盲孔及多沟壑类金属零件的镀前清洗技术研究

2022-05-06刘晓东宋新凯刘莹莹马骁飞

机电元件 2022年2期

刘晓东，宋新凯，刘莹莹，马骁飞

(郑州航天电子技术有限公司，河南郑州，450000)

1 引言

机电元器件是航天系统工程的重要组成部分，其质量与可靠性关系到型号、任务的成败，一个元器件失效甚至会导致整个航天系统工程的失败。镀层质量是直接影响元器件使用寿命与功能效应的直接因素，是决定元器件能否在恶劣环境中维持整机运作的关键。随着近年来国内对电连接器等元器件需求量的不断攀升，在生产供货紧张的高压态势下，镀层质量问题就逐渐凸显出来。基体表面镀前处理的好坏直接影响到镀层质量，尤其是盲孔类及多沟壑类零件容易沉积污垢，常规的镀前清洗无法去除。零件表面沟壑或孔内的干涸油膜、顽固干性污渍的清洗一直都是镀前处理的瓶颈。

2 现状

零件表面或沟壑处的干涸油膜，见图1、图2。如果不将其去除干净，与表面处理酸洗反应后，会在油膜处产生白色斑点或斑块，耐腐蚀性差的铜材料还会出现基体腐蚀坑，严重影响产品的外观质量，甚至会造成镀层结合力差脱落、镀层气泡的质量风险。

图1 平面上干涸油膜

图2 滚花沟隙内干涸油膜

目前，镀前处理有振动饰光、强酸酸洗、研磨等手段。

2.1 振动饰光

振动饰光工艺中的研磨剂溶于水，虽然历经多次换水浸泡，但在后续饰光工艺的沥干和烘干过程中，部分零件的沟槽缝隙处仍会不可避免出现研磨剂富集现象，这些富集的膜层很薄，导致膜层外观颜色与黄铜颜色一致，不易被识别。然而，在热处理工序高温处理后，残留的研磨剂会呈现黑色或紫红色现象，见图3所示。

图3 热处理后状态

2.2 强酸酸洗

强酸酸洗处理虽可去除零件表面污渍，但在污渍所在处会呈现出白斑状，与污渍的复杂成分反应还会产生腐蚀坑。且对硬度较高的金属零件，强酸酸洗会对弹性件会有氢脆风险，造成零件失效。

2.3 磁力研磨

磁力研磨是在研磨机中利用磁性引动钢针对壳体进行研磨，但是存在很大的局限性，(1)对于拉伸类铜壳体，材料较软，钢针刮碰极易在壳体表面留下麻点，在镀金后会异常显眼，影响外观质量；(2)对于有拐角、勾缝的壳体，钢针无法触及尖角部位(钢针直径为0.3mm)，而恰恰是拐角、勾缝容易存积顽固油污，见图4。

图4 磁力研磨去除油污示意图

3 解决方案

3.1 采用新型清洗溶剂

零件盲孔内或沟壑处的干涸油膜，基本上是由油分子、水、灰尘等混合而成，当其干涸凝固后，性能接近塑料薄膜，很难溶于单纯的酸或碱；一般情况下，油为非极性物质、水分子及灰尘为极性物质，这些物质混合干涸后，会形成不易溶于水也不易溶于油的复杂的混合物。经调研，碳氢清洗剂与干涸油膜的分子极性相近，根据相似相溶的原则，干涸油膜可以溶解在碳氢清洗剂中。

利用现有的某种碳氢有机溶剂及自来水混合进行验证，配比质量比：清洗剂：自来水=1:10，由于碳氢类清洗剂闪点为50℃～70℃，因此将浸泡设定为温度：45℃，每隔1～2小时观察浸泡效果，期间每间隔24h更换一次溶液，当浸泡大约48小时的时候发现零件表面有表层发黑的现象。经分析原因，自来水中会一般含有cl离子，长时间的浸泡可能会对金属表层元素造成一定的腐蚀，导致零件表层发黑。

