鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝改進(jìn)與應(yīng)用

顏晨光

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西 西安10077）

鑄鋁合金具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、易成型等優(yōu)點(diǎn)，且因其價(jià)格較銅材低廉[1]，已廣泛用在高壓開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體上。

在高壓開關(guān)導(dǎo)體兩個(gè)接觸面上電鍍銀，以達(dá)到增強(qiáng)其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減少摩擦力的作用[2]。大量鑄鋁合金用于導(dǎo)體的加工制造，由于鑄鋁合金在鑄造的過程中，容易產(chǎn)生縮孔、針孔、組織疏松等缺陷，鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀時(shí)，更容易產(chǎn)生諸多缺陷，影響高壓開關(guān)產(chǎn)品的可靠運(yùn)行，當(dāng)前影響較大的是鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻超標(biāo)問題，因此本文針對(duì)鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻超標(biāo)問題進(jìn)行了分析研究。

1 工藝試驗(yàn)方法

1.1 導(dǎo)體材料

導(dǎo)體材料選用的是ZL101H鑄鋁合金[3]，材料成分中除鋁外，Si元素含量為：6.50%～7.50%，含量較高。

1.2 傳統(tǒng)工藝

公司原來采用的鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前的表面處理工藝為：

（1）化學(xué)除油：見表1.

表1 鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前化學(xué)除油

（2）堿蝕：見表 2.

表2 鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前堿溶液腐蝕

（3）出光：見表 3.

表3 鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前表面出光處理

（4）浸鋅：見表 4.

表4 鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前表面浸鋅處理

由于一次浸鋅工藝得到的浸鋅層晶粒粗大，在其表面鍍銀，鍍銀層結(jié)合力非常差，組織疏松，孔隙率大，為了保證鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀層與基體的結(jié)合力，銀層致密，孔隙率少，我公司采用二次浸鋅鍍銀工藝。

一次浸鋅的工藝時(shí)間：30～40 s二次浸鋅的工藝時(shí)間：15～20 s

1.2.1 生產(chǎn)出現(xiàn)的問題

鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀后，導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)，廢品率達(dá)到了60%～70%，造成了大量的返工浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了公司產(chǎn)品的出產(chǎn)。

1.2.2 原因分析

高壓電氣產(chǎn)品中導(dǎo)體的鍍銀不同于普通鍍銀，主要有以下特點(diǎn)：

（1）材質(zhì)主要以ZL101H鑄鋁合金為主，而不是選用煅鋁及銅合金等材料，為了降低生產(chǎn)成本80%以上都選用ZL101H鑄鋁合金。

（2）銀層厚度要求在10 μm以上，銀層厚度比一般零件高，才能確保高壓開關(guān)產(chǎn)品在開合摩擦?xí)r不至于劃傷銀層而導(dǎo)致導(dǎo)電能力受影響。

基于高壓開關(guān)產(chǎn)品的以上特點(diǎn)及要求，在高壓開關(guān)產(chǎn)品中，ZL101H鑄鋁合金導(dǎo)體表面鍍銀技術(shù)要求會(huì)更高，一旦鍍銀產(chǎn)生質(zhì)量問題，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)高壓開關(guān)產(chǎn)品放電不能正常運(yùn)行甚至爆炸。由于高壓開關(guān)產(chǎn)品鑄鋁合金導(dǎo)體的特殊結(jié)構(gòu)，在鑄鋁合金導(dǎo)體表面鍍銀較銅材困難的多[4]，出現(xiàn)的問題也比煅鋁及銅合金等材料鍍銀復(fù)雜，目前制約我公司產(chǎn)品出產(chǎn)的影響因素是鑄鋁合金導(dǎo)體電阻超標(biāo)問題，為了解決鑄鋁合金導(dǎo)體電阻超標(biāo)問題，做了大量試驗(yàn)分析和研究，引起鑄鋁合金導(dǎo)體電阻超標(biāo)的原因較為多樣和復(fù)雜，就目前的原因歸為三類：鑄鋁合金本身缺陷、電鍍?nèi)芤翰环瞎に囈蠹板冦y工藝問題。

2 分析與結(jié)果

2.1 鑄鋁合金導(dǎo)體本身缺陷

為了防止鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面出現(xiàn)起皮、起泡等鍍銀缺陷，首先對(duì)鍍銀前的鑄造鋁合金導(dǎo)體待鍍銀面材質(zhì)表面用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了低倍組織觀察，對(duì)鑄造鋁合金導(dǎo)體的低倍組織進(jìn)行比較，通過對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，合格零件鑄造鋁合金導(dǎo)體的低倍金相組織明顯要比電阻超標(biāo)的零件要致密，其低倍組織外觀照片見圖1所示。

