對護板零件電鍍鎘層厚度均勻性控制的研究

成都飛機工業集團（有限）責任公司□王 茜 杜成立 馬瑞峰

1 引言

隨著航空飛行器的質量提升，其零部件表面質量要求愈加嚴格，對不規則形狀金屬零件電鍍膜層附著力、厚度均勻性也有更高要求。在電鍍生產實踐中，金屬鍍層的厚度及鍍層的均勻性與完成性是檢驗鍍層質量的重要指標之一。對加強護板類零件電鍍鎘時，發現零件裝配由于受到外力作用，邊角區域鍍鎘層易呈片狀脫落。經對零件表面鍍層進行厚度測試，發現鎘層脫落區域厚度均比零件其他部位較大。因此，研究電鍍過程中尖端效應對鎘層厚度均勻性的影響因素，對不規則結構的加強護板類零件表面鍍層質量提升是非常重要的。

2 影響鍍層厚度均勻性的因素

電鍍時，對于鍍液中的任何金屬離子，只要陰極點位足夠負，則金屬離子在陰極上得到電子發生還原反應，沉積在陰極表面，從而在陰極表面形成電鍍層。鍍層厚度與電流密度、電鍍時間、電流密度及陰極電流效率有關，見公式（1）：

式中d——鍍層厚度，μm

K——待鍍金屬的電化學當量，g/（A·h）

Dk——陰極電流密度，A/dm2

t——電鍍時間，min

ηk——陰極電流效率，%

ρ——待鍍金屬密度，g/cm3

式（1）中，待鍍金屬的電化學當量K及待鍍金屬密度ρ與金屬種類有關，陰極電流效率與槽液成分有關，陰極電流密度Dk與電流及鍍件面積有關。在已知待鍍件面積及夾具面積情況下，通過調節電流控制陰極電流密度Dk。因此，只要確定鍍種，影響的鍍層厚度僅只有電鍍時間t及陰極電流效率ηk。

在實際生產過程中，對于復雜零件，因其結構的不規則性，往往在其表面上電流的分布不均勻，電鍍液的分散能力不佳，在相同時間內，造成零件表面不同部位膜層厚度不均勻。

3 控制方法研究

以帶凹槽的加強護板（材料牌號：30CrMn-SiA）為例，厚度要求為18μm~25μm。零件如圖1所示。

（1）常規操作

圖1 中加強護板零件面積為約5dm2，使用通用夾具裝掛（如圖2所示），加上夾具電鍍面積約8dm2。先加大電流沖擊鍍30s后，設定電流密度為2A/dm2，電鍍時間30min。在零件①~⑩號位區域上分別測量五次鍍層厚度，鍍層厚度分布情況詳圖3。

圖1

圖2

根據圖3數據顯示，加強護板電鍍過程中整體膜厚突分布不均勻。在④、⑤、⑨、⑩號位受尖端效應影響，使得膜層較其他號位膜層過厚，且膜層有肉眼可視的樹枝狀。同時因電流分布不均，使得①、②號位膜層厚度過小。而⑥、⑦號位有局部搶電現象。

（2）增加象形陽極

為使電鍍過程中加強護板上電流分布均勻，對尖角區域及凹槽內增加象形陽極，如圖4所示。加上夾具電鍍面積約9dm2。同樣先加大電流沖擊鍍30s后，電流密度調節為2A/dm2，電鍍時間40min。在零件④、⑤、⑨、⑩號位區域上分別測量五次鍍層厚度，在①、①′、②、②′、③、⑥、⑦、⑧號位區域[見圖3a）、圖3b)]上測量10次。鍍層厚度分布情況詳見圖5。

圖3

圖4

由圖5所示，膜層分布相對均勻，跳躍點不多，基本可控在18μm~25μm。在④、⑤、⑨、⑩號位受尖端效應的影響不大，膜層厚度的波動范圍已然減小。

圖5 增加象形陽極電鍍膜層分布

（3）厚度均勻性分析

加強護板零件常規操作鍍鎘與增加象形陽極鍍鎘后的平均膜層厚度較設計要求厚度范圍平均值（20.5μm）的離散分布圖見圖6。

如圖6所示，可以看出傳統鍍鎘膜層標準差差值跨度大，離散程度大，可見膜層分布不均勻。增加象形陽極后的鎘層平均厚度標準差值更小，線性分布更為均勻，離散程度小，膜層厚度均勻。

圖6 離散分布圖

（4）原因分析

由于生產過程中槽體形狀和極板的局限性，且零件的不規則性，使電鍍液中電力線不平行；再者掛具零件邊角處電力線比較集中，沉積的鎘更多。在未增加象形陽極時，加強護板零件④、⑤、⑨、⑩號位置因均處在尖角區域，易搶電使得Cd2+獲得電子結晶析出速度過快，造成晶粒粗大，鍍層過厚、疏松、粗糙、不夠致密，極大可能造成膜層結瘤或形成樹枝狀，影響鍍層結合力和耐蝕性，甚至在受外力作用下導致鍍層脫落。

一般地，電流密度增大，陰極極化作用較大，分散能力可得到改善。且在氰化物電解液中，電流效率隨電流密度的增加而降低。因近陰極電流密度比遠陰極電流密度大，所以近陰極電流效率比遠陰極低，使金屬的分布比電流的分布更均勻。

在未增加象形陽極的電鍍鎘過程中，加強護板零件在電鍍液中的陰極極化程度不夠大，使得鎘層沉積不均勻，出現樹枝狀。而在增加象形陽極的電鍍過程中，加大沖擊電流，陰極極化的絕對值增加，加大了陰極過電位，使晶核形成速度迅速加快，晶粒數目增多，晶種臨界半徑變小，鎘層結晶更為細致。

4 結論

因加強護板類零件結構的不規則性，其在電鍍液中的電力線分布較為復雜，在零件邊緣、棱角處電流密度較大，出現尖端效應，導致膜層厚度分布不均勻且易脫落。本文以帶凹槽的加強護板（材料牌號：30CrMnSiA）為例，在實際生產中，通過增加象形陽極，讓零件盡量與陽極平行，提高電鍍液分散能力，使膜層厚度分布均勻，避免因膜層過厚、疏松，甚至脫落。

目前，新機研制過程中存在復雜結構零件鍍鋅、鍍銀等技術要求，鍍層厚度不均勻成為影響產品質量的重要因素。本文提出的解決復雜結構零件鍍層厚度不均勻的工藝方法適用于其他電鍍工藝的復雜結構零件，有著良好的推廣應用價值。