考虑到现有研磨剂中含有抗蚀剂，又有增光增亮的作用，在上述配比中加入了研磨剂继续进行试验，配比比例(质量比)：清洗剂：研磨剂：自来水=2:2:50，浸泡时间12小时后，发现壳体表面油膜颜色变淡，用牙签可将其拨动，说明已充分软化，随后上振动饰光机上正常振动1小时，清洗后效果如图5所示。

图5 平面上油膜去除后效果

3.2 多沟壑类零件干涸油膜的清洗方案

平面上干涸油膜改进后效果显著，但有沟槽的零件还是有部分油膜无法去除，经分析软化后油膜振动清洗后，缝隙较大的部分会被涮洗出去，但缝隙较小部分还可能留在基体上，如图6：

图6 沟壑底部油膜无法清洗干净示意图

针对上述问题，我们再次采用清洗剂、研磨剂、自来水混合物进行浸泡软化，然后清水涮洗后进行负压清洗，其原理如图7所示

图7 示意图

经浸泡软化后，油膜内部会进入大量空气，形成无数气孔，在负压环境中，清洗剂会挤入气孔及间隙内，并在其中内不断膨胀，最后发生“爆破”反应，将软化后的油膜从基体表面“炸开”，从而实现完全剥离，清洗效果如下图8所示。

清洗前状态清洗后状态

3.3 细长盲孔内干涸油膜的清洗方案

但是，针对插孔类接触体细小盲孔、细孔等部位，采用新的清洗溶剂和负压清洗方式仍出现清洗不彻底的情况，见图9.为了解决问题我们已经采取了多种措施，如增加工序之间衔接时的清洗次数，改变清洗时温度，增加清洗时间等，但实施效果均不理想，孔径不同的零件效果时好时坏，不能保证批次清洗的一致性和稳定性。

图9 细长盲孔负压清洗后孔内情况

为了探究问题的原因，我们进行了各孔径零件在超声波清洗时的仿真试验。即在一块透明的塑料板的4个方向分别打了φ0.5、φ1、φ1.5、φ2、φ2.5、φ3，深为15mm的孔(见图10),将样件放入透明水槽中，观察四个方向孔里面液体进入情况，如图11所示。

图10 试验样品

图11 大气压下试验情况

通过试验可以看出口朝上的孔内虽然有水进入，但孔内部都会有大小不一的气泡，孔越小，气泡就越大。由此可以看出，孔越小，气压将水推入孔内时，孔内的空气越不容易排出，气泡就越大；左右两端横向的孔无论孔直径大小，水都是进入到孔口3mm附近；向下的孔内目测没有水进入。由此可以得出插孔类接触体为什么无论怎么增加清洗次数、温度、时间都无法清洗彻底，插孔在清洗孔口朝向直接影响到清洗剂是否可以进入到孔内，而大多数插孔在清洗时都是水平放置，效果类似左右两端样孔，虽然超声波作用有助于孔内空气排出，但无法保证孔底清洗质量，存在不确定性。

为验证将空气排出使水从四个方向完全灌入样板孔内，我们把水槽放入真空试验箱内，放入样品后，将大气压降到-0.1MPa,验证结果如图12所示。

图12 负压下试验情况

我们可以看到，向上的孔气泡完全排出，其他三个方向的孔内仅残留大约1/10体积的气泡，在超声波的作用下，可将其排出。同时在负压环境内清洗液里面富含的空气被脱气，超声波的冲击波不会被富含在清洗液中的空气所吸收，超声波的清洗力度更强。正常大气压的超声波清洗和负压中的超声波对比，负压条件下的超声波的清洗力提高约5倍。

采用新型清洗剂、超声波、负压等联合方式清洗细长盲孔内的干涸油膜，经试验验证，盲孔内的干涸油膜能够彻底清除干净，如图13。

选取投产量较大的一类插孔进行验证，将该批插孔分为10组，每组4000件，配比比例(质量比)：清洗剂：研磨剂：自来水按一定比例，温度设定为最低活性温度35℃，对清洗时间进行确认。