圖1 鑄鋁合金導(dǎo)體材質(zhì)比較

鑄造鋁合金導(dǎo)體表面晶粒的細(xì)化程度取決于零件的熱處理程度，把鑄造鋁合金導(dǎo)體按熱處理程度依次加深的試樣，根據(jù)熱處理程度由左向右排列，其金相照片見圖2所示，通過金相組織的照片可以看出，隨著鑄造鋁合金導(dǎo)體熱處理程度的加深，其零件的金相組織越細(xì)密，晶粒越細(xì)致，當(dāng)達(dá)到一定程度，鍍銀面電阻值合格，合格的鑄造鋁合金導(dǎo)體是保證鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻值合格的前提條件。

圖2 電鍍前導(dǎo)體熱處理試樣

通過大量的試驗(yàn)對(duì)比分析，認(rèn)為鑄鋁合金導(dǎo)體本身材質(zhì)的優(yōu)劣是決定電阻合格與否的主要因素，所以，只有鑄造鋁合金導(dǎo)體材質(zhì)本身結(jié)構(gòu)致密并晶粒細(xì)致，才能保證鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻值合格，它是保證鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻值合格的基礎(chǔ)條件。

2.2 工藝因素的影響

公司電鍍工藝采用的比較成熟的傳統(tǒng)有氰鍍銀工藝，其主要特點(diǎn)是易于操作并且工藝穩(wěn)定，但是，如果在鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀的過程中，操作工藝控制不當(dāng)，而在鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面產(chǎn)生諸如針孔、麻坑、起皮、起泡、漏鍍等鍍銀缺陷，就必然會(huì)造成鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻超標(biāo)問題，因此，對(duì)鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀后，銀層良好并無(wú)鍍銀表面缺陷的電阻超標(biāo)導(dǎo)體進(jìn)行比較分析，首先考慮鍍銀溶液中是否存在超標(biāo)的雜質(zhì)而造成導(dǎo)體鍍銀面電阻值的不合格，其次，考慮鍍銀過程中零件表面遭受腐蝕而導(dǎo)致導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)，如果通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，加強(qiáng)工藝操作管理措施，這種影響可以得到控制。

2.3 鍍銀槽溶液帶入Cu2+的影響

由于在鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀前，先要預(yù)鍍銅，難免會(huì)在鍍銀槽溶液中帶入一些Cu2+，分別對(duì)鍍銀槽溶液中Cu2+含量異常和正常的鍍銀槽溶液進(jìn)行了導(dǎo)體試樣鍍銀，并對(duì)鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面進(jìn)行了電阻測(cè)量，選用的回路電阻測(cè)試儀是保定市超人電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為：SM40B的回路電阻測(cè)試儀，通過兩種情況下導(dǎo)體鍍銀面的電阻值比較分析，結(jié)果顯示都處于正常范圍，并且鍍銀槽溶液中Cu2+含量為1.4%的異常鍍液，電鍍出來的導(dǎo)體鍍銀面的電阻值，卻反而好于正常鍍銀溶液電鍍出來的導(dǎo)體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析，認(rèn)為鍍銀槽溶液中帶入Cu2+對(duì)導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)的影響較小，試樣測(cè)量結(jié)果見表6和表7所示。

表6 銅離子含量為1.4%的非正常鍍液（要求≤8μΩ）

表7 正常鍍液（要求≤8μΩ）

2.4 導(dǎo)體化學(xué)除油的影響

由于鑄造鋁合金導(dǎo)體受鑄造工藝的影響，鑄造鋁合金導(dǎo)體經(jīng)常會(huì)有晶粒粗大、組織不致密的零件，導(dǎo)體鍍銀前要進(jìn)行堿腐蝕除油和氧化膜處理，因而會(huì)造成導(dǎo)體基材中的Mn、Cu、Si等不溶于堿溶液的物質(zhì)殘留在導(dǎo)體待鍍銀出表面上，從而會(huì)在導(dǎo)體待鍍銀面上，Mn、Cu、Si的殘留物與腐蝕殘?jiān)鼤?huì)形成“掛灰”吸附膜，造成即使導(dǎo)體經(jīng)過強(qiáng)堿溶液除油和氧化膜處理，這些“掛灰”吸附膜仍然會(huì)粘附在導(dǎo)體待鍍銀表面上。在導(dǎo)體鍍銀前要進(jìn)行酸蝕，其主要目的是溶去這些“掛灰”吸附膜，使導(dǎo)體待鍍銀處露出光亮的表面，并處于良好的活化狀態(tài)[5]。傳統(tǒng)鍍銀工藝中堿溶液腐蝕可以除去導(dǎo)體表面的氧化膜，但經(jīng)過HNO3出光處理后，卻無(wú)法除去導(dǎo)體待鍍銀表面的“掛灰”吸附膜，經(jīng)常在導(dǎo)體鍍完銀之后，導(dǎo)體鍍銀面上會(huì)形成微小的麻坑、針孔等電鍍?nèi)毕?，造成?dǎo)體鍍銀層組織不致密，銀層孔隙率較大，這樣鍍銀后的導(dǎo)體在安裝裝配時(shí)，由于兩個(gè)導(dǎo)體間的鍍銀層接觸面的面積相對(duì)減小，從而造成導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)，Si晶脫落照片見圖3所示。

