飞机铝基零件镀层结合力影响因素分析

2018-09-10郑勇宏

航空维修与工程 2018年8期

郑勇宏

摘要：铝及铝合金性质活泼，需经过特殊的前处理才能进行电镀，铝合金电镀效果取决于前处理准备的细致程度。对铝及合金前处理过程中容易出现质量问题的原因进行了分析，提出了去除氧化膜和防止氧化膜再次生成的解决方法，对关键工序控制因素进行了分析。

关键词：铝基体;镀层结合力;前处理

0引言

某型飞机上有大量铝及铝合金零件，为防止该类零件在腐蚀气候环境下使用时发生腐蚀，一些零件需要用电镀手段镀覆一层防腐层，另有一些电器零件需要镀锡和化学镀镍。

铝及铝合金材料属于两性金属，化学性质比较活泼，既能与酸发生反应，又能与碱发生反应，在电镀时存在许多困难，主要表现为镀层起皮、鼓泡，导致镀层与基体金属结合力差。造成这些故障的主要原因如下。

1）铝是一种化学性质非常活泼的金属，与氧的亲和力较强。在自然条件下，表面极易生成一层薄而致密的氧化膜，甚至刚刚除过氧化膜的表面又会迅速生成新的氧化膜，从而严重削弱了镀层与铝基体的结合力。

2）铝的标准电极电位为1.67V，很容易失去电子。当铝基零件浸入电解液中，立即就会与电位较高的金属离子发生置换反应，在铝基零件表面产生疏松的接触沉积。

3）铝是典型的两性金属，能和大多数酸作用生成铝盐并放出氢气，与碱作用生成偏铝酸盐并放出氢气，没有适于直接电镀的电解液。

4）铝基零件与镀层之间常有氢气吸藏，造成镀层鼓泡。

5）铝的膨胀系数与许多金属镀层相差很大（铝为24×10^-6，铬为7×10^-6），容易引起内应力，影响镀层金属与铝基体的结合力。特别是当环境温度发生变化时，铝基体与镀层金属同时膨胀，造成镀层鼓泡、裂纹。

因此，铝基零件电镀的关键是需要特殊的镀前处理，目的在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次生成，以及当铝基金属零件浸入电镀液时阻止置换反应的深度发生。

1镀前处理工艺流程

一般采取的工艺流程为：将铝基金屬零件经有机溶剂脱脂、碱浸蚀、酸洗活化等过程后，采用二次浸锌工艺等建立电镀中间层，以保证获得较好的电镀层。具体的工艺流程是：除油→水洗→碱蚀→水洗→酸洗活化→水洗→浸锌→水洗→电镀。

2前处理影响因素

铝基零件和镀层金属的结合需要满足三个条件：一是完全无氧化膜的清洁表面;二是与铝基体直接接触的底层金属的电位要与铝的电位接近;三是如果形成合金则要有较高的固溶度，以利于镀层在原沉积层上延伸。因此，在前处理工艺中控制各工序特性是提高铝基零件镀层结合力的重要途径。

2.1碱腐蚀

碱腐蚀的目的是进一步去除铝基零件的自然氧化膜并粗糙表面，进而暴露金属结晶组织，提高镀层结合力。铝基零件在碱腐蚀过程中，基体表面的氧化膜首先被溶解，之后基体与碱作用生成偏铝酸盐并放出氢气。

Al₂O₃+2NaOH→2NaAlO₂+2H₂O

2Al+2NaOH⁺→2NaAlO₂+3H₂↑

铝基零件碱腐蚀处理实际上是化学腐蚀的过程，因此零件在进行碱腐蚀时一定要掌握时间，控制相应的温度。若温度过高、时间过长，基体组织去除较多，容易引起零件过腐蚀或尺寸超差。温度与腐蚀时间的关系在前处理工序中尤为重要。

碱腐蚀后的铝基零件应及时用40℃～50℃的流动热水清洗，流动热水是为避免水中碱性过强造成二次腐蚀，之后再用流动冷水清洗。

2.2浸酸活化

铝基零件经过碱腐蚀处理后，铝合金中的金属或非金属元素如Fe、Mn、Cu、Mg、Si等不溶于碱，形成一层黑褐色膜残留在零件表面，俗称“挂灰”，这些“挂灰”影响基体与镀层的结合力，必须在酸性溶液中经活化处理除去，从而使零件表面显露出金属结晶结构。

只有选择适合不同铝合金成分的活化处理工艺，才能真正达到活化基体和提高结合力的目的。如果活化处理得当，铝基零件上的镀层经200℃和3h耐热试验后也不会剥离和起泡。因此，要根据铝基零件的材料成分、表面状态的不同，选择合适的活化处理工艺。对纯铝和含铜铝合金的零件常采用比例为1：1的硝酸和水的溶液（体积比）进行浸蚀活化处理;硬铝零件用1：1硝酸和硫酸的混合溶液（体积比）;含硅10%以下的硅铝合金，用3：1硝酸和氢氟酸的混合溶液（体积比）;对含硅大于10的高硅铝合金则在1：1硝酸和氢氟酸的混合溶液（体积比）中进行活化处理。经过酸洗活化处理后，铝基零件表面必须均匀、光洁、湿润并呈灰白色，才能保证镀层结合力良好。

2.3浸锌

经过前两道工序处理后的铝基零件在锌酸盐中化学浸锌，在有效地除去表面氧化膜的同时，零件表面的金属铝与溶液中含络合物（Zn（OH）₄）^2-中的锌离子发生置换反应，生成一层薄而平整、细致均匀的浸锌层，从而防止铝基体氧化膜的再次生成，使铝基体的表面电位向正方向移动，从而使基体获得结合良好的镀层。

