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        鋁合金表面電鍍金層出現(xiàn)花斑的原因分析及解決措施

        2018-01-13 01:23:42熊俊良杜楠
        電鍍與涂飾 2017年23期
        關(guān)鍵詞:花斑鍍金鍍鎳

        熊俊良*,杜楠

        (中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院十五分廠,河南 洛陽(yáng) 471009)

        鋁合金零件具有較高的比強(qiáng)度和良好的防護(hù)性能,并且各種表面處理技術(shù)成熟,因而在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。某零件材料為2A12,要求對(duì)其表面鍍金,工藝流程如下:裝掛→除油(恩森化學(xué)有限公司JS-1142,60 ~ 65 °C,6 ~ 10 min)→混酸腐蝕(濃硝酸 200 g/L,無(wú)機(jī)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(shí)間10 ~ 20 s,室溫)→二次沉鋅(同一次浸鋅)→堿性化學(xué)鍍鎳(恩森化學(xué)有限公司JS-998,85 ~ 90 °C,5 ~ 10 min)→酸性化學(xué)鍍鎳(恩森化學(xué)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(yán)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(wú)凹陷,幾乎遍布零件表面,分布位置無(wú)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(duì)A類花斑故障零件進(jìn)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(jiàn)圖2)。兩類花斑各抽取10件,用X射線測(cè)厚儀測(cè)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(xué)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(xué)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(xué)鍍鎳層偏薄;B類花斑的鍍金層和化學(xué)鍍鎳層厚度則均合格。因本工藝的堿性化學(xué)鍍鎳是作為打底層,厚度僅有0.4 ~ 0.8 μm,故推測(cè)導(dǎo)致A類花斑處的化學(xué)鍍鎳層厚度不合格主要與酸性化學(xué)鍍鎳有關(guān)。

        從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面對(duì)導(dǎo)致花斑的原因進(jìn)行排查。

        2.1 人

        加工該零件的操作者未發(fā)生變動(dòng),排除人為造成花斑。

        2.2 設(shè)備

        生產(chǎn)車間的其他設(shè)備未發(fā)生變動(dòng),但有大、小兩個(gè)酸性化學(xué)鍍鎳槽。采用大槽時(shí)無(wú)A類花斑,只有B類花斑;使用小槽時(shí)兩類花斑都有。

        觀察發(fā)現(xiàn),酸性化學(xué)鍍鎳溶液通過(guò)循環(huán)過(guò)濾使溶液流動(dòng)的方式進(jìn)行攪拌,攪拌力度不大。當(dāng)用1 mm鋁絲綁掛時(shí),零件在流動(dòng)溶液中可以稍微晃動(dòng)。用掛具裝掛時(shí)很牢固,零件不晃動(dòng),而且電鍍掛具放入小槽后移動(dòng)空間很小,即使手工晃動(dòng),幅度也很小,不利于零件的移動(dòng)攪拌,這可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)鍍鎳過(guò)程中零件表面附著的氣泡難以脫離而產(chǎn)生麻點(diǎn)、花斑缺陷。因此化學(xué)鍍鎳槽容積小可能是導(dǎo)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(jiàn)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(cè)零件基體在鍍前發(fā)生銹蝕是導(dǎo)致花斑的原因。

        2.4 加工方法

        操作流程均按工藝要求進(jìn)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(guò)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(shí)未見(jiàn)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(dǎo)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(yàn)和原因排查

        綜上分析,推測(cè)電鍍金層出現(xiàn)花斑的主要原因如下:

        (1) 化學(xué)鍍鎳槽的選擇不合理和零件裝掛方式不合理相互影響,導(dǎo)致酸性化學(xué)鍍鎳過(guò)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(duì)工件不同的裝掛方式,提出解決方案,并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

        3.1 鋁絲綁掛試驗(yàn)

        零件完成混酸腐蝕后,對(duì)有花斑的基體表面進(jìn)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(méi)有花斑。

        3.2 掛具裝掛試驗(yàn)

        用掛具裝掛零件,按流程鍍金,選擇大的酸性化學(xué)鍍鎳槽,在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中每隔5 min手工晃動(dòng)零件。后續(xù)鍍金層沒(méi)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(xué)鍍鎳槽,在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中每隔5 min手工晃動(dòng)零件。最終得到外觀合格、沒(méi)有花斑的鍍金層(見(jiàn)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(jìn)

        酸性化學(xué)鍍鎳過(guò)程中伴隨析氫副反應(yīng),溶液攪拌力度不夠時(shí),零件表面會(huì)附著氫氣泡,當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度時(shí)會(huì)脫附而形成麻點(diǎn)缺陷,即A類花斑。吸附氣泡處的零件表面與化學(xué)鍍鎳液之間被氣泡隔離,化學(xué)鍍鎳反應(yīng)受阻,因而該處的化學(xué)鍍鎳層偏薄。麻點(diǎn)缺陷在電鍍生產(chǎn)中比較常見(jiàn),在加工過(guò)程中選用大的鍍槽并且采用壓縮空氣攪拌、機(jī)械攪拌或定期晃動(dòng)零件,使零件得到有效攪拌,再無(wú)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(huì)加速鋁合金的銹蝕。因此,每個(gè)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(dǎo)致零件銹蝕的物質(zhì)。在轉(zhuǎn)下道工序期間如果不能及時(shí)安排加工,應(yīng)做好防銹措施。如果零件表面已發(fā)生銹蝕,應(yīng)打磨除掉銹蝕產(chǎn)物后才能進(jìn)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%。

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