無氰無磷滾鍍銅工藝應(yīng)用及故障解決

徐金來

廣州三孚新材料科技股份有限公司，廣東 廣州 510700

近年來，無氰鍍銅的研究及應(yīng)用取得較大進(jìn)展[1-4]，尤其是在鐵件的掛鍍、滾鍍及鋁合金的掛鍍方面，已有不少工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)例[5-8]。與焦磷酸鹽滾鍍銅相比，無氰無磷滾鍍銅有以下優(yōu)點(diǎn)：鍍液不含磷酸鹽，可以直接在鋼鐵表面滾鍍，鍍層的光亮度更高。此外，無氰滾鍍銅在鍍層均勻性和深鍍能力方面與氰化物滾鍍銅相當(dāng)，有望替代氰化物滾鍍銅工藝。本文介紹了無氰滾鍍銅工藝應(yīng)用過程的維護(hù)事項(xiàng)，并針對遇到的故障提出了解決措施，為廠家在實(shí)際應(yīng)用中類似故障的預(yù)防與解決提供參考，以便降低不良品率，提高生產(chǎn)效率。

1 無氰無磷滾鍍銅工藝

1.1 工藝流程

機(jī)械拋光→化學(xué)除油→水洗3 道→酸洗活化(采用體積分?jǐn)?shù)為2% ～ 5%的硫酸，后同)→水洗3 道→無氰無磷滾鍍銅→水洗→酸洗活化→滾鍍鎳。

1.2 鍍液配制

無氰無磷滾鍍銅采用筆者所在公司的SF-585 無氰堿性鍍銅體系，配方和工藝條件列于表1，鍍液的配制步驟如下：

表1 SF-585 無氰鍍銅配方及工藝條件Table 1 Bath composition and process conditions of SF-585 cyanide-free barrel copper plating

1) 在干凈的鍍槽中加入3/5 體積的純水，加熱至50 °C 后添加所需量的開缸粉，攪拌至完全溶解后冷卻至室溫。

2) 另取容器用1/3 體積的純水溶解所需的氫氧化鉀，冷卻至室溫后邊攪邊將其加入鍍槽，并立刻加入走位粉，持續(xù)攪拌至溶解。

3) 加入添加劑，加厚鍍銅時(shí)無需添加主光劑。

4) 用精密試紙檢測溶液的pH，用鹽酸和45%氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)pH。

5) 加入純水至所需體積，攪拌均勻，加熱至工作溫度范圍，即可試鍍。

1.3 鍍液維護(hù)與補(bǔ)充

1) 工件在進(jìn)入無氰堿性鍍銅槽前，應(yīng)確保已除油干凈及表面無銹跡。

2) 每天分析Cu2+含量，滾鍍建議Cu2+含量保持在10 ～ 15 g/L，掛鍍在12 ～ 18 g/L。

3) 每班檢測槽液pH 一次，令pH 保持在9.2 ～ 9.7 范圍內(nèi)；當(dāng)pH 高于10.0 時(shí)用1∶1 鹽酸調(diào)整，每2 mL/L的1∶1 鹽酸可降低pH 約0.08；當(dāng)pH 低于9.0 時(shí)用500 g/L 氫氧化鉀溶液調(diào)整，每2 mL/L 的500 g/L 氫氧化鉀溶液可提高pH 約0.1。

4) 每天清洗過濾機(jī)，用體積分?jǐn)?shù)為5% ～ 10%的鹽酸浸泡濾芯1 h。

5) 每周加銅陽極1 ～ 2 次，添加時(shí)先用體積分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸對其進(jìn)行活化。

6) 掛鍍每30 ～ 60 d 清洗陽極及陽極袋一次，并用體積分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸浸泡陽極與陽極袋10 ～ 20 min，每次清洗陽極后補(bǔ)加0.1 g/L 補(bǔ)加粉；滾鍍無需使用陽極袋，每月清理鍍槽一次即可。

7) 補(bǔ)加粉、走位粉、輔助劑和主光劑的補(bǔ)加量見表2。

表2 各添加劑的補(bǔ)加量Table 2 Amounts of different additives for replenishment

8) 每班生產(chǎn)完后用磁鐵吸起掉槽工件，每月抽底一次，撿出掉槽工件和其他雜物。

9) 為避免波美度上升過快，不建議直接回收使用鍍液，但可回收清洗水的銅化合物沉淀并補(bǔ)充至鍍槽。應(yīng)注意的是，以上都只是日常維護(hù)工作，添加劑的使用和維護(hù)可能會因工件不同而有所不同，具體應(yīng)按照實(shí)際情況處理。

1.4 鍍液總銅含量分析

試劑：過二硫酸銨；1∶1(體積比)氨水；PAN 指示劑，即含有1 g/L 1-(2-吡啶基偶氮)-2 萘酚的乙醇溶液；0.05 mol/L 的EDTA(乙二胺四乙酸)標(biāo)準(zhǔn)溶液。