圖3 Si晶脫落圖

經(jīng)過導(dǎo)體電鍍銀試樣試驗(yàn)比較分析，在傳統(tǒng)鍍銀工藝操作中，導(dǎo)體鍍銀前的強(qiáng)堿溶液的弱腐蝕除油和氧化膜處理過程，會(huì)造成導(dǎo)體待鍍銀面組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多孔、疏松等缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)體鍍銀后的電阻值必然受到影響。

2.5 鍍銀工藝的影響

由于ZL101H鑄鋁合金導(dǎo)體，硅含量較高，在導(dǎo)體鍍銀前，要經(jīng)過浸鋅處理，而浸鋅前的強(qiáng)堿溶液的弱腐蝕和HNO3出光處理不可能將導(dǎo)體待鍍銀面上的硅元素完全除去，由于硅不導(dǎo)電并阻礙電鍍時(shí)電流的流動(dòng)，因此硅所占據(jù)的導(dǎo)體待鍍銀表面不會(huì)有鋅沉積。由于在純鋁表面形成了一層鋅酸鹽膜，因此在含有少量氧化鋅和氫氧化鈉溶液中純鋁自腐蝕速率很微弱。導(dǎo)體待鍍銀面含有少量硅的鋁，浸鋅后自腐蝕最小，這并不完全是鋅置換鋁形成的，即使是這層膜完全是由于鋅置換鋁形成的，但也不可能對(duì)鋁有犧牲陽(yáng)極的保護(hù)作用，因?yàn)樵趬A性溶液中鋁相對(duì)于鋅來說電位較負(fù)，是陽(yáng)極，而鋅相對(duì)于鋁來說電位較正，是陰極。這層可能是由鋅和硅在堿性溶液中的相互作用而形成的鋅酸鹽膜是具有保護(hù)作用的膜，在堿性溶液中鋅-硅合金可均勻的沉積在鋁鑄造鋁合金導(dǎo)體的待鍍銀表面上，導(dǎo)體待鍍銀面浸鋅之后鋁的開路電壓正移。通過試驗(yàn)分析和工作中積累的經(jīng)驗(yàn)分析，為了避免鑄造鋁合金導(dǎo)體在鍍銀時(shí)，由于堿洗除油和氧化膜處理，及HNO3出光處理對(duì)鑄造鋁合金導(dǎo)體造成鍍銀面的電阻值超標(biāo)影響，經(jīng)過分析研究，有針對(duì)性地提出了改進(jìn)的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝方案，制定了新的工藝流程，從而確保鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)問題得到解決。針對(duì)傳統(tǒng)工藝鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀時(shí)，由于堿洗除油和氧化膜處理，及HNO3出光處理產(chǎn)生的導(dǎo)體待鍍銀面“掛灰”現(xiàn)象，經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)，采用改進(jìn)后的鍍銀工藝，在除去氧化膜和導(dǎo)體表面油污的同時(shí)，也可以把導(dǎo)體表面上的Mn、Cu、Si等“掛灰”物質(zhì)除去，使導(dǎo)體待鍍銀面露出平整且致密的金屬組織，從而保證導(dǎo)體鍍完銀后，導(dǎo)體鍍銀層表面就無(wú)“掛灰”等缺陷存在，導(dǎo)體鍍銀層組織比較致密，孔隙率較少，從而很好地解決了因傳統(tǒng)的鍍銀工藝不適合鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀，而造成的導(dǎo)體鍍銀層電阻值超標(biāo)問題。

2.5.1 改進(jìn)后的鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝

經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析之后，對(duì)傳統(tǒng)鍍銀前的表面處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，從而保證了鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀后鍍層結(jié)合力好，孔隙率少，銀層致密，電阻值符合要求，改進(jìn)后的鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀前的表面處理工藝為：

（1）新化學(xué)除油工藝：見表8.

