發(fā)現(xiàn)A類花斑處的鍍層很薄(見圖2)。兩類花斑各抽取10件，用X射線測厚儀測量花斑處的鍍層厚度，列于表1。

圖2 有A類花斑零件的截面形貌Figure 2 Cross-sectional morphology of a part with type-A piebald defect

表1 有花斑故障的零件上鍍金層和化學鍍鎳層厚度Table 1 Thicknesses of electroplated gold coating and electrolessly plated nickel coating on parts with piebald defect(單位：μm)

該零件要求化學鍍鎳層和金層的厚度分別為8 ～ 12 μm和0.5 ～ 1.0 μm。從表1可知，A類花斑的鍍金層厚度合格，化學鍍鎳層偏?。籅類花斑的鍍金層和化學鍍鎳層厚度則均合格。因本工藝的堿性化學鍍鎳是作為打底層，厚度僅有0.4 ～ 0.8 μm，故推測導致A類花斑處的化學鍍鎳層厚度不合格主要與酸性化學鍍鎳有關。

從人、機、料、法、環(huán)五個方面對導致花斑的原因進行排查。

2.1 人

加工該零件的操作者未發(fā)生變動，排除人為造成花斑。

2.2 設備

生產(chǎn)車間的其他設備未發(fā)生變動，但有大、小兩個酸性化學鍍鎳槽。采用大槽時無A類花斑，只有B類花斑；使用小槽時兩類花斑都有。

觀察發(fā)現(xiàn)，酸性化學鍍鎳溶液通過循環(huán)過濾使溶液流動的方式進行攪拌，攪拌力度不大。當用1 mm鋁絲綁掛時，零件在流動溶液中可以稍微晃動。用掛具裝掛時很牢固，零件不晃動，而且電鍍掛具放入小槽后移動空間很小，即使手工晃動，幅度也很小，不利于零件的移動攪拌，這可能會導致化學鍍鎳過程中零件表面附著的氣泡難以脫離而產(chǎn)生麻點、花斑缺陷。因此化學鍍鎳槽容積小可能是導致花斑產(chǎn)生的原因之一。

2.3 材料

各類槽液均合格，可以排除槽液的影響。操作者反映大部分零件在混酸腐蝕后表面就呈現(xiàn)大面積的銹蝕花斑(見圖3)，這些花斑的形貌與B類花斑吻合，但與A類花斑不同。推測零件基體在鍍前發(fā)生銹蝕是導致花斑的原因。

2.4 加工方法

操作流程均按工藝要求進行，各工序的工藝參數(shù)也在要求的范圍內(nèi)。跟產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程使用了2種裝掛方式──直徑1 mm的鋁絲綁掛和不銹鋼掛具裝掛。鋁絲綁掛的零件鍍后只有B類花斑，用不銹鋼掛具裝掛的零件鍍后則兩類花斑都存在。

圖3 前處理后有花斑的零件Figure 3 A part with piebald defect after pretreatment

2.5 環(huán)境

該故障在秋冬季加工時未見發(fā)生，而發(fā)生在7?8月之間。一般6?8月是鋁合金零件銹蝕故障的高發(fā)期，并且銹蝕容易導致后續(xù)鍍層發(fā)花，因此基體發(fā)生銹蝕也是可能的原因之一。

3 工藝試驗和原因排查

綜上分析，推測電鍍金層出現(xiàn)花斑的主要原因如下：

(1) 化學鍍鎳槽的選擇不合理和零件裝掛方式不合理相互影響，導致酸性化學鍍鎳過程中攪拌效果不好，使零件表面產(chǎn)生A類花斑。

(2) 在7?8月期間，基體容易發(fā)生銹蝕而使零件表面產(chǎn)生B類花斑。

因此，針對工件不同的裝掛方式，提出解決方案，并通過試驗來驗證。

3.1 鋁絲綁掛試驗

零件完成混酸腐蝕后，對有花斑的基體表面進行打磨，除去零件基體上的銹蝕痕跡后，再用直徑1 mm的鋁絲綁掛，按正常工藝流程完成鍍金。零件鍍層外觀合格，沒有花斑。

3.2 掛具裝掛試驗

用掛具裝掛零件，按流程鍍金，選擇大的酸性化學鍍鎳槽，在化學鍍鎳過程中每隔5 min手工晃動零件。后續(xù)鍍金層沒有A類花斑，只有B類花斑。

零件經(jīng)混酸腐蝕后，打磨有花斑的基體以除去表面銹蝕痕跡，再用掛具裝掛，按正常的工藝流程完成鍍金。期間也選擇大的酸性化學鍍鎳槽，在化學鍍鎳過程中每隔5 min手工晃動零件。最終得到外觀合格、沒有花斑的鍍金層(見圖4)。

圖4 外觀合格的鍍金層Figure 4 Gold coating with qualified appearance

4 討論與改進

酸性化學鍍鎳過程中伴隨析氫副反應，溶液攪拌力度不夠時，零件表面會附著氫氣泡，當氣泡長大到一定程度時會脫附而形成麻點缺陷，即A類花斑。吸附氣泡處的零件表面與化學鍍鎳液之間被氣泡隔離，化學鍍鎳反應受阻，因而該處的化學鍍鎳層偏薄。麻點缺陷在電鍍生產(chǎn)中比較常見，在加工過程中選用大的鍍槽并且采用壓縮空氣攪拌、機械攪拌或定期晃動零件，使零件得到有效攪拌，再無A類花斑出現(xiàn)。

夏季人體排汗量大，鋁合金零件被人手接觸后其表面殘留的汗?jié)n中的Cl?以及炎熱潮濕的環(huán)境會加速鋁合金的銹蝕。因此，每個工序之后都要用去離子水清洗零件，防止零件表面殘留切削液、汗?jié)n及其他容易導致零件銹蝕的物質(zhì)。在轉(zhuǎn)下道工序期間如果不能及時安排加工，應做好防銹措施。如果零件表面已發(fā)生銹蝕，應打磨除掉銹蝕產(chǎn)物后才能進入下道工序，以避免B類花斑出現(xiàn)。

采取上述措施后，零件的合格率從12%提高到100%。