樊陽文，尹東海，閆 明，王 偉

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025）

隨著金屬表面處理工藝的飛速發(fā)展，材料表面鍍覆工藝得到了極大的應用，這種工藝以其獨特的優(yōu)勢，在航空航天、機械、化工、石油、印刷和醫(yī)療等眾多領域獲得普遍應用，發(fā)揮著防護裝飾與表面改性等作用[1-2]。近年來由于過度砍伐，破壞植被，燃油燃煤的大量使用等均導致大氣中腐蝕性氣體的增加，這些廢氣以硫化物、氯化物和氮化物為主，在一定的溫濕度環(huán)境作用下，可與水結合使pH值降低，直接或間接地作用在電子元器件表面上，對電接觸可靠性及外觀產生一定的影響，然而自然環(huán)境下這種腐蝕發(fā)生速度較慢，短期內不易被發(fā)現，本文通過使用氣體腐蝕試驗箱模擬自然環(huán)境，加速氣體腐蝕試驗過程，通過對比試驗前后外觀、鍍層厚度和接觸電阻的變化來驗證腐蝕性氣體對金屬鍍層的影響。

1 實驗

1.1 試樣制備

為準確驗證氣體腐蝕試驗后鍍層外觀、接觸電阻和厚度的變化，將研究試樣統(tǒng)一制成300 mm×80 mm×8 mm的電鍍銀、錫、鎳的銅排，每種鍍層銅排制作4塊，研究其中3塊并標記試樣1、試樣2、試樣3，測量接觸電阻及氣體腐蝕試驗時，將相同鍍層銅排每兩塊為一組以M10螺釘連接，力矩均為39 N·m，兩銅排間的接觸面積約為5 446 mm2，具體如圖1所示。

圖1 試樣尺寸

1.2 流動混合氣體腐蝕試驗

將同種鍍層銅排每兩塊連接后放入氣體腐蝕試驗箱，依照GB/T 2423.51-2012《環(huán)境試驗第二部分：試驗方法試驗Ke：流動混合氣體腐蝕試驗》中的方法4進行，腐蝕性氣體由以下濃度的氣體組成：H2S（10±5）ppb，NO2（200±20）ppb，Cl2（10±5）ppb，SO2（200±20）ppb.試驗溫度（25±1）°C，相對濕度（RH）75% ± 3%，試驗時間96 h.

采用X射線膜層測厚儀測量氣體腐蝕試驗前后鍍層的厚度，測量已標記的3塊試樣，每塊試樣測量左、中、右3個位置，取不同位置的平均值。

采用回路電阻測試儀測量試件原始面、連接面和暴露面鍍層的接觸電阻。原始接觸電阻為試驗前兩銅排間的初始阻值，試驗箱內每兩塊銅排通過螺釘連接，緊密接觸的表面為連接面，也就是未暴露面，其余表面為暴露面。同種鍍層需測量試樣1-試樣2、試樣2-試樣3、試樣3-試樣1間的接觸電阻。為避免其他不確定性因素的影響，需在試驗結束后的第一時間測量鍍層厚度和接觸電阻，并且試樣表面不做任何處理。

2 結果與討論

2.1 氣體腐蝕試驗對3種鍍層導電性的影響

從表1可知，經過氣體腐蝕試驗后，鍍銀層和鍍錫層的暴露面與未暴露面的接觸電阻均變化不大，鍍鎳層的暴露面接觸電阻顯著升高，未暴露面的電阻變化較小。因此可以確定，腐蝕性氣體對鍍銀層和鍍錫層導電性的影響較小，對鍍鎳層導電性的影響較大。

表1 氣體腐蝕試驗后3種鍍層的接觸電阻變化

2.2 氣體腐蝕試驗對3種鍍層厚度的影響

從表2可知，3種鍍層的初始厚度都較穩(wěn)定，但經氣體腐蝕試驗后均發(fā)生不同程度的增厚。實際上，鍍層厚度的變化為鍍層金屬在試驗箱中與腐蝕性氣體反應或自身形成氧化膜等，鍍層金屬粒子沿反應方向擴散，導致測量的鍍層厚度增加。

