付銀輝，李元樸，王智紅，周 君

(成都四威高科技產業(yè)園有限公司，四川 成都 611731)

0 前 言

鍍金層具有良好的導電、焊接和耐腐蝕性能，廣泛應用于電子行業(yè)，傳統(tǒng)鍍金工藝普遍采用氰化物體系，氰化物鍍金液穩(wěn)定性高，但其沉積電流效率低，特別是游離的CN-毒性大，對操作人員的健康、環(huán)境和社會安全造成嚴重威脅。因此，無氰鍍金工藝的研究與推廣具有重要意義?，F有的無氰鍍金體系主要有亞硫酸鹽體系、硫代硫酸鹽體系、5，5二甲基乙內酰脲體系等，其中以亞硫酸鹽體系應用最為廣泛[1-5]。無氰鍍金工藝在滾鍍或振鍍工藝上的研究和實踐報道不多，這與無氰鍍金液穩(wěn)定性差、工藝范圍窄、維護難度大有關。

針對小尺寸零件，滾鍍相比掛鍍，具有效率高、表面質量好和鍍層均勻等優(yōu)點，得到廣泛研究和應用。但該技術需要控制的條件更多，操作更復雜，由于滾筒內外離子質量濃度差較大，因而允許使用的電流密度小，對鍍液性能和設備要求也更高[6-10]。振鍍技術克服了滾筒的封閉結構導致的離子質量濃度差的問題，但由于振鍍機械翻轉力不夠，容易使不規(guī)則零件、易卡零件在振動過程中卡在一起或不能均勻翻轉，導致鍍層均勻性差[11，12]。

為了解決滾鍍和振鍍存在的問題，本工作研究了一種滾、振鍍相結合的滾振鍍技術，即使?jié)L筒在自轉的同時，增加前后振動作用，從而加強了滾筒內溶液的交換和滾筒機械翻轉力。該技術應用于亞硫酸鹽鍍金還未見報道。為此，將亞硫酸鹽無氰鍍金液應用于滾振鍍工藝上，針對鍍液金含量、裝載量、電流密度、滾筒轉速和振動頻率等影響因素進行了大量基礎試驗，獲得了適宜的工藝范圍。從鍍層外觀、致密性和均勻性等方面對比了滾振鍍和掛鍍工藝制備的鍍金層質量。

1 試 驗

1.1 鍍液主要組成

采用的無氰鍍金液為亞硫酸鹽鍍金體系。鍍液主要組成為：金10～20 g/L；亞硫酸鈉100～200 g/L；檸檬酸鉀50～100 g/L；氯化鉀50～100 g/L。

1.2 工藝流程及條件

選用的試樣為約13 mm×6 mm×1 mm可伐載板，其表面積約為0.02 dm2。鍍金工藝流程：除油 - 酸洗 - 鍍鎳 - 閃鍍金 - 鍍金。除油：超聲波化學除油，溫度50～60 ℃，時間6～10 min；酸洗：100～300 mL/L鹽酸溶液，室溫，時間1～2 min；電鍍鎳：氨基磺酸鎳體系，Dk0.5～1.0 A/dm2，時間30～40 min；閃鍍金：亞硫酸鹽鍍金體系，Dk0.5～1.0 A/dm2，時間30～60 s；鍍金：亞硫酸鹽鍍金體系，Dk0.1～0.4 A/dm2，鍍液溫度40～60 ℃，采用脈沖恒流電源，占空比1∶9,頻率1 000 Hz，時間30～40 min。

滾筒規(guī)格為φ70 mm×100 mm，網孔直徑0.6 mm，孔均勻分散在整個筒體上，轉速和前后振動頻率可控，前后振動幅度為60°，滾筒振動示意如圖1所示。