实际上，铝基零件在锌酸盐溶液中处理的过程是一个电化学过程。

在阳极，铝被溶解：

A1+30H→Al（OH）₃+3e

Al（OH）₃

AlO²+H₂O+H⁺

在阴极，锌被析出：

（Zn（OH）₄）^2-

Zn²⁺+4OH^-

Zn²⁺+2e→Zn

由于在强碱溶液中氢离子的含量非常低，且锌的电位非常高，所以反应过程中没有明显的氢析出。

锌酸盐的浓度对获得的接触锌的结构和结构强度有很大影响。实验证明，锌酸盐含量低时，锌层结晶粗糙，结合力差;提高锌酸盐含量后，锌层细致、紧密，镀层结合牢固。在锌酸盐含量不变时，游离氢氧化钠含量越高，被置换出来的锌层越薄，这是因为提高了氢氧化钠的含量，相应地提高了（Zn（OH）₄）^2-的稳定性，使锌的电位更接近铝的电位，锌从碱性溶液中的置换过程很快就会停止。

铝基零件进行锌酸盐处理时，锌的厚度只在开始很短的时间内以一定的速度增加，达到一定值后随着时间增加但锌层厚度的增加不再明显，如果浸渍时间超过3min，甚至会使锌层与基体的结合力变差。

在鋅酸盐中添加少量的三氯化铁和酒石酸钾钠，可以改善锌层结构，提高铝和铝合金电镀后的耐蚀能力。这是由于在强碱溶液中，酒石酸钾钠能够与铁生成络合物，当铝基零件浸入溶液后，铁与铝同时发生置换反应，形成与基体紧密结合的锌铁合金层，以此代替纯锌，减少了镀层起泡、脱落现象，可以进一步改善浸锌层的结合力。

为提高浸锌层的结合力，改善镀层质量，铝基零件锌酸盐处理在工艺上大都采用两次浸锌。第一次浸锌难免有氧化膜残留，浸锌层结合力不好，因此在第一次浸锌后用1：1的硝酸和水溶液退除（体积比），经水洗后进行第二次浸锌，这样能得到薄而致密、晶粒细致的锌置换层，从而保证良好的结合力。不过，第二次浸锌的时间不宜过长，以防止出现零件过腐蚀现象。

2.4夹具等的影响

浸锌挂具一般由镀镍的钢或铜制成，不能用铜及铜合金挂具，是为了防止铜与铝基零件接触发生置换反应而出现鼓泡、起皮等结合力不良现象。前处理有多道工序时，宜用铝丝吊挂零件，便于各工序间的快速操作和清洗。装挂夹具时，除装挂点外，不允许碰撞零件浸锌层，否则应重新进行浸锌。

浸锌溶液可以用碳钢槽、不锈钢槽盛装，但在操作时，零件不允许与槽壁接触，这是因为铝基体可能会成为阳极而影响锌的沉积。

2.5在浸锌层上电镀

浸锌层很薄，镀其他金属时必须选择适合的电镀工艺，如镀镉、镀铜、镀锡、化学镀等。以飞机电器零件化学镀镍为例，浸锌后闪镀一层氰化铜，任何镀层或多层电镀都可以在铜上镀覆，电镀时先用2.6A/dm²冲击镀1～2min，再降至1.3A/dm²镀2～3mm。之后，再进行化学镀镍，化学镀镍不仅防腐性能优良，而且具有可焊性（适用于电阻焊）、导电性好。

3主要工序注意事项

铝基零件属于特种电镀工艺，电镀的效果主要取决于镀前准备的细致程度，要点在于除去天然氧化膜并防止氧化膜的再次形成。操作中应注意以下几点。

1）零件经浸酸活化处理后，各道工序必须迅速进行，工序间的间隔时间越短越好。活化处理后的零件应在流动水中除去表面残留的溶液，尤其是盲孔死角，否则影响浸锌层的质量。同样，浸锌后也必须进行彻底清洗。

2）第二次浸锌时间不宜过长，应控制在工艺规定的范围内，以防止造成零件过腐蚀现象的发生。浸锌后的零件表面应呈青灰色，有一层微光泽、色泽均匀一致的薄而致密的锌膜，如出现斑点或光泽不均，或浸锌层被碰伤时，都必须在酸溶液中除去后重新进行前处理，直至色泽符合要求。

3）为了避免各种溶液互相渗杂，冷、热水清洗必须彻底，尤其要注意重金属离子不得混入电镀槽中。

4）在热的电解液中电镀时，铝基零件应在干净的热水槽中预热。预热时间不能过长，以防止锌层氧化而影响镀层结合力。

5）由于锌的电位很低，在普通电镀槽液中会发生强烈的置换反应，严重影响镀层结合力，因此，浸锌后的铝基零件必须带电下槽进行快速闪镀，用大电流冲击1～2min后，再转为正常电镀，使其表面有一层镀层，以免浸锌层氧化或产生置换层。

6）经闪镀后，浸锌层虽被覆盖，但镀层仍然很薄，电镀溶液仍能通过闪镀层孔隙致锌层腐蚀。因此，闪镀后镀覆其他金属仍需要带电下槽。

4结论

1）铝基零件电镀前需经过特殊的预处理才能获得优良镀层。

2）前处理工序中碱腐蚀、浸酸活化、浸锌是影响镀层结合力的关键工序。

3）在锌酸盐中化学浸锌，能有效地除去零件表面氧化膜，同时从溶液中置换出一层薄而致密的金属锌，从而阻止氧化膜的再次发生。