电连接器铝合金镀金工艺研究.doc

电连接器铝合金镀金工艺研究 吴成华（西安创联电镀有限责任公司 陕西 西安 710065 ）摘要：针对铝合金镀金质量问题较多对工艺进行改进，通过经二次浸锌处理，以碱性化学镀镍作底层，然后进行酸性化学镀镍镀金，能在铝合金表面获得光亮的、具有优异附着力和良好的防腐蚀性能的镀金层。 关键词：铝合金；二次浸锌；化学镀镍；附着力Abstract：More to improve the process for aluminum alloy plating quality problem, through the secondary zinc immersion treatment, using alkaline chemical nickel plating for the bottom, and then to acidic electroless nickel plating, to gain a bright in aluminum alloy surface, excellent adhesion and good anti-corrosion performance of gold plated layer.Key words：Aluminum alloy; Secondary zinc leaching; Electroless nickel plating; adhesion引 言铝及其合金是应用最广泛的金属之一，具有导电性好、传热快、比重轻、比强度高，易于成型等优点，但是铝及其合金有硬度低、不耐磨、易发生晶间腐蚀、不易焊接等缺点，影响其应用范围和使用寿命，经过电镀之后可扬短避长。日渐成为一种常用的结构材料，在电子、航空航天、国防等诸多领域得到广泛应用。但是，铝及其合金电镀又存在许多困难，由于铝化学性质活泼，电化学电位很负(E-1.66V)，在酸碱中均不稳定，化学反应复杂。为了有效解决电连接器铝合金镀金产品的合格率，对铝及其合金进行了工艺研究，在过程中采用了化学镀 Ni-P合金、超声波等工序，电镀金后的一次合格率明显得到提高，整个工艺过程控制要点也得到了很好的固化。一、电连接器铝合金镀金常见问题铝及其合金由于其硬度低、耐磨耐蚀性差等弱点，在结构件中的应用受到了限制，常常需要采用表面处理技术改进其制件的表面性能。而铝合金电镀金工艺复杂，槽液涉及品种较杂，加上电连接器铝合金产品型号特殊，棱角、螺纹、内孔等较多，几何形状复杂，导致电镀后问题现象较多，常见的问题主要有以下三点：1、铝上电镀比其它金属上电镀要困难的多，主要是起泡和脱皮，结合力不良、究其原因是：铝和氧有很强的亲和力，表面总有一层氧化膜存在，极易氧化；铝是两性金属，没有适合直接电镀的电解液；铝很活泼，与许多金属易发生置换；铝的膨胀系数大(2410-6/)，比一般金属大；铝基与镀层之间常有氢气吸藏，容易鼓泡。2、铝合金电镀金后容易出现漏镍或漏镀层甚至漏基材的现象，经常出现在棱边、螺纹、口部等尖角处，需要电镀后进行挑选重新返镀，而究其主要原因，与过程中操作随意不规范导致磕碰伤有关。3、电镀金后表面红斑严重，由于产品特殊，外型较大，不适合采用机械甩干，人工方法不当导致表面残留水迹印较重。二、铝合金镀金问题机理分析通过对现象问题的深入剖析，针对铝及其合金气泡起皮产品，采用刀片将镀层划开，在25-100倍放大镜下观察，发现电镀金镍层已经脱离基体，严重区域用手可以将电镀层部分撕下，脱落处基体裸露，因此，可以判断为电镀镍层和基体结合力不良导致。原有铝及其合金工艺流程为：零件-碱洗-酸洗-浸锌-褪锌-二次浸锌-电镀镍-活化-电镀金，再通过人、机、料、法、环等方面入手，对比排除寻找磕碰伤、红斑产生环节，通过对工艺的研究，发现以下几个方面的问题:1、浸Zn层沉积质量差，导致锌层和电镀镍结合力差，引起气泡起皮现象。究其原理，因为铝表面的氧化膜经酸碱腐蚀去除后，在空气或水溶液中能迅速重新生成。为此，铝上电镀必须进行特殊前处理，其目的在于去除这些氧化膜，使其不能重新形成，并迅速赋予一层薄而均匀的金属镀层作为进一步按正常工艺电镀的底层。可见，能否置取这样一层理想的金属层乃是获得铝上电镀(化学镀)层附着力良好的工艺关键，工艺上普遍采用的方法是浸锌酸盐法。2、通过问题产品的破坏观察，电镀镍和浸锌层没有形成良好的结合力，尝试用化学镀镍替代电镀镍，用碱性化学镍打底后再进行酸性化学镀镍。而化学镀镍与电镀从原理上的区别就是电镀需要外加的电流和阳极，化学镀镍是依靠在金属表面所发生的自催化反应。化学镀镍层是极为均匀的，只要镀液能浸泡得到，溶质交换充分，镀层就会非常均匀。电镀镍无法对一些形状复杂的工件进行全表面施镀，但化学镀镍可以满足任何形状工件施镀。