基于恒壓控制模式鍍錫工藝研究

胡 楊，李柱祥，胡水蓮

（國營蕪湖機械廠， 安徽 蕪湖 241007）

由于鍍錫層具有良好的耐蝕性、導電性和化學穩定性［1］，廣泛應用于航空修理領域，同時也是保護電子互連和銅電路的關鍵耐蝕金屬［2］。電流密度對鍍層的成分和形貌有重要的修整作用，對鍍層的致密性和均一性亦有較大影響［3-4］，故航空產品實際鍍錫生產時，需滿足一定的電流密度要求［5］，即按照產品面積設定電流。因此電鍍前必須對所需電鍍產品的加工面積進行計算。此時，若電鍍過程中取放產品，需立即更改設定電流。由于航空產品小批量，多品種，形狀復雜的特點，過程中不可避免會遇到加工面積難以計算的問題，增加了電鍍加工過程的控制難度。因此探究電流密度、電壓、零件加工面積之間關聯關系，試驗不同電壓條件下電鍍鍍層沉積情況以及鍍層性能情況，研究基于恒壓模式的電鍍過程控制規律，形成可實際應用的基于恒壓控制模式的電鍍錫工藝。

所謂恒壓控制，就是在電鍍前將電源控制柜上的恒壓開關（或恒壓檔）合上、恒流開關（或恒流檔）斷開［6］。按試驗規律與膜厚實測的結果設定電壓與時間，這樣在整個電鍍處理過程中，控制電壓是恒定不變的。本研究通過大量試驗，探究不同電壓數值的適用范圍，通過驗證沉積情況、鍍層性能情況，形成可實際應用的基于恒壓控制模式的電鍍錫工藝，供從事航空產品鍍錫技術與生產的同行們參考。

1 實驗部分

1.1 材料和工藝條件

本研究試樣為45A 鋼試片和試棒，具體成分見表1所示［7］。試驗使用堿性鍍錫槽液，堿性鍍錫液成分簡單，分散能力和覆蓋能力好，鍍層結晶細致［8-9］。工藝條件：槽液溫度75 ℃～80 ℃，槽液組成為NaOH（10 g/L～15 g/L）、Na2SnO3·3H2O（50 g/L～100 g/L）、CH3COONa·3H2O（12 g/L～30 g/L）、NaBO3·4H2O（0.3 g/L～0.5g /L），施加的電流密度為2 A/dm2～3 A/dm2。

表1 45A鋼材料化學成分Tab.1 Chemical composition of 45A steel

1.2 儀器和工藝流程

工藝流程：45A 工件試樣→除油→熱水洗→水洗→活化→水洗→中和→水洗→鍍銅→水洗→鍍錫→水洗→熱水洗→干燥→成品檢驗。

采用TGDF 500A/12V 型高頻開關電源為鍍錫電源；采用XDLM-237 型X 射線熒光鍍層測厚儀測定膜厚；按GB5270—2005 進行結合力試驗，鍍層應與基體金屬結合牢固，無起皮、脫落現象［10］；按GB/T10125—2021 進行耐蝕性試驗，經過24 h 鹽霧試驗的試片，每10 dm2表面上的基體腐蝕斑不應超過6 個，任一個腐蝕斑的直徑不應超過1.59 mm［11］；按HB5067.1—2005進行氫脆性試驗，氫脆性應滿足缺口拉伸延遲破壞試驗，破斷時間大于200 h［12］；按HB 5046—93 進行可焊性試驗，錫鍍層和焊料不應分離，錫鍍層和基體金屬不應分離［13］。

1.3 實驗思路

使用恒壓控制模式，對不同加工面積的試樣進行鍍錫處理，使實際電流密度Jk分別滿足（2 A/dm2～3 A/dm2）范圍上下限，且數值穩定至少3 min，記錄此電壓數值。通過對所有數據建立數學模型，分析得出恒壓控制模式鍍錫規律。其次，對不同電壓下的沉積速率和鍍層性能進行驗證，探究其適用性。

2 結果與討論

2.1 恒壓控制鍍錫規律

2.1.1 Jk為下限

使用恒壓控制處理不同加工面積試樣，電流密度為2 A/dm2時，電壓與加工面積對應關系見表2。

表2 加工面積與電壓關系Tab.2 Relationship between processing area and voltage

對上表數據進行數學運算，使用工具進行擬合，得到電流密度、電壓與加工面積之間的關聯關系（見圖1）。當加工面積S大于等于5 dm2時，輸入電壓U滿足圖1模型，即U=0.166S+2.474。

圖1 Jk下限模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of Jk lower limit model

2.1.2 Jk為上限

使用恒壓控制模式處理不同加工面積試樣，使電流密度為3 A/dm2時，電壓與加工面積對應關系見表3。

表3 加工面積與電壓關系Tab.3 Rrelationship between processing area and voltage

對上表數據進行數學運算，使用工具進行擬合，得到電流密度、電壓與加工面積之間的關聯關系。當加工面積S大于等于5 dm2時，輸入電壓U滿足圖2模型，即U=0.196S+3.238。

圖2 Jk上限模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of Jk upper limit model

2.1.3 模型驗證

上述兩個模型中，U分別為加工某S面積試樣所設定電壓的上下限。對于某一S，U=0.166S+2.474代表許用電壓的最小值，U=0.196S+3.238 代表許用電壓的最大值，即使用恒壓鍍錫時，設定電壓大小應在兩個電壓值之間。

