酸洗工艺对铝合金镀银质量的影响

李宝增， 张颖杰， 刘 畅， 王战辉， 张柳丽

(1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001;2.河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001)

引 言

高压开关大量使用铝合金作为导电部件。为了提高开关的安全性能，在零部件接触部位一般都采用镀银处理，镀银层的质量对于高压开关件的性能至关重要。由于材质不合格或前级加工遗留问题，镀银层经常发生质量不合格的现象，如气泡、起皮，致使镀银层与基材的结合力相当差，在接通与断开电流时，接通部位接触电阻较大，引起发热过多，温升过高，影响了开关的安全运行。由于镀银层结合力不良而造成零部件报废，给企业造成了巨大的经济损失。随着人们环保意识的提高，传统的铝合金电镀前高污染、高挥发的酸洗处理工艺受到社会的密切关注，开发了含氢氟酸的前处理工艺取代原酸洗工艺，取得了一定成绩，并开始应用于个别牌号基材种类且体积较小的零部件上。但对众多牌号的铝合金及较大的零部件，仍存在局限性［1］。为了提高铝合金镀银层的结合力，减少企业经济损失，进一步研发出新型前处理酸洗工艺，扩展到6XXX系列铝合金，都获得了极佳的酸洗效果。实验为提高镀银工艺水平提供借鉴。

1 铝合金前处理酸洗溶液配置

铝合金件镀银层起皮绝大多数为前处理不良，前处理不良的原因可以归纳为以下几种类型。

1)成分偏析。在热处理过程中，合金化元素会造成成分偏析，局部合金化元素或杂质会较多。如高硅铝合金容易存在元素硅的偏析，在酸洗时采用单一的高硅铝合金的酸洗方式(含氢氟酸的酸洗液)，或一般低硅铝合金采用的无机酸酸洗方式效果都不合适。

2)机加工缺陷。如6XXX系列的锻造铝合金，锻造成型过程中受到模具限制，沿着受力方向的部位会有一定的残余应力存在，如果没有配合合理的热处理方式，铝合金中的残余应力会影响到酸洗效果，酸洗处理时铝合金表面颜色不一致是最明显的特征，在后续镀银时将会由于应力释放而造成镀银层出现气泡和起皮现象。

3)渗入基体的有机冷却液。如轧制成型的零部件，前级加工过程中，如果采用有机冷却液，冷却液一旦渗入合金内部，或者零部件比较复杂，常规的无机酸酸洗，极难除去有机分子，残留的有机冷却液在镀银时影响到镀银层的质量［2］。另外针对一些铝合金所含的难溶元素，如部分高铜含量的2XXX系列铝合金，部分富镁、富锌含量的5XXX系列铝合金，部分富锌含量的7XXX铝合金，都需添加一定含量的针对性酸洗溶液成分。

综上所述，结合目前国内外提出的环保电镀与清洁生产的要求，本文开发一种新型前处理酸洗工艺，酸洗溶液有效成分包括碳酸盐、柠檬酸等。碳酸盐的作用是缓蚀，保护铝合金基材;柠檬酸的作用是降低溶液硬度，去除铝合金表面氧化皮，辅助去除油污;去污剂的作用是去除油污;光亮剂的作用是提高铝合金酸洗后的表面质量。复合助剂中，螯合剂(EDTA四钠)与金属离子螯合，去除金属离子;剥离剂、乳化剂和活性剂的作用是去除油污;分散剂的作用是提高溶液的分散均匀度，使结构复杂的零部件也能达到良好的除油污效果;缓释剂的作用是缓释，保护铝合金基材。本发明的铝合金酸洗剂，采用碳酸盐、柠檬酸、去污剂、复合助剂、光亮剂与水进行复配，保证酸洗彻底去除铝合金表面油污、金属离子和氧化皮。该溶液无色无味，不挥发，可以改善生产车间的环境质量，提高镀银层质量与一次镀银合格率。

2 实验设备及材料

2.1 实验材料

实验基材首先选择了存在成分偏析，前级加工过程中采用有机溶液做冷却液的锻铝合金6063零部件。然后扩大到1XXX、2XXX、5XXX与7XXX系列铝合金。

新型前处理溶液组成为:去除氧化皮0.5%NaNO3，去污剂 0.55%NaOH，0.55% 柠檬酸，0.1%乳化剂EDTA四钠，剥离剂0.1%硬脂酸三乙醇胺酯季铵盐，分散剂0.2%十二烷基硫酸钠，光亮剂0.2%聚乙二醇400，余量为水。

镀银电解液配方，37～46g/L氰化银，123～156g/L氰化钾，20g/L碳酸钾，20ml/L光泽剂(含金属元素锑)。θ为20～35℃。

2.2 实验方法

采用三种前处理工艺对铝合金零部件进行酸洗，具体工艺如表1。

表1 实验采用的三种工艺

整个实验过程采用佳能DS126231型号相机。拍摄外观效果。零部件表面成分分析采用尼通Niton-XL3t 980型手持式光谱分析仪进行，在零部件表面正常区域与缺陷区域各取3点，最后取平均值。镀银结合力根据国标GB12307.2-1990采用101-2A型鼓风干燥箱，在(190±5)℃加热2 h，观察镀银层起泡状况，起泡多则为结合力差，不起泡为优。