圖1 滾筒振動示意

1.3 性能表征

1.3.1 外觀、粗糙度和光澤度

外觀在自然光下目視檢測和采用OLYMPUS超景深顯微鏡200倍檢測。采用TESA RUGOSURF 90G粗糙度儀測量鍍層表面粗糙度，λc=0.8 mm，測量速率5 mm/s。采用3nh YG60 60°高精度光澤度計檢測鍍金層表面光澤度。

1.3.2 致密性

采用SU8010掃描電子顯微鏡觀察金層的表面形貌，采用X - Pert PRO粉末衍射儀檢測鍍金層的粒徑。參考SJ 1280-77“金屬鍍層孔隙率的檢驗方法”中貼紙法進行金層孔隙檢測，針對可伐基材所用檢驗溶液為10 g/L鐵氰化鉀和20 g/L氯化鈉。通過金層表面形貌、粒徑大小和孔隙分布判斷其致密性。

1.3.3 厚度

采用FISCHERSCOPE - X - RAY XDLM測厚儀，選用Au - Ni/Fe - Co - Ni程序進行鍍金層厚度檢測。

2 結果與討論

2.1 工藝參數對鍍層質量的影響

2.1.1 金含量

控制裝載量為1/3滾筒體積，滾筒轉速20 r/min，電流密度0.3 A/dm2，振動頻率1次/5 min，在不同金含量鍍金溶液狀態(tài)下制備鍍金層并觀察其外觀。從試驗結果可知，不同金含量下所得鍍層的光亮度有一定差別，當金含量低于10 g/L時，鍍金層光澤不均勻，邊緣的光澤與中心部位有明顯區(qū)別。這主要是因為在鍍覆過程中，滾筒內溶液中的金離子含量及其他成分不斷下降，而滾筒外的溶液又不能及時補充，因此溶液的電阻率增大，電流在陰極表面的分布變得不均勻，溶液的分散能力下降。當金含量在10～20 g/L范圍內變化時,滾筒內金離子含量能夠得到有效地補充。所制備的鍍金層外觀呈光亮金黃色，光澤無明顯區(qū)別。

因此，適宜的金含量工藝范圍為10～20 g/L，為減少鍍液帶出造成金的損失，推薦的金含量為10 g/L。

2.1.2 裝載量

控制金含量10 g/L，滾筒轉速20 r/min，電流密度0.3 A/dm2，振動頻率1次/5 min，在不同裝載量下制備鍍金層。結果顯示，裝載量低于1/6滾筒體積時，會因載板無法與導電棒充分接觸，導致不能正常導電，造成鍍金層外觀呈亞光，不能滿足正常焊接，甚至出現無法正常沉積的情況；裝載量高于1/3滾筒體積時，會導致鍍金載板表面出現滾筒網孔印子，甚至粘連，鍍層均勻性也會隨零件的增加而變差。這是由于裝載過多，零件無法充分翻滾散開，部分載板長時間貼于滾筒壁上，同時施鍍過程滾筒內金含量消耗較大無法及時得到補充。

因此，適宜的裝載量為1/6～1/3滾筒體積，為了提高制備效率，推薦的裝載量為1/3滾筒體積。

2.1.3 電流密度

控制金含量10 g/L，裝載量1/3滾筒體積，滾筒轉速20 r/min，振動頻率1次/5 min，在不同電流密度下制備鍍金層。結果顯示，電流密度為0.1～0.4 A/dm2范圍內均可進行施鍍，所得鍍金層外觀均勻，光澤度和沉積速率無明顯區(qū)別，均勻性隨電流密度增大略有變差。電流密度小于0.1 A/dm2時，沉積速率太慢；電流密度大于0.4 A/dm2時會使鍍金層發(fā)紅。因此，適宜的電流密度范圍為0.1～0.4 A/dm2，為了控制鍍層均勻性，推薦的電流密度為0.3 A/dm2。