使用45#鋼試片進行規律驗證，主要針對恒壓設定為4 V、5 V、6 V、7 V 下的加工極限進行驗證，探究其是否滿足2 A/dm2～3 A/dm2要求，實驗結果見表4。

表4 模型規律驗證表Tab.4 Record table of model rule verification

由表4 試驗數據可知，在各電壓加工極限值下，實際電流密度Jk符合2 A/dm2～3 A/dm2要求，研究擬合的關系模型成立。

2.1.4 規律總結

對U=0.166S+2.474、U=0.196S+3.238 兩個模型進行整理，有如下規律：

U=4 V 時，適用于5 dm2～8 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=5 V 時，適用于8 dm2～1 4 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=6 V 時，適用于14 dm2～19 dm2面積零件的鍍錫加工；

U=7 V 時，適用于19 dm2～27 dm2面積零件的鍍錫加工；

當S不足5 dm2時，可增加同槽試片，再采用恒壓控制模式電鍍。

2.2 鍍層沉積情況

在實際生產中，除厚度外，金屬鍍層的鍍層均勻性與完整性也是檢驗鍍層質量的重要指標。如果厚度不均勻，往往其最薄的地方首先被破壞，其余部位鍍層也會失去保護作用。依據法拉第定律，鍍層厚度的均勻性主要反映了陰極表面上電流分布的均勻性［13］。為了評定恒壓控制模式下金屬或電流在陰極表面的分布情況，需要驗證該模式下鍍液的分散能力；同時為了評定零件深凹處沉積金屬鍍層的能力，需要對其覆蓋能力進行驗證分析。通過驗證其分散能力及覆蓋能力，可以分析恒壓控制模式下，外形復雜零件表面鍍層能否分布均勻。項目將采用對深孔試件進行試驗，看其鍍層沉積情況。

試驗使用異形試片、通孔試件作為研究對象，采用恒壓控制模式工藝對試樣進行鍍錫20 min，通過對試樣上錫層分布情況進行分析，對分散及覆蓋能力試驗探究，鍍后外觀見圖3，其中，圖3（b）中數字“1”代表1倍直徑范圍區域，數字“2”代表除1倍直徑范圍外的2倍直徑范圍內區域。

圖3 試樣形貌圖Fig.3 Morphology of samples

如圖3所示， 錫鍍層為銀灰色至淺灰色，結晶均勻、細致。各試樣凹凸處、深孔處均有較光亮的錫層。使用X 射線熒光測厚儀對試樣進行測厚，結果見表5和表6。

表5 試樣外表面鍍層厚度Tab.5 Plating thickness on the outer surface of samples

表6 試樣內表面鍍層厚度Tab.6 Plating thickness on the inner surface of samples

從表5和表6數據來看，異形試片外表面厚度分布均勻，且其外凸處、深凹處亦存在良好錫層，且沉積效率較快：22 μm/h～30 μm/h；通孔試件外表面鍍層分布均勻，且通孔試件2 倍直徑范圍內均有不低于2 μm 錫層，大于2 倍直徑范圍存在錫鍍層，滿足GJB 594A—2019《金屬鍍覆層和化學覆蓋層選擇原則與厚度系列》中“直徑或寬度不大于10 mm 的直通孔，其深度不小于直徑或寬度的3倍時，允許無鍍層；小于3 倍時，鍍層厚度不做要求”規定［14］。說明恒壓控制模式生產的錫鍍層沉積速率較好，且具有良好的分散性和覆蓋性。

2.3 鍍錫層性能試驗

根據本文1.2中性能試驗要求，探究了不同電壓下恒壓控制模式鍍錫所得鍍層的性能，以驗證該工藝的可靠性，實驗結果見表7。

表7 鍍層性能試驗結果Tab.7 Results of plating performance test

由表7 數據可知，恒壓控制時，不同電壓下的鍍層各項性能均滿足標準要求，恒壓控制鍍錫層結合力良好，耐蝕性強，氫脆性影響低，可焊性好，可應用于實際生產。

3 結 論

（1）基于恒壓控制模式鍍錫工藝經過各項實際驗證，性能穩定，質量可靠，能夠適用于航空零件電鍍實際生產，生產時槽溫控制在75 ℃～80 ℃，電源設定按如下工藝進行：U=4 V 時，適用于面積5 dm2～8 dm2零件的鍍錫加工；U=5 V 時，適用于面積8 dm2～14 dm2零件的鍍錫加工；U=6 V 時，適用于面積14 dm2～19 dm2零件的鍍錫加工；U=7 V 時，適用于面積19 dm2～27 dm2零件的鍍錫加工；特殊地，當S不足5 dm2時，可增加同槽試片，再采用恒壓控制模式電鍍。

（2）采用恒壓控制模式鍍錫時，應選用適宜的電壓，生產時盡量避免某一電壓加工范圍上下限，以減輕不良導電可能造成的影響。

（3）采用恒壓控制模式，電流隨工件增減自動調整，相對恒流控制而言，電鍍過程中取放產品無需重新設定電流，無需精確工件面積，最大優點是適用于電鍍連續性生產，配合自動化生產線使用效果更佳。