3 实验结果

3.1 传统酸洗后镀银工艺

材质为6063铝合金支座类零件，在生产线上酸洗后，整个零件表面出现严重的圆斑，且每一件零件沿着支座的侧面两个部位酸洗后呈现黑色。反复酸洗，无法清除干净，晶粒明显可见，异常粗大，达到了厘米级，且零部件黑色位置表面有挂灰现象。镀银后沿着黑色部位结合力极差，镀银层搁置一段时间首先出现了气泡，随着时间延长，镀银层就会起皮，如图1所示。说明用原酸洗工艺无法将零件酸洗干净，原因是由于锻造过程中产生的应力造成了晶界极易被腐蚀出来，应力的逐步释放引起镀银层与基体的结合界面处晶粒进行调整，最终使得镀银层与基体产生分离现象，镀银层气泡。

图1 传统酸洗与镀银层表面照片

3.2 高氢氟酸溶液酸洗后镀银工艺

实验采用了高氢氟酸含量的酸洗方式，氢氟酸质量分数达到了10%。在生产线上酸洗后，观察零件表面，在前者发黑部位没有出现发黑与挂灰现象。说明采用氢氟酸溶液酸洗后对于黑色部位酸洗起到了一定的作用。镀银后，没有气泡和起皮现象发生。进行结合力测试，镀银层产生了大量较小的气泡，如图2所示。

图2 高氢氟酸的酸洗与镀银层表面照片

3.3 新型前处理后镀银工艺

首先对铝合金零部件进行适当的热处理，具体方式为190℃加热2h。

新型前处理工艺酸洗流程的效果如图3。铝合金酸洗之后，表面在正常的镀银工艺中呈现发黑的部位，晶粒仍旧明显可见，但在整个零部件表面没有挂灰现象，如图3(a)。在随后的浸锌过程如图3(b)、预镀铜如图3(c)、预镀银如图3(d)，烘干如图3(e～f)，镀银层状况良好，镀银层没有气泡与起皮现象。镀银过程跟踪统计结果如表2。

图3 新型前处理酸洗后镀银层外观照片

表2 检测内容及依据

新型前处理酸洗工艺分析。1)油污酸洗。铝合金零部件表面的油污主要有动物油、植物油和矿物油。去除这些油污主要通过乳化剂、分散剂与柠檬酸的润湿、乳化和分散作用来实现。首先乳化剂、分散剂与柠檬酸能迅速溶解油污，并穿透油污到达金属表面与油污的交界面定向吸附使油污松动、乳化、分散，在分子热运动和机械力作用下，将油污拉入酸洗液中，从而脱离金属表面。2)三氧化二铝金属氧化皮酸洗。溶液中的柠檬酸与硝酸盐很容易与之反应，生成可溶性盐，从金属表面除去。3)偏析元素硅的酸洗。在乳化剂、分散剂与柠檬酸的共同作用下，从金属表面脱落下来。

为了进一步找到零部件气泡、起皮的原因，实验从零部件上选择黑色条带范围与一般位置分别取三个点，采用尼通手持式金属分析仪进行测试，结果如表3所示。在黑色部位，硅含量过高;而一般的部位则是接近正常铝材6063。因为高硅铝合金与低硅合金的镀银前处理方式不同，所以采用一般的酸洗前处理方式无法完全酸洗干净，而采用新型前处理工艺，综合考虑基体材料可能存在的成分偏析，实现对铝合金的彻底酸洗。

表3 铝合金不同位置成分测定(%)

新型前处理工艺经过 1XXX、2XXX、5XXX、6XXX和7XXX铝合金酸洗实验，均提高了镀银前处理的质量，保证了镀银层结合力，满足使用要求，可以在大批量生产中使用。

4 结论

1)铝合金电镀前新型前处理溶液成分为:0.5%NaNO3，0.55%NaOH，0.55% 柠檬酸，乳化剂0.1%EDTA四钠，剥离剂0.1%硬脂酸三乙醇胺酯季铵盐，分散剂0.2%十二烷基硫酸钠，光亮剂0.2%聚乙二醇400，余量为水。具体工艺流程为:热处理→水洗→新酸洗工艺→水洗，可以满足1XXX、2XXX、5XXX、6XXX 和7XXX 铝合金镀银前处理要求，是一种极具前途的新型酸洗工艺。

2)新型前处理溶液无色无味，不挥发，可以改善生产车间的环境质量，符合电镀生产的环保趋势。此工艺适用铝合金零部件的前级加工方式范围广，不同的热处理方式，不同的机加工方式及比较复杂零部件电镀前处理的技术要求。

［1］ 张跃庭，王永.铝合金环保型前处理工艺研究与应用［J］.现代商贸工业，2013，(18):191-192.

［2］ 罗耀宗.提高铝合金电镀结合力的探讨［J］.电镀与精饰，2003，23(31):11-12.