氨基磺酸鎳電鑄層產(chǎn)生針孔、麻點的原因分析及工藝改進

熊俊良 *，付明，張紅波

（1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471009）

在航空航天領域，精密異形零件的應用越來越多，其技術要求較高，往往無法通過常規(guī)的機械加工方法進行制造。采用電鑄工藝可經(jīng)濟地制造出許多精密的異形零件。

氨基磺酸鹽電鑄是電鑄生產(chǎn)中的常用工藝之一。但由于其溶液的導電性較差，電解反應時陽極容易出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，導致陽極不易均勻溶解；再加上氨基磺酸鹽電沉積對溶液潔凈度的要求較高，加工過程中工藝參數(shù)的控制也比較嚴格，這些因素如果控制不好，就很容易出現(xiàn)故障。相對而言，在鎳的電沉積工藝中，氨基磺酸鹽電鑄工藝比較復雜，產(chǎn)品出現(xiàn)針孔與麻點是常見故障之一。

因某精密異型零件特殊的工藝要求，需要采用純鎳材料進行加工，該零件形狀非常復雜，而且性能要求非常高，因此采用氨基磺酸鹽電鑄加工。根據(jù)產(chǎn)品特點選用一次性芯模進行電鑄，芯模材料為LY12 鋁合金[1]。在40 倍顯微鏡下對加工成型的零件進行檢驗，發(fā)現(xiàn)零件表面出現(xiàn)針孔、麻點等質(zhì)量缺陷，嚴重影響產(chǎn)品性能。

為找到產(chǎn)生故障的主要原因，對有可能造成故障的各種因素進行了一系列的對比試驗。

1 鋁芯模電鑄氨基磺酸鎳工藝

1.1 工藝流程

用尺寸為50 mm × 25 mm、厚度為1～2 mm 的鋁試片為基體材料，工藝流程為：清洗除油─混酸腐蝕─硝酸處理─一次浸鋅─退鋅─二次浸鋅─預鍍鎳─電鑄鎳。

1.2 配方與工藝

1.2.1 清洗除油

1.2.2 混酸腐蝕

1.2.3 硝酸處理

HNO3500 mL/L，時間0.5～1.0 min。

1.2.4 浸鋅

1.2.5 退鋅

HNO3500 mL/L，時間10～20 s。

1.2.6 預鍍鎳

1.2.7 電鑄鎳

2 產(chǎn)生針孔、麻點的因素分析

2.1 潤濕劑的影響

在1～2 A/dm2電流密度下對鋁試片電鑄75 min后，在40 倍顯微鏡下觀察試樣外觀并進行孔隙率測試。測試液由3.5 g/L 玫紅三羧酸銨和150 g/L NaCl組成。將浸有測試液的濾紙貼于經(jīng)施鍍的試片表面，保持10 min，試液滲入鍍層孔隙中會與鋁基體反應生成紅色斑點并在濾紙上顯示。濾紙有斑點為不合格(試片邊緣3 mm 內(nèi)的斑點及裝掛點不計)。

2.1.1 采用專用LB 潤濕劑

分別向槽液中加入3、7 和12 mL/L 上海永生助劑廠生產(chǎn)的LB 潤濕劑進行電鑄，所得鑄鎳鋁試片的外觀見圖1。結果表明，采用LB 潤濕劑時，試片的孔隙率測試均合格，表面均有麻坑存在。

圖1 LB 潤濕劑含量對試片外觀的影響Figure 1 Effect of LB wetting agent content on appearance of test piece

2.1.2 采用十二烷基硫酸鈉作潤濕劑

配制100.0 g/L 的十二烷基硫酸鈉(SDS)標準溶液，控制鍍槽SDS 含量為0.1、0.2 和0.3 g/L 進行電鑄，在40 倍顯微鏡下觀察試片表面狀態(tài)(圖2)，并進行孔隙率測試。

圖2 SDS 含量對試片外觀的影響Figure 2 Effect of SDS content on appearance of test piece

結果表明，采用SDS 作潤濕劑時，試片的孔隙率測試均合格，表面也均有麻坑存在。另外，SDS 含量高于0.2 g/L 時，槽液在攪拌狀態(tài)下產(chǎn)生大量泡沫，并溢出鍍槽。

綜上可知，潤濕劑不是導致故障件出現(xiàn)針孔、麻點的原因。

2.2 金屬離子雜質(zhì)的影響

通過赫爾槽試驗可以確定槽液中的金屬雜質(zhì)。在1 A 電流下對100 mm × 70 mm 的銅試片電鍍10 min，觀察鍍層外觀發(fā)現(xiàn)：

(1)除近端(高電流密度區(qū))外，可獲得合格鍍層的電流密度范圍較寬，在工藝要求的電流密度范圍內(nèi)可得到合格鍍層。

(2)試片上未發(fā)現(xiàn)由金屬離子雜質(zhì)引起的缺陷。

因此，采用1.2.7 節(jié)的工藝參數(shù)進行電鑄可獲得合格鍍層，該工藝參數(shù)合適，槽液中的金屬離子雜質(zhì)在允許的濃度范圍內(nèi)。

2.3 有機物雜質(zhì)的影響

往槽液中加入質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O23 mL/L，攪拌1 h 后靜置10 h，再加入活性炭4 g/L，加熱至50°C連續(xù)攪拌1 h，靜置24 h 后對槽液進行過濾，以除去可能存在的有機雜質(zhì)。將槽液成分調(diào)整至合格范圍后進行試鍍，發(fā)現(xiàn)所得試件仍有麻坑、針孔。

