盲孔及多溝壑類金屬零件的鍍前清洗技術(shù)研究

劉曉東，宋新凱，劉瑩瑩 ，馬驍飛

(鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州，450000)

1 引言

機(jī)電元器件是航天系統(tǒng)工程的重要組成部分，其質(zhì)量與可靠性關(guān)系到型號、任務(wù)的成敗，一個元器件失效甚至?xí)?dǎo)致整個航天系統(tǒng)工程的失敗。鍍層質(zhì)量是直接影響元器件使用壽命與功能效應(yīng)的直接因素，是決定元器件能否在惡劣環(huán)境中維持整機(jī)運作的關(guān)鍵。隨著近年來國內(nèi)對電連接器等元器件需求量的不斷攀升，在生產(chǎn)供貨緊張的高壓態(tài)勢下，鍍層質(zhì)量問題就逐漸凸顯出來。基體表面鍍前處理的好壞直接影響到鍍層質(zhì)量，尤其是盲孔類及多溝壑類零件容易沉積污垢，常規(guī)的鍍前清洗無法去除。零件表面溝壑或孔內(nèi)的干涸油膜、頑固干性污漬的清洗一直都是鍍前處理的瓶頸。

2 現(xiàn)狀

零件表面或溝壑處的干涸油膜，見圖1、圖2。如果不將其去除干凈，與表面處理酸洗反應(yīng)后，會在油膜處產(chǎn)生白色斑點或斑塊，耐腐蝕性差的銅材料還會出現(xiàn)基體腐蝕坑，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，甚至?xí)斐慑儗咏Y(jié)合力差脫落、鍍層氣泡的質(zhì)量風(fēng)險。

圖1 平面上干涸油膜

圖2 滾花溝隙內(nèi)干涸油膜

目前，鍍前處理有振動飾光、強(qiáng)酸酸洗、研磨等手段。

2.1 振動飾光

振動飾光工藝中的研磨劑溶于水，雖然歷經(jīng)多次換水浸泡，但在后續(xù)飾光工藝的瀝干和烘干過程中，部分零件的溝槽縫隙處仍會不可避免出現(xiàn)研磨劑富集現(xiàn)象，這些富集的膜層很薄，導(dǎo)致膜層外觀顏色與黃銅顏色一致，不易被識別。然而，在熱處理工序高溫處理后，殘留的研磨劑會呈現(xiàn)黑色或紫紅色現(xiàn)象，見圖3所示。

圖3 熱處理后狀態(tài)

2.2 強(qiáng)酸酸洗

強(qiáng)酸酸洗處理雖可去除零件表面污漬，但在污漬所在處會呈現(xiàn)出白斑狀，與污漬的復(fù)雜成分反應(yīng)還會產(chǎn)生腐蝕坑。且對硬度較高的金屬零件，強(qiáng)酸酸洗會對彈性件會有氫脆風(fēng)險，造成零件失效。

2.3 磁力研磨

磁力研磨是在研磨機(jī)中利用磁性引動鋼針對殼體進(jìn)行研磨，但是存在很大的局限性，(1)對于拉伸類銅殼體，材料較軟，鋼針刮碰極易在殼體表面留下麻點，在鍍金后會異常顯眼，影響外觀質(zhì)量；(2)對于有拐角、勾縫的殼體，鋼針無法觸及尖角部位(鋼針直徑為0.3mm)，而恰恰是拐角、勾縫容易存積頑固油污，見圖4。

圖4 磁力研磨去除油污示意圖

3 解決方案

3.1 采用新型清洗溶劑

零件盲孔內(nèi)或溝壑處的干涸油膜，基本上是由油分子、水、灰塵等混合而成，當(dāng)其干涸凝固后，性能接近塑料薄膜，很難溶于單純的酸或堿；一般情況下，油為非極性物質(zhì)、水分子及灰塵為極性物質(zhì)，這些物質(zhì)混合干涸后，會形成不易溶于水也不易溶于油的復(fù)雜的混合物。經(jīng)調(diào)研，碳?xì)淝逑磩┡c干涸油膜的分子極性相近，根據(jù)相似相溶的原則，干涸油膜可以溶解在碳?xì)淝逑磩┲小?/p>

利用現(xiàn)有的某種碳?xì)溆袡C(jī)溶劑及自來水混合進(jìn)行驗證，配比質(zhì)量比：清洗劑：自來水=1:10，由于碳?xì)漕惽逑磩╅W點為50℃～70℃，因此將浸泡設(shè)定為溫度：45℃，每隔1～2小時觀察浸泡效果，期間每間隔24h更換一次溶液，當(dāng)浸泡大約48小時的時候發(fā)現(xiàn)零件表面有表層發(fā)黑的現(xiàn)象。經(jīng)分析原因，自來水中會一般含有cl離子，長時間的浸泡可能會對金屬表層元素造成一定的腐蝕，導(dǎo)致零件表層發(fā)黑。

考慮到現(xiàn)有研磨劑中含有抗蝕劑，又有增光增亮的作用，在上述配比中加入了研磨劑繼續(xù)進(jìn)行試驗，配比比例(質(zhì)量比)：清洗劑：研磨劑：自來水=2:2:50，浸泡時間12小時后，發(fā)現(xiàn)殼體表面油膜顏色變淡，用牙簽可將其撥動，說明已充分軟化，隨后上振動飾光機(jī)上正常振動1小時，清洗后效果如圖5所示。

圖5 平面上油膜去除后效果

3.2 多溝壑類零件干涸油膜的清洗方案

平面上干涸油膜改進(jìn)后效果顯著，但有溝槽的零件還是有部分油膜無法去除，經(jīng)分析軟化后油膜振動清洗后，縫隙較大的部分會被涮洗出去，但縫隙較小部分還可能留在基體上，如圖6：

