基于恒壓控制模式鍍錫工藝研究

胡 楊，李柱祥，胡水蓮

（國營蕪湖機(jī)械廠， 安徽 蕪湖 241007）

由于鍍錫層具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性［1］，廣泛應(yīng)用于航空修理領(lǐng)域，同時(shí)也是保護(hù)電子互連和銅電路的關(guān)鍵耐蝕金屬［2］。電流密度對鍍層的成分和形貌有重要的修整作用，對鍍層的致密性和均一性亦有較大影響［3-4］，故航空產(chǎn)品實(shí)際鍍錫生產(chǎn)時(shí)，需滿足一定的電流密度要求［5］，即按照產(chǎn)品面積設(shè)定電流。因此電鍍前必須對所需電鍍產(chǎn)品的加工面積進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，若電鍍過程中取放產(chǎn)品，需立即更改設(shè)定電流。由于航空產(chǎn)品小批量，多品種，形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，過程中不可避免會遇到加工面積難以計(jì)算的問題，增加了電鍍加工過程的控制難度。因此探究電流密度、電壓、零件加工面積之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，試驗(yàn)不同電壓條件下電鍍鍍層沉積情況以及鍍層性能情況，研究基于恒壓模式的電鍍過程控制規(guī)律，形成可實(shí)際應(yīng)用的基于恒壓控制模式的電鍍錫工藝。

所謂恒壓控制，就是在電鍍前將電源控制柜上的恒壓開關(guān)（或恒壓檔）合上、恒流開關(guān)（或恒流檔）斷開［6］。按試驗(yàn)規(guī)律與膜厚實(shí)測的結(jié)果設(shè)定電壓與時(shí)間，這樣在整個(gè)電鍍處理過程中，控制電壓是恒定不變的。本研究通過大量試驗(yàn)，探究不同電壓數(shù)值的適用范圍，通過驗(yàn)證沉積情況、鍍層性能情況，形成可實(shí)際應(yīng)用的基于恒壓控制模式的電鍍錫工藝，供從事航空產(chǎn)品鍍錫技術(shù)與生產(chǎn)的同行們參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和工藝條件

本研究試樣為45A 鋼試片和試棒，具體成分見表1所示［7］。試驗(yàn)使用堿性鍍錫槽液，堿性鍍錫液成分簡單，分散能力和覆蓋能力好，鍍層結(jié)晶細(xì)致［8-9］。工藝條件：槽液溫度75 ℃～80 ℃，槽液組成為NaOH（10 g/L～15 g/L）、Na2SnO3·3H2O（50 g/L～100 g/L）、CH3COONa·3H2O（12 g/L～30 g/L）、NaBO3·4H2O（0.3 g/L～0.5g /L），施加的電流密度為2 A/dm2～3 A/dm2。

表1 45A鋼材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 45A steel

1.2 儀器和工藝流程

工藝流程：45A 工件試樣→除油→熱水洗→水洗→活化→水洗→中和→水洗→鍍銅→水洗→鍍錫→水洗→熱水洗→干燥→成品檢驗(yàn)。

采用TGDF 500A/12V 型高頻開關(guān)電源為鍍錫電源；采用XDLM-237 型X 射線熒光鍍層測厚儀測定膜厚；按GB5270—2005 進(jìn)行結(jié)合力試驗(yàn)，鍍層應(yīng)與基體金屬結(jié)合牢固，無起皮、脫落現(xiàn)象［10］；按GB/T10125—2021 進(jìn)行耐蝕性試驗(yàn)，經(jīng)過24 h 鹽霧試驗(yàn)的試片，每10 dm2表面上的基體腐蝕斑不應(yīng)超過6 個(gè)，任一個(gè)腐蝕斑的直徑不應(yīng)超過1.59 mm［11］；按HB5067.1—2005進(jìn)行氫脆性試驗(yàn)，氫脆性應(yīng)滿足缺口拉伸延遲破壞試驗(yàn)，破斷時(shí)間大于200 h［12］；按HB 5046—93 進(jìn)行可焊性試驗(yàn)，錫鍍層和焊料不應(yīng)分離，錫鍍層和基體金屬不應(yīng)分離［13］。

