铝合金表面电镀金层出现花斑的原因分析及解决措施

熊俊良*，杜楠

（中国空空导弹研究院十五分厂，河南 洛阳 471009）

铝合金零件具有较高的比强度和良好的防护性能，并且各种表面处理技术成熟，因而在航空领域应用广泛。某零件材料为2A12，要求对其表面镀金，工艺流程如下：装挂→除油(恩森化学有限公司JS-1142，60 ～ 65 °C，6 ～ 10 min)→混酸腐蚀(浓硝酸 200 g/L，无机酸 10 g/L，添加剂 30 g/L，室温，1 ～ 3 min)→除垢(浓硝酸500 mL/L，室温，30 ～ 60 s)→一次沉锌(NaOH 400 ～ 500 g/L，ZnO 50 ～ 80 g/L，添加剂适量，室温，30 ～ 60 s)→脱锌(浓硝酸500 mL/L，时间10 ～ 20 s，室温)→二次沉锌(同一次浸锌)→碱性化学镀镍(恩森化学有限公司JS-998，85 ～ 90 °C，5 ～ 10 min)→酸性化学镀镍(恩森化学有限公司JS-934，82 ～ 90 °C，80 ～ 90 min)→电镀金(罗门哈斯 Ronovel N 镀金液，40 ～ 50 °C，5 ～ 10 min)。镀金后发现零件表面有大量花斑。

1 花斑特征

如图1所示，零件表面花斑有两种类型：A类花斑较严重，有明显的凹陷，主要分布在零件的孔和槽周围；B类花斑较轻微，无凹陷，几乎遍布零件表面，分布位置无规律。

图1 两类花斑缺陷的特征Figure 1 Characteristics of two types of piebald defect

2 原因分析

对A类花斑故障零件进行剖切并制成金相试样，放大500倍观察切面形貌，发现A类花斑处的镀层很薄(见图2)。两类花斑各抽取10件，用X射线测厚仪测量花斑处的镀层厚度，列于表1。

图2 有A类花斑零件的截面形貌Figure 2 Cross-sectional morphology of a part with type-A piebald defect

表1 有花斑故障的零件上镀金层和化学镀镍层厚度Table 1 Thicknesses of electroplated gold coating and electrolessly plated nickel coating on parts with piebald defect(单位：μm)

该零件要求化学镀镍层和金层的厚度分别为8 ～ 12 μm和0.5 ～ 1.0 μm。从表1可知，A类花斑的镀金层厚度合格，化学镀镍层偏薄；B类花斑的镀金层和化学镀镍层厚度则均合格。因本工艺的碱性化学镀镍是作为打底层，厚度仅有0.4 ～ 0.8 μm，故推测导致A类花斑处的化学镀镍层厚度不合格主要与酸性化学镀镍有关。

从人、机、料、法、环五个方面对导致花斑的原因进行排查。

2.1 人

加工该零件的操作者未发生变动，排除人为造成花斑。

2.2 设备

生产车间的其他设备未发生变动，但有大、小两个酸性化学镀镍槽。采用大槽时无A类花斑，只有B类花斑；使用小槽时两类花斑都有。

观察发现，酸性化学镀镍溶液通过循环过滤使溶液流动的方式进行搅拌，搅拌力度不大。当用1 mm铝丝绑挂时，零件在流动溶液中可以稍微晃动。用挂具装挂时很牢固，零件不晃动，而且电镀挂具放入小槽后移动空间很小，即使手工晃动，幅度也很小，不利于零件的移动搅拌，这可能会导致化学镀镍过程中零件表面附着的气泡难以脱离而产生麻点、花斑缺陷。因此化学镀镍槽容积小可能是导致花斑产生的原因之一。

2.3 材料

各类槽液均合格，可以排除槽液的影响。操作者反映大部分零件在混酸腐蚀后表面就呈现大面积的锈蚀花斑(见图3)，这些花斑的形貌与B类花斑吻合，但与A类花斑不同。推测零件基体在镀前发生锈蚀是导致花斑的原因。

2.4 加工方法

操作流程均按工艺要求进行，各工序的工艺参数也在要求的范围内。跟产发现，生产过程使用了2种装挂方式──直径1 mm的铝丝绑挂和不锈钢挂具装挂。铝丝绑挂的零件镀后只有B类花斑，用不锈钢挂具装挂的零件镀后则两类花斑都存在。

图3 前处理后有花斑的零件Figure 3 A part with piebald defect after pretreatment

2.5 环境

该故障在秋冬季加工时未见发生，而发生在7−8月之间。一般6−8月是铝合金零件锈蚀故障的高发期，并且锈蚀容易导致后续镀层发花，因此基体发生锈蚀也是可能的原因之一。

3 工艺试验和原因排查

综上分析，推测电镀金层出现花斑的主要原因如下：

(1) 化学镀镍槽的选择不合理和零件装挂方式不合理相互影响，导致酸性化学镀镍过程中搅拌效果不好，使零件表面产生A类花斑。

(2) 在7−8月期间，基体容易发生锈蚀而使零件表面产生B类花斑。

因此，针对工件不同的装挂方式，提出解决方案，并通过试验来验证。

3.1 铝丝绑挂试验

零件完成混酸腐蚀后，对有花斑的基体表面进行打磨，除去零件基体上的锈蚀痕迹后，再用直径1 mm的铝丝绑挂，按正常工艺流程完成镀金。零件镀层外观合格，没有花斑。

3.2 挂具装挂试验

用挂具装挂零件，按流程镀金，选择大的酸性化学镀镍槽，在化学镀镍过程中每隔5 min手工晃动零件。后续镀金层没有A类花斑，只有B类花斑。

零件经混酸腐蚀后，打磨有花斑的基体以除去表面锈蚀痕迹，再用挂具装挂，按正常的工艺流程完成镀金。期间也选择大的酸性化学镀镍槽，在化学镀镍过程中每隔5 min手工晃动零件。最终得到外观合格、没有花斑的镀金层(见图4)。

图4 外观合格的镀金层Figure 4 Gold coating with qualified appearance

4 讨论与改进

酸性化学镀镍过程中伴随析氢副反应，溶液搅拌力度不够时，零件表面会附着氢气泡，当气泡长大到一定程度时会脱附而形成麻点缺陷，即A类花斑。吸附气泡处的零件表面与化学镀镍液之间被气泡隔离，化学镀镍反应受阻，因而该处的化学镀镍层偏薄。麻点缺陷在电镀生产中比较常见，在加工过程中选用大的镀槽并且采用压缩空气搅拌、机械搅拌或定期晃动零件，使零件得到有效搅拌，再无A类花斑出现。

夏季人体排汗量大，铝合金零件被人手接触后其表面残留的汗渍中的Cl−以及炎热潮湿的环境会加速铝合金的锈蚀。因此，每个工序之后都要用去离子水清洗零件，防止零件表面残留切削液、汗渍及其他容易导致零件锈蚀的物质。在转下道工序期间如果不能及时安排加工，应做好防锈措施。如果零件表面已发生锈蚀，应打磨除掉锈蚀产物后才能进入下道工序，以避免B类花斑出现。

采取上述措施后，零件的合格率从12%提高到100%。