2.1.4 滾桶轉速

控制金含量10 g/L，裝載量1/3滾筒體積，電流密度0.3 A/dm2，振動頻率1次/5 min，在不同滾筒轉速下制備鍍金層。結果顯示，滾筒轉速低于15 r/min時，載板粘連在一起的概率明顯提高，且鍍層的均勻性明顯較差，允許的裝載量減少50%；轉速在15～20 r/min變化時，所制備鍍金層質量滿足使用要求，但鍍層的光澤度、均勻性仍略有差別，轉速越高鍍層的光澤度和均勻性越好；轉速高于20 r/min時，鍍層的光澤度、均勻性略有下降，這是因為轉速過高影響了零件翻轉，并且，轉速過高，零件碰傷的風險增加。因此，適宜的滾筒轉速范圍為15～20 r/min，推薦的滾筒轉速為20 r/min。

2.1.5 振動頻率

控制金含量10 g/L，滾筒轉速20 r/min，電流密度0.3 A/dm2，控制裝載量1/3滾筒體積(約400件試樣)，在不同振動頻率下制備鍍金層。結果顯示：無振動時，部分載板鍍金層表面出現滾筒網孔印子，部分載板鍍金層表面局部出現光澤不一致色差，部分載板粘連在一起導致無鍍層；振動頻率1次/2 min時，鍍層表面無明顯質量問題，厚度均勻性最好；振動頻率1次/5 min時，鍍層表面無明顯質量問題，厚度均勻性優(yōu)于掛鍍所制備的鍍金層；振動頻率1次/10 min時，部分載板鍍金層表面出現滾筒網孔印子導致的色差。

由此可知，振動可以明顯增加零件機械翻轉力，避免載板之間和載板與滾筒壁粘連，縮短了零件翻轉周期，保證了電鍍電流連續(xù)可靠和滾筒內溶液得到充分交換，提高了鍍層的均勻性。其他鍍覆條件保持不變，無振動作用，經多次試驗，逐步減少裝載量至320件上限值時，未出現載板粘連、滾筒網孔印子和局部色差等缺陷。可見振動頻率為1次/(2～5) min的振動作用相比無振動時可提升裝載量約20%以上。為設備運行穩(wěn)定和降低過多振動產生的零件碰、劃傷風險，推薦的振動頻率為1次/5 min。

綜上，針對小尺寸載板類零件，亞硫酸鹽無氰滾振鍍金工藝的適宜工藝條件范圍為：金含量10～20 g/L，裝載量1/6～1/3滾筒體積，滾筒轉速15～20 r/min，電流密度0.1～0.4 A/dm2，振動頻率1次/5 min。推薦的工藝條件為：金含量10 g/L，裝載量1/3滾筒體積，滾筒轉速20 r/min，電流密度0.3 A/dm2，振動頻率1次/5 min。

2.2 性能對比

在推薦工藝條件下，采用滾振鍍工藝制備鍍金層；控制下槽量、溶液狀態(tài)、電流密度和施鍍時間與滾振鍍工藝一致，采用掛鍍工藝制備鍍金層。對比滾振鍍與掛鍍制備的鍍金層質量。

2.2.1 外觀、光澤度和粗糙度

在自然光線下目視觀察滾振鍍工藝制備的可伐鍍金載板，外觀呈光亮均勻金黃色，無明顯色差，與掛鍍制備的可伐鍍金載板相比，外觀無目視可見區(qū)別。將掛鍍和滾振鍍金載板放大200倍觀察，也無明顯可見區(qū)別，如圖2所示。

圖2 鍍金載板放大200倍的形貌

鍍金層的光澤度與工藝參數、鍍層厚度有一定關系,在推薦工藝條件下，滾振鍍與掛鍍所制備的相同厚度鍍金層的光澤度無明顯差別，光澤度均約為190°。

隨機取載板平面5處進行粗糙度檢測，結果見表1。從表1可知，掛鍍和滾振鍍金層的表面粗糙度無明顯差別，與基材相比有所增加。這是由于基材鍍金前經過酸洗處理，酸洗會對基材產生一定腐蝕，使基材表面粗化。掛鍍和滾振鍍金層表面粗糙度無明顯差別，說明滾鍍過程中載板之間的磨擦不會造成明顯碰劃傷。