表8 新化學(xué)除油工藝

（2）新堿蝕工藝：見表9.

表9 新堿蝕工藝

（3）新出光工藝：見表10.

表10 新出光工藝

（4）新浸鋅工藝：見表11.

表11 新浸鋅工藝

一次浸鋅時(shí)間：60 s

二次浸鋅時(shí)間：30 s

采用改進(jìn)后的鍍銀工藝，堿蝕溶液中加入高濃度的NaF，目的是為了消除高硅鋁合金表面的一部分硅，NaOH、NaF與鋁或鋁合金發(fā)生下列反應(yīng)：

堿蝕處理可以除去一部分硅，但只是很少的一部分，堿液可溶去合金表面上的硅，F(xiàn)-的存在一方面在合金表面上造孔，另一方面可以生成溶解度較小的Na3AlF6，在合金表面吸附沉淀。出光處理可以除去表面絕大部分硅，出光后在高硅鋁鑄件表面形成了大量的壇口狀孔穴，為浸鋅打下了良好的基礎(chǔ)。

改進(jìn)后的工藝，浸鋅液的前處理液具有微刻蝕作用，能在鋁合金表面形成大量、高度彌散、尺寸在亞微米級(jí)的壇口狀孔洞，這種孔洞對(duì)浸鋅層、鍍層起著錨鏈作用，鋁合金表面孔洞的均勻分散是得到良好結(jié)合力的前提。浸鋅層的質(zhì)量直接關(guān)系到鍍層與基體結(jié)合力，只有中間浸鋅層中細(xì)小鋅晶粒的高度彌散的均勻分布，才能使高硅鋁合金基體與鍍層得到牢固的結(jié)合。

2.5.2 改進(jìn)后的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝驗(yàn)證結(jié)果

改進(jìn)后對(duì)我公司鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面電阻值超標(biāo)最嚴(yán)重的三種導(dǎo)體，進(jìn)行了改進(jìn)后的導(dǎo)體鍍銀工藝實(shí)物鍍銀比較驗(yàn)證，結(jié)果顯示，改進(jìn)后的工藝，鍍銀后的導(dǎo)體鍍銀面用SM40B的回路電阻測(cè)試儀檢測(cè)，電阻值全數(shù)合格，檢測(cè)結(jié)果見表12、表13、表14所示。

表12 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測(cè)量結(jié)果（要求電阻≤7μΩ）

表13 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測(cè)量結(jié)果（要求電阻≤7μΩ）

表14 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測(cè)量結(jié)果（要求電阻≤7μΩ）

通過對(duì)改進(jìn)后的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝與傳統(tǒng)的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝的比較驗(yàn)證，從實(shí)物鍍銀后檢測(cè)結(jié)果可以看出，采用改進(jìn)后的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行鍍銀后，導(dǎo)體鍍銀面電阻值全部合格，同時(shí)，經(jīng)過1500CX2h的熱震實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后，鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀面沒有發(fā)現(xiàn)起泡現(xiàn)象，導(dǎo)體鍍銀面經(jīng)過附著力檢測(cè)，結(jié)果合格，改進(jìn)后的鑄鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝能夠滿足高壓開關(guān)產(chǎn)品對(duì)導(dǎo)體鍍銀面電阻值的要求，采用改進(jìn)后導(dǎo)體鍍銀工藝，合格率提高到了98%，從而確定了改進(jìn)后導(dǎo)體鍍銀工藝的合理性，由于操作簡(jiǎn)單、適用、穩(wěn)定，適合于我公司的批量化生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）鑄造鋁合金導(dǎo)體基體材質(zhì)應(yīng)組織致密，熱處理完全，待鍍銀面沒有針孔、疏松等缺陷，這是保證導(dǎo)體鍍銀后鍍銀面電阻值合格的關(guān)鍵因數(shù)。

（2）電鍍過程中鍍銀槽溶液中銅離子含量對(duì)鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀后的鍍銀面電阻值的大小沒有影響。

（3）采用改進(jìn)后的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝，解決了鍍銀面電阻值超標(biāo)難題。

（4）經(jīng)過高壓開關(guān)產(chǎn)品近5 000件的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀后的生產(chǎn)實(shí)踐證明，改進(jìn)后的鑄造鋁合金導(dǎo)體鍍銀工藝生產(chǎn)的導(dǎo)體零件，鍍銀面電阻值合格，并且具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠，工藝操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已用于我公司高壓開關(guān)產(chǎn)品中的鑄造鋁合金鍍銀導(dǎo)體的批量化生產(chǎn)。