采用常規(guī)槽液凈化方法處理后，槽液中一般不再含有機雜質(zhì)，說明有機雜質(zhì)不是產(chǎn)生麻坑、針孔的主要原因。

2.4 pH 的影響

眾所周知，電鑄液的pH 對鎳沉積過程以及電鑄質(zhì)量影響較大。分別采用pH 為3.6、4.2 和5.8 的鍍液進行電鑄。結果表明，pH 為3.6 時，零件表面有明顯的針狀物質(zhì)存在；pH 為4.2 時，零件表面無缺陷；pH 為5.8 時，鍍層存在明顯的坑狀缺陷。由此可見，槽液pH與鍍層的上述缺陷有直接關聯(lián)。

2.5 槽液中固體顆粒的影響

把溶液分成2 份，其中一份不處理，另一份采用5 μm 的濾芯進行凈化處理，再進行對比試驗。結果表明，采用凈化處理的溶液電鑄時，所得試片沒有出現(xiàn)坑狀缺陷；未凈化的溶液電鑄所得零件表面有微觀坑狀缺陷。

綜上可知，造成故障件針孔、麻點缺陷的主要原因為槽液中存在固體顆粒和溶液pH 不在工藝范圍內(nèi)。對電鑄工藝進行如下改進：

(1)凈化處理溶液中存在的固體顆粒。采用5 μm的濾芯進行循環(huán)過濾。鍍前對鍍液連續(xù)循環(huán)過濾2 h后才開始施鍍，在電鍍過程中進行連續(xù)循環(huán)凈化處理。

(2)調(diào)整溶液pH。通過安裝pH 在線監(jiān)測儀，對pH 進行在線連續(xù)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測值及時調(diào)整pH，以保證pH 在4.0～4.5 的工藝范圍內(nèi)。

采用以上改進措施后再次試驗，得到了合格的鍍層，見圖3。

圖3 改進工藝后所得試片外觀Figure 3 Appearance of test piece after improvement of process

3 原因分析

電鑄件形成針孔的原因很多，從原理上分析，產(chǎn)生針孔主要是因為氫氣或油等附著在基體上，導致該處沒有沉積上金屬，有時固體非導電顆粒附著在基體上也能產(chǎn)生針孔。潤濕劑可降低陰極與鍍液之間的界面張力，使生成的氫氣難以在電極表面滯留，若潤濕劑太少或失效，則會導致針、孔麻點的產(chǎn)生。pH 過低時，陰極析氫嚴重，易導致針孔生成，pH 過高則會使鎳鹽與OH?離子反應生成氫氧化鎳，導致鍍層出現(xiàn)麻點。若陰極表面的電流過高，超出了允許的上限值，陰極表面會產(chǎn)生嚴重的濃差極化，導致大量析氫，界面的pH 急劇升高而生成氫氧化鎳，從而在鍍層上形成針孔、麻點。另外，溫度異常、硼酸不足、有機雜質(zhì)、金屬離子雜質(zhì)等也是導致鍍鎳層針孔、麻點的常見原因。

4 討論與改進

通過試驗對潤濕劑、金屬離子雜質(zhì)、有機物雜質(zhì)、槽液pH 以及固體顆粒物等影響因素進行排查，確定本次造成鍍層表面針孔、麻點的主要原因是槽液中存在固體顆粒和槽液pH 不在工藝范圍內(nèi)。

由于空氣中存在大量微小的灰塵，在電鑄過程中不可避免地會落入槽液中，若夾雜在鍍層中，就會使鍍層產(chǎn)生顆粒狀物質(zhì)，在后處理過程中，顆粒狀物質(zhì)脫落后便形成坑狀缺陷。

另外，氨基磺酸鎳電鑄液對槽液pH 較敏感，在電鑄過程中pH 的變化較大，pH 過低時，鍍液析氫量大大增加，陰極電流效率降低，形成的電鑄層晶粒較粗大，并且容易出現(xiàn)針孔狀物質(zhì)；pH 過高時，雖然析氫反應減弱，電流效率稍高一些，但會有氫氧化物生成并夾雜在電鑄層中，形成顆粒狀物質(zhì)。

上述問題都會導致鍍層產(chǎn)生極微小的缺陷，在40 倍顯微鏡下可明顯觀察到這些缺陷。因此，在電鑄生產(chǎn)中為保證質(zhì)量，必須采用精密循環(huán)過濾系統(tǒng)對電鑄槽液進行連續(xù)凈化處理，并不斷調(diào)整溶液pH，保證pH在工藝范圍內(nèi)。

5 結語

(1)氨基磺酸鹽電鑄液對槽液的潔凈度要求非常高，槽液必須連續(xù)循環(huán)過濾才能保證電鑄件的質(zhì)量。

(2)槽液pH 對鎳電鑄沉積過程及電鑄層的性質(zhì)有較大影響，必須保證槽液pH 在規(guī)定范圍，并且pH在電鑄過程中的波動不能太大。

(3)電鑄生產(chǎn)工藝條件要求較高，必須保證各項工藝參數(shù)在合格范圍內(nèi)。

[1]張允誠,胡如南,向榮.電鍍手冊[M].3 版.北京:國防工業(yè)出版社,2007.