1.3 實(shí)驗(yàn)思路

使用恒壓控制模式，對不同加工面積的試樣進(jìn)行鍍錫處理，使實(shí)際電流密度Jk分別滿足（2 A/dm2～3 A/dm2）范圍上下限，且數(shù)值穩(wěn)定至少3 min，記錄此電壓數(shù)值。通過對所有數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，分析得出恒壓控制模式鍍錫規(guī)律。其次，對不同電壓下的沉積速率和鍍層性能進(jìn)行驗(yàn)證，探究其適用性。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒壓控制鍍錫規(guī)律

2.1.1 Jk為下限

使用恒壓控制處理不同加工面積試樣，電流密度為2 A/dm2時(shí)，電壓與加工面積對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 加工面積與電壓關(guān)系Tab.2 Relationship between processing area and voltage

對上表數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，使用工具進(jìn)行擬合，得到電流密度、電壓與加工面積之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（見圖1）。當(dāng)加工面積S大于等于5 dm2時(shí)，輸入電壓U滿足圖1模型，即U=0.166S+2.474。

圖1 Jk下限模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of Jk lower limit model

2.1.2 Jk為上限

使用恒壓控制模式處理不同加工面積試樣，使電流密度為3 A/dm2時(shí)，電壓與加工面積對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 加工面積與電壓關(guān)系Tab.3 Rrelationship between processing area and voltage

對上表數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，使用工具進(jìn)行擬合，得到電流密度、電壓與加工面積之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)加工面積S大于等于5 dm2時(shí)，輸入電壓U滿足圖2模型，即U=0.196S+3.238。

圖2 Jk上限模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of Jk upper limit model

2.1.3 模型驗(yàn)證

上述兩個(gè)模型中，U分別為加工某S面積試樣所設(shè)定電壓的上下限。對于某一S，U=0.166S+2.474代表許用電壓的最小值，U=0.196S+3.238 代表許用電壓的最大值，即使用恒壓鍍錫時(shí)，設(shè)定電壓大小應(yīng)在兩個(gè)電壓值之間。

使用45#鋼試片進(jìn)行規(guī)律驗(yàn)證，主要針對恒壓設(shè)定為4 V、5 V、6 V、7 V 下的加工極限進(jìn)行驗(yàn)證，探究其是否滿足2 A/dm2～3 A/dm2要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 模型規(guī)律驗(yàn)證表Tab.4 Record table of model rule verification

由表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在各電壓加工極限值下，實(shí)際電流密度Jk符合2 A/dm2～3 A/dm2要求，研究擬合的關(guān)系模型成立。

2.1.4 規(guī)律總結(jié)

對U=0.166S+2.474、U=0.196S+3.238 兩個(gè)模型進(jìn)行整理，有如下規(guī)律：

U=4 V 時(shí)，適用于5 dm2～8 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=5 V 時(shí)，適用于8 dm2～1 4 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=6 V 時(shí)，適用于14 dm2～19 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=7 V 時(shí)，適用于19 dm2～27 dm2面積零件的鍍錫加工；

當(dāng)S不足5 dm2時(shí)，可增加同槽試片，再采用恒壓控制模式電鍍。

2.2 鍍層沉積情況

在實(shí)際生產(chǎn)中，除厚度外，金屬鍍層的鍍層均勻性與完整性也是檢驗(yàn)鍍層質(zhì)量的重要指標(biāo)。如果厚度不均勻，往往其最薄的地方首先被破壞，其余部位鍍層也會失去保護(hù)作用。依據(jù)法拉第定律，鍍層厚度的均勻性主要反映了陰極表面上電流分布的均勻性［13］。為了評定恒壓控制模式下金屬或電流在陰極表面的分布情況，需要驗(yàn)證該模式下鍍液的分散能力；同時(shí)為了評定零件深凹處沉積金屬鍍層的能力，需要對其覆蓋能力進(jìn)行驗(yàn)證分析。通過驗(yàn)證其分散能力及覆蓋能力，可以分析恒壓控制模式下，外形復(fù)雜零件表面鍍層能否分布均勻。項(xiàng)目將采用對深孔試件進(jìn)行試驗(yàn)，看其鍍層沉積情況。