表1 粗糙度檢測結果

2.2.2 致密性

(1)表面形貌檢測 圖3為掛鍍和滾振鍍鍍金層掃描電子顯微鏡20 000倍下的表面形貌。從圖3可以看出，掛鍍鍍層表面有一些明顯的微裂紋，而滾振鍍鍍層表面更加平整。

圖3 鍍金層的表面SEM形貌

(2)粒徑檢測 圖4為鍍金層表面XRD譜，采用Jade軟件對XRD譜進行分析，測算出鍍金層晶粒粒徑結果見表2。從表2可以看出，掛鍍鍍金層晶粒晶間距d為0.117～0.233 nm，粒徑D分布為34.1～64.2 nm；滾振鍍鍍金層晶粒晶間距d為0.117～0.234 nm，晶粒粒徑D分布為36.9～60.1 nm，相對更小些，且不同晶面的粒徑大小相對接近?？梢?，滾振鍍鍍金層更致密。

表2 鍍金層粒徑測算結果

圖4 鍍金層表面XRD譜

(3)孔隙 通過對掛鍍和滾振鍍鍍金載板的孔隙檢測，發(fā)現2種工藝所制備的鍍金試樣表面邊緣均出現了1～2處較淺綠色斑點， 無法明顯對比出孔隙的差別。但在檢測過程中可以觀察到，掛鍍鍍金試樣出現綠色斑點更快和明顯，說明其孔隙率相對要高一些。

綜上分析，可以看出滾振鍍鍍金層的致密性要略優(yōu)于掛鍍鍍金層的。這是因為掛鍍時不可避免的會出現電流分布不均，從而導致每件載板的實際施鍍電流密度不一致，所選掛鍍檢測試樣的實際施鍍電流密度小于0.3 A/dm2。滾桶的轉動和振動作用使每件載板施鍍時實際施鍍電流密度與設置值無較大差別，均約為0.3 A/dm2。較大的電流密度使陰極電化學極化增大，因而滾振鍍鍍金層結晶更致密。

2.2.3 厚度均勻性

隨機抽取5件試樣，均勻取金層表面9處(a～i)位置進行厚度檢測，結果見表3和表4，以標準偏差S來表征鍍層均勻性。

表3 掛鍍工藝制備的鍍金層厚度分布

表4 滾振工藝制備的鍍金層厚度分布

計算結果顯示，掛鍍工藝制備的5件試樣的厚度標準偏差分別為0.51，2.06，0.66，0.75，1.12 μm，5件試樣的厚度平均值的標準偏差S為1.11 μm；滾振工藝制備的5件試樣的厚度標準偏差分別為0.42，0.52，0.37，0.51，0.42 μm，5件試樣的的厚度平均值的標準偏差S為0.37 μm?？梢?相比掛鍍，滾振鍍制備的鍍金層，單件試樣上鍍層厚度均勻性平均提高2倍以上， 5件試樣之間的鍍層厚度均勻性提高3倍。

3 結 論

通過研究滾振鍍工藝不同因素對鍍金層質量的影響，得到適宜的工藝條件為：金含量10～20 g/L，裝載量1/6～1/3滾筒體積，滾筒轉速15～20 r/min，電流密度0.1～0.4 A/dm2，振動1次/5 min。推薦的工藝條件為：金含量10 g/L，裝載量1/3滾筒體積，滾筒轉速20 r/min，電流密度0.3 A/dm2，振動1次/5 min。通過對比滾振鍍和掛鍍鍍金層性能發(fā)現，與掛鍍金層相比，滾振鍍金層的致密性有所改善，厚度均勻性提高2～3倍，外觀、粗糙度、光澤度無明顯區(qū)別。