实践证明，两次浸锌工艺是铝合金获得附着力优异的化学镀镍层的前提条件，但是这层薄而致密的锌层在随后的化学镀镍溶液中会发生化学溶解作用，常规化学镀镍使用酸性溶液(pH45)，工作温度高(90)，显而易见如果铝合金浸锌后直接在酸性镀液中化学镀镍，锌层很快溶解掉，而且溶解的锌会污染镀液，为了减缓锌层的溶解作用，提高化学镀镍层对基体铝合金的结合力，延长化学镀镍溶液的使用寿命，必须采用碱性化学镀镍预镀工艺，再进行酸性化学镀镍，这也是铝合金化学镀金成功与否的关键所在。 3、内孔及螺纹处电镀层外观有瑕疵，有黑斑或残留铝屑。对问题现象进行观察，零件几何形状复杂，黑斑或残留铝屑主要集中在内孔台阶、凹槽处，明显为电镀前铝件清洗不干净导致，因此，对内孔及螺纹处容易粘连铝屑的地方考虑增加超声波清洗除油。4、产品外型较光滑，要求无磕碰伤，但是因为磕碰伤导致后道挑选的却较多，对工艺流程从开始到最后进行排查发现，在绑镀工序、清洗环节、活化方式、干燥后摆放零件等工序中存在不合理现象，导致零件互相磕碰，最终形成了漏基材的严重情况。因此，在上述环节必须进行工艺方式更改，避免零件在过程中进行互相接触。5、表面红斑是清洗后水迹残留在产品外壳平面处，干燥后形成局部红斑，红斑形成原因是零件甩干时力度太小，平面残留清洗水迹，在干燥后形成难以擦拭的水迹印，由于颜色较红，俗称红斑。三、电连接器铝合金镀金的工艺试验思路从铝及其合金对耐环境的影响、不同电镀方式方法、工艺过程细节的控制得出如下结果：1、如果在浸锌液中加入以铁、镍为主的金属离子，在发生共沉积时易形成金属化合物，由于生成这类化合物相对自由能最低，使所得的化学置换层的化学活性更趋稳定。尤其是镍离子呈更稳定络离子形式存在，从而能使镍离子与锌离子一起缓慢而均匀地置换沉积在铝表面，得到的锌镍合金层比常规浸锌更薄更均匀；2、化学镀镍由于其质量轻、厚度均匀、硬度高、可焊性良好并具有扩散阻挡特性和电磁屏蔽功能 ,在电子工业中特别适宜结构形状复杂(含深孔、盲孔、凹槽) 的电子元件镀覆或作电镀金、银的中间镀层。用碱性化学镍打底再用酸洗化学镍进行加厚比直接电镀光亮镍效果好，；3、有螺纹、内孔台阶等凹槽处采用超声波效果明显。清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。4、磕碰伤及红斑现象通过采取工艺调整可以满足产品要求。5、镀金后高温烘烤。电镀金后，化学镀镍/金层和铝基体界面产生的作用力称为应力，一般中磷(5%9%)镀层的拉应力典型值为56176MPa，高磷(10%12%)镀层的压应力28MPa，低磷(2%4%)镀层略有压应力，如果应力足够高而结合力不好则会造成镀层起泡或分离，或者在高、低温环境使用时，由于铝和镍的膨胀系数不同而产生的应力叠加到内应力上，也将导致化学镀镍层起泡。铝合金化学镀镍/金后进行热处理可能消除镍磷合金中残留的原子氢，使内应力得到缓慢释放，最大限度减少内应力绝对值，同时促使沉积层和基体间发生微量扩散，进一步提高镀层与基体附着力，而不降低耐腐蚀性。高温烘烤应在化学镀镍/金后立即进行，在有空气循环的烘箱中缓慢升温，效果较好,但温度不易超过250。四、电连接器铝合金镀金的工艺试验通过对问题原因寻找，结合产品电镀工艺特点，开展了相关工艺试验研究。1、浸锌工艺更改。先后对原有浸锌配方和锌镍配方进行了对比试验，通过试验，我们发现控制Zn-Ni层质量在12mg/dm2范围的浸锌工艺能充分保证铝上镀层附着力良好。特别是含镍的锌层为随后的化学预镀镍沉积初期提供了充足的催化核心，这是提高随后镍镀层附着力的一个重要因素。2、化学镀镍试验。对零件进行浸锌后，进行光亮镍和化学镍对比试验，电镀后不进行镀金后进行破坏力试验，通过破坏法进行试验发现，化学镍打弯破坏后镀层完整，未出现镀层脱落现象，光亮镍层破坏后打弯处镀层完整，用手触摸后有轻微掉镀层现象，根据相关标准，推荐铝合金提高附着力的高温烘烤规范如下：在150180下烘烤11.5h。再次高温除氢后，发现光亮镍在台阶处气泡现象，化学镍打底未出现该问题。3、超声波清洗试验。抽取多个内孔铝屑残留严重的产品，采用超声波配合弱碱性除油粉35分钟，内孔台阶、凹槽、螺纹处均无残留铝屑、油污，效果显著。4、工序固化。通过分析，导致零件碰伤及互相磕碰的环节很多，对零件上挂数量、间距高低、清洗活化方式、干燥后摆放方式等工序进行了对比试验，固化了电镀过程的操作方式，确定了导致碰伤的注意事项。通过反复验证，磕碰伤已经大大减少。5、红斑试验。通过制作工装并采用超声波清洗机进行电镀后清洗，脱水时采取保护措施，通过不同平面产品进行试验，外观表面没有形成红斑。五、结论 综上所述，我们通过对铝及其合金工序的仔细排查，工序工艺固化，铝合金在改良的锌镍溶液中两次浸锌后、采用碱性化学镍和酸性化学镍做底层后进行电镀金，获得了附着力优良良好的镀金层，有效解决了铝及其合金电镀金的一次合格率，满足了产品的进度质量要求。 参考文献：1 张允诚 胡如南 向荣 电