試驗(yàn)使用異形試片、通孔試件作為研究對象，采用恒壓控制模式工藝對試樣進(jìn)行鍍錫20 min，通過對試樣上錫層分布情況進(jìn)行分析，對分散及覆蓋能力試驗(yàn)探究，鍍后外觀見圖3，其中，圖3（b）中數(shù)字“1”代表1倍直徑范圍區(qū)域，數(shù)字“2”代表除1倍直徑范圍外的2倍直徑范圍內(nèi)區(qū)域。

圖3 試樣形貌圖Fig.3 Morphology of samples

如圖3所示， 錫鍍層為銀灰色至淺灰色，結(jié)晶均勻、細(xì)致。各試樣凹凸處、深孔處均有較光亮的錫層。使用X 射線熒光測厚儀對試樣進(jìn)行測厚，結(jié)果見表5和表6。

表5 試樣外表面鍍層厚度Tab.5 Plating thickness on the outer surface of samples

表6 試樣內(nèi)表面鍍層厚度Tab.6 Plating thickness on the inner surface of samples

從表5和表6數(shù)據(jù)來看，異形試片外表面厚度分布均勻，且其外凸處、深凹處亦存在良好錫層，且沉積效率較快：22 μm/h～30 μm/h；通孔試件外表面鍍層分布均勻，且通孔試件2 倍直徑范圍內(nèi)均有不低于2 μm 錫層，大于2 倍直徑范圍存在錫鍍層，滿足GJB 594A—2019《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》中“直徑或?qū)挾炔淮笥?0 mm 的直通孔，其深度不小于直徑或?qū)挾鹊?倍時(shí)，允許無鍍層；小于3 倍時(shí)，鍍層厚度不做要求”規(guī)定［14］。說明恒壓控制模式生產(chǎn)的錫鍍層沉積速率較好，且具有良好的分散性和覆蓋性。

2.3 鍍錫層性能試驗(yàn)

根據(jù)本文1.2中性能試驗(yàn)要求，探究了不同電壓下恒壓控制模式鍍錫所得鍍層的性能，以驗(yàn)證該工藝的可靠性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 鍍層性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of plating performance test

由表7 數(shù)據(jù)可知，恒壓控制時(shí)，不同電壓下的鍍層各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，恒壓控制鍍錫層結(jié)合力良好，耐蝕性強(qiáng)，氫脆性影響低，可焊性好，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

（1）基于恒壓控制模式鍍錫工藝經(jīng)過各項(xiàng)實(shí)際驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，能夠適用于航空零件電鍍實(shí)際生產(chǎn)，生產(chǎn)時(shí)槽溫控制在75 ℃～80 ℃，電源設(shè)定按如下工藝進(jìn)行：U=4 V 時(shí)，適用于面積5 dm2～8 dm2零件的鍍錫加工；U=5 V 時(shí)，適用于面積8 dm2～14 dm2零件的鍍錫加工；U=6 V 時(shí)，適用于面積14 dm2～19 dm2零件的鍍錫加工；U=7 V 時(shí)，適用于面積19 dm2～27 dm2零件的鍍錫加工；特殊地，當(dāng)S不足5 dm2時(shí)，可增加同槽試片，再采用恒壓控制模式電鍍。

（2）采用恒壓控制模式鍍錫時(shí)，應(yīng)選用適宜的電壓，生產(chǎn)時(shí)盡量避免某一電壓加工范圍上下限，以減輕不良導(dǎo)電可能造成的影響。

（3）采用恒壓控制模式，電流隨工件增減自動(dòng)調(diào)整，相對恒流控制而言，電鍍過程中取放產(chǎn)品無需重新設(shè)定電流，無需精確工件面積，最大優(yōu)點(diǎn)是適用于電鍍連續(xù)性生產(chǎn)，配合自動(dòng)化生產(chǎn)線使用效果更佳。