操作步驟：移取1.0 mL 電鍍液至250 mL 錐形瓶中，加入約100 mL 去離子水和1 g 左右的過二硫酸銨，溶解后加熱煮沸1 ～ 2 min，加入1∶1 氨水至溶液轉(zhuǎn)變成深藍(lán)色，再加入數(shù)滴PAN 指示劑，此時(shí)溶液呈紫紅色(注意不得加入太多，以免顏色變化不明顯)，最后用0.05 mol/L 的EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液變?yōu)辄S綠色，按式(1)計(jì)算鍍液中銅的質(zhì)量濃度。

式中：ρ 為鍍液中銅的質(zhì)量濃度，單位為g/L；c 為EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，單位為mol/L；V 為消耗EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，單位為mL；V1為所測電鍍液的體積，單位為mL。

2 常見故障的解決

該工藝已在廣東某五金電鍍公司使用5 年多，主要產(chǎn)品為螺絲、鉸鏈等。其間曾出現(xiàn)幾次故障，采取措施后均得到解決并恢復(fù)至開缸水平，現(xiàn)將相關(guān)情況介紹如下。

2.1 高區(qū)鍍層粗糙和燒焦

2.1.1 故障現(xiàn)象

如圖1 所示，霍爾槽試片高區(qū)出現(xiàn)約3 cm 的燒焦區(qū)域，滾鍍工件則相應(yīng)地在高區(qū)出現(xiàn)燒焦的滾筒印。

圖1 高區(qū)鍍層粗糙和燒焦Figure 1 Rough copper coating and burning phenomenon at high current density area

2.1.2 原因分析和解決措施

分析發(fā)現(xiàn)鍍液的Cu2+質(zhì)量濃度為8.9 g/L，明顯低于工藝要求的10 ～ 15 g/L。故推測本次故障主要由鍍液銅離子濃度偏低引起。建議廠家增大陽極面積，并使用陽極鈦籃裝載電解銅陽極，使鍍液的銅離子質(zhì)量濃度提高到14.3 g/L。重新施鍍后高區(qū)燒焦現(xiàn)象消失，如圖2 所示。

圖2 調(diào)整鍍液Cu2+質(zhì)量濃度后的霍爾槽試片外觀Figure 2 Appearance of Hull cell test coupon after replenishment of Cu2+

2.2 鍍層色澤偏暗

2.2.1 故障現(xiàn)象

如圖3 所示，工件表面鍍層分布均勻，但色澤偏暗，光亮度不足。

圖3 鍍層偏暗Figure 3 Copper coatings with insufficient brightness

2.2.2 原因分析和解決措施

分析鍍液組分發(fā)現(xiàn)Cu2+與配位劑的質(zhì)量濃度比(下文簡稱為“銅絡(luò)比”)為0.91，因此推測鍍層偏暗的可能原因是配位劑不足。于是向鍍液中補(bǔ)加補(bǔ)加粉，調(diào)整銅絡(luò)比至0.68。重新施鍍后產(chǎn)品恢復(fù)光亮的外觀，如圖4 所示。

圖4 調(diào)整鍍液銅絡(luò)比后產(chǎn)品的外觀Figure 4 Appearance of barrel copper plated products after adjusting the mass concentration ratio of Cu2+ to complexing agent

2.3 工件低區(qū)鍍層發(fā)暗、粗糙

2.3.1 故障現(xiàn)象

工件低區(qū)鍍層粗糙、發(fā)暗，如圖5 所示。

圖5 低區(qū)鍍層粗糙Figure 5 Rough copper coating at low current density area

2.3.2 原因分析和解決措施

主要原因?yàn)椋褐鞴鈩┻^量；輔助劑不足；pH 偏低；銅絡(luò)比偏高；走位粉不足。

針對上述原因，采取如下措施：1)停止添加主光劑，消耗或者稀釋鍍液，再調(diào)整各組分濃度至規(guī)定范圍內(nèi)；2)補(bǔ)充輔助劑和走位粉；3)添加補(bǔ)加粉；4)用氫氧化鉀溶液調(diào)整鍍液pH 至正常范圍。

采取上述措施后故障消失，鍍后工件如圖6 所示。

圖6 采取解決低區(qū)鍍層粗糙的幾項(xiàng)措施后產(chǎn)品的外觀Figure 6 Appearance of barrel copper plated products after taking several countermeasures against rough coating defect at low current density area

2.4 工件低區(qū)鍍層厚度低

2.4.1 故障現(xiàn)象

低區(qū)鍍層厚度偏低，甚至不上鍍，如圖7 所示。

圖7 低區(qū)不上鍍Figure 7 Skip plating at low current density area

2.4.2 原因分析和解決措施

分析是鍍液中走位粉不足所致。于是向鍍液中補(bǔ)加4 g/L 走位粉，結(jié)果顯示低區(qū)成功上鍍，并且鍍層厚度滿足要求，如圖8 所示。

圖8 鍍液補(bǔ)充走位粉后霍爾槽試片的外觀Figure 8 Appearance of Hull cell test coupon after replenishment of covering power enhancer

3 結(jié)語

無氰鍍銅工藝在國內(nèi)的研究和應(yīng)用已有幾十年，最初用于掛鍍，但隨著研究的深入及應(yīng)用的增多，該工藝的缺點(diǎn)也日漸暴露。然而只要認(rèn)清其中的不足，在不斷積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對性的實(shí)驗(yàn)研究，無氰鍍銅工藝完全替代含氰鍍銅工藝指日可待。