表2 試驗前后鍍層厚度的變化（單位：μm）

2.3 氣體腐蝕試驗對3種鍍層外觀的影響

從圖2可以看到，氣體腐蝕試驗后，鍍銀層表面發(fā)生大面積腐蝕變色，由原本的銀白色變?yōu)樽霞t色，使用酒精可擦拭掉表層變色物質，完全擦除后光澤度與試驗前略有下降。鍍錫層表面出現了大面積的斑紋和裂痕，部分區(qū)域變灰、變白，表面粗糙度明顯增大，不同區(qū)域腐蝕程度有較大差異，擦拭和清洗對已變化區(qū)域無影響。鍍鎳層光澤度發(fā)生明顯下降，生成的大量黃白色斑點在鍍層表面上均勻分布。三種鍍層銅排的未暴露面外觀與原始狀態(tài)基本一致，而暴露面外觀發(fā)生了較大的變化。

圖2 不同鍍層經混合氣體腐蝕試驗前后的外觀

2.4 腐蝕機理

鍍銀層在試驗箱中受硫化物影響較大，濕度越大，反應越劇烈，在氣體腐蝕試驗中，鍍銀層的變色主要受H2S的影響，生成暗色物質β-Ag2S，由于Ag2S擴散速度較快以及反應較易發(fā)生，隨著時間的增長，顏色變化會越來越明顯，從最初的淡粉色直至變?yōu)楹诤稚?，除此之外，SO2在自然條件下也會轉化成硫離子而使銀及合金變黑變暗[3]。

鍍錫層易發(fā)生不同程度的氧化腐蝕變色，生成氧化錫[4]。在試驗箱中，鍍錫層的腐蝕主要受Cl2和H2S的影響，Cl2溶于鍍層表面上水膜后生成HCl，錫及錫的氧化物可與之反應生成白色的SnCl2，Sn2+在H2S氣體環(huán)境下生成灰色的SnS晶體，較脆的薄膜破裂，表面出現裂痕，大量化學反應的發(fā)生導致鍍錫層被嚴重破壞。

鍍鎳層在潮濕空氣下會形成一層致密的氧化膜以防止繼續(xù)被氧化，但在酸性溶液環(huán)境中這層氧化膜被緩慢溶解，在H2S氣體的作用下，生成黃色的硫化物附著于鍍層表面，降低表面光澤，除此之外，電鍍鎳在鍍層厚度較薄時，未經過封孔處理的鍍層存在較高的孔隙率，底材漏出會極大的加快腐蝕速度，圖3為鍍鎳層試驗前后的顯微照片。

圖3 銅鍍鎳層經混合氣體腐蝕試驗前后的顯微照片（×1000）

2.5 防護措施

經過對鍍層腐蝕的分析，可以發(fā)現，鍍銀層的變色為H2S氣體直接與鍍層金屬發(fā)生反應，另外兩種鍍層無法與鍍層金屬直接發(fā)生反應，需要腐蝕性氣體溶于水中形成酸性環(huán)境，再將鍍層金屬及其氧化物溶解，因此對于鍍銀層的防護可在鍍層表面涂覆防變色劑，避免與H2S氣體直接接觸可提高鍍銀層的抗變色性。鍍錫件和鍍鎳件在生產、貯存、運輸、使用中嚴格控制空氣濕度，保證鍍層表面干燥，限制酸性環(huán)境的形成可顯著提高鍍層壽命。除此之外，生產中的環(huán)境衛(wèi)生、運輸中的磕碰、裝配中的摩擦等都會對鍍層造成損傷，減少人為對鍍層的傷害也是鍍層防護重要措施。

3 結語

三種鍍層銅排經氣體腐蝕試驗后均發(fā)生了不同程度的變化，腐蝕性氣體對暴露面影響較大，對未暴露面基本沒有影響。三種鍍層抗變色能力最強的是鍍鎳層，其次是鍍錫層，最差為鍍銀層；在電氣性能方面，鍍鎳層受到影響較大，鍍銀層和鍍錫層無明顯變化。隨著化學反應的發(fā)生，三種鍍層厚度均小幅增加。化學反應的發(fā)生基本都有水的參與，腐蝕性氣體溶于水中導致水膜酸化，環(huán)境溫濕度的大小直接影響著反應速度的快慢。目前鍍層防護方式多種多樣，在滿足工藝簡單，價格低廉的條件下，更要考慮到是否影響產品使用性能。改善加工工藝只能作為現階段降低腐蝕性氣體危害的一種臨時手段，控制工業(yè)廢氣排放和保護自然環(huán)境才是減少腐蝕性氣體產生的根本措施。