圖6 溝壑底部油膜無法清洗干凈示意圖

針對上述問題，我們再次采用清洗劑、研磨劑、自來水混合物進(jìn)行浸泡軟化，然后清水涮洗后進(jìn)行負(fù)壓清洗，其原理如圖7所示

圖7 示意圖

經(jīng)浸泡軟化后，油膜內(nèi)部會進(jìn)入大量空氣，形成無數(shù)氣孔，在負(fù)壓環(huán)境中，清洗劑會擠入氣孔及間隙內(nèi)，并在其中內(nèi)不斷膨脹，最后發(fā)生“爆破”反應(yīng)，將軟化后的油膜從基體表面“炸開”，從而實現(xiàn)完全剝離，清洗效果如下圖8所示。

清洗前狀態(tài) 清洗后狀態(tài)

3.3 細(xì)長盲孔內(nèi)干涸油膜的清洗方案

但是，針對插孔類接觸體細(xì)小盲孔、細(xì)孔等部位，采用新的清洗溶劑和負(fù)壓清洗方式仍出現(xiàn)清洗不徹底的情況，見圖9.為了解決問題我們已經(jīng)采取了多種措施，如增加工序之間銜接時的清洗次數(shù)，改變清洗時溫度，增加清洗時間等，但實施效果均不理想，孔徑不同的零件效果時好時壞，不能保證批次清洗的一致性和穩(wěn)定性。

圖9 細(xì)長盲孔負(fù)壓清洗后孔內(nèi)情況

為了探究問題的原因，我們進(jìn)行了各孔徑零件在超聲波清洗時的仿真試驗。即在一塊透明的塑料板的4個方向分別打了φ0.5、φ1、φ1.5、φ2、φ2.5、φ3，深為15mm的孔(見圖10),將樣件放入透明水槽中，觀察四個方向孔里面液體進(jìn)入情況，如圖11所示。

圖10 試驗樣品

圖11 大氣壓下試驗情況

通過試驗可以看出口朝上的孔內(nèi)雖然有水進(jìn)入，但孔內(nèi)部都會有大小不一的氣泡，孔越小，氣泡就越大。由此可以看出，孔越小，氣壓將水推入孔內(nèi)時，孔內(nèi)的空氣越不容易排出，氣泡就越大；左右兩端橫向的孔無論孔直徑大小，水都是進(jìn)入到孔口3mm附近；向下的孔內(nèi)目測沒有水進(jìn)入。由此可以得出插孔類接觸體為什么無論怎么增加清洗次數(shù)、溫度、時間都無法清洗徹底，插孔在清洗孔口朝向直接影響到清洗劑是否可以進(jìn)入到孔內(nèi)，而大多數(shù)插孔在清洗時都是水平放置，效果類似左右兩端樣孔，雖然超聲波作用有助于孔內(nèi)空氣排出，但無法保證孔底清洗質(zhì)量，存在不確定性。

為驗證將空氣排出使水從四個方向完全灌入樣板孔內(nèi)，我們把水槽放入真空試驗箱內(nèi)，放入樣品后，將大氣壓降到-0.1MPa,驗證結(jié)果如圖12所示。

圖12 負(fù)壓下試驗情況

我們可以看到，向上的孔氣泡完全排出，其他三個方向的孔內(nèi)僅殘留大約1/10體積的氣泡，在超聲波的作用下，可將其排出。同時在負(fù)壓環(huán)境內(nèi)清洗液里面富含的空氣被脫氣，超聲波的沖擊波不會被富含在清洗液中的空氣所吸收，超聲波的清洗力度更強(qiáng)。正常大氣壓的超聲波清洗和負(fù)壓中的超聲波對比，負(fù)壓條件下的超聲波的清洗力提高約5倍。

采用新型清洗劑、超聲波、負(fù)壓等聯(lián)合方式清洗細(xì)長盲孔內(nèi)的干涸油膜，經(jīng)試驗驗證，盲孔內(nèi)的干涸油膜能夠徹底清除干凈，如圖13。

選取投產(chǎn)量較大的一類插孔進(jìn)行驗證，將該批插孔分為10組，每組4000件，配比比例(質(zhì)量比)：清洗劑：研磨劑：自來水按一定比例，溫度設(shè)定為最低活性溫度35℃，對清洗時間進(jìn)行確認(rèn)。

圖13 真空負(fù)壓超聲波清洗細(xì)長孔情況

表1 清洗時間與合格率的驗證表

從上表可知，隨著清洗時間的增加，清洗合格率隨之增加，當(dāng)清洗時間達(dá)到60min以后，合格率可基本達(dá)到100%，且曲線趨于穩(wěn)定。因此，將零件的清洗時間確定為60min較為合適。

4 總結(jié)

(1)碳?xì)淝逑磩┡c自來水、研磨劑的混合應(yīng)用可以有效去除零件平面上的干涸油膜。

(2)針對多溝壑的金屬零件，在真空負(fù)壓環(huán)境下，采用碳?xì)淝逑磩┡c自來水、研磨劑的混合應(yīng)用可以有效去除零件溝壑內(nèi)的干涸油膜。

(3)針對細(xì)長盲孔類的金屬零件，在真空負(fù)壓環(huán)境下，采用碳?xì)淝逑磩┡c自來水、研磨劑的混合應(yīng)用超聲波清洗技術(shù)可以有效去除零件溝壑內(nèi)的干涸油膜。

(4)真空負(fù)壓超聲波清洗方式，不會改變零件表層合金元素的分布比例，導(dǎo)致零件表層出現(xiàn)過腐蝕現(xiàn)象，由于剝離方式比較柔和，不會像噴砂工藝那樣，容易改變零件表層的外觀和尺寸，能夠較好的保持零件外觀形貌的一致性。