鍍銅防滲氮漏滲原因淺析

杜興盛 王輝

摘 要：碳和氮在銅中的擴散很困難，因此，對于局部需要滲碳和氮處理的零件，常用電鍍銅作為防滲碳和滲氮的保護層保護不需要滲的部位。某發動機零件根據設計要求局部需要滲氮處理，根據工藝要求非滲氮部位采用鍍銅層防滲，多次出現漏滲情況，嚴重影響生產進度。該文通過加工過程跟蹤分析，確定了影響防滲效果的原因，制定了相應的措施，并通過實際生產驗證，取得了較好的效果。

關鍵詞：鍍銅防滲；鍍銅槽；游離氰化物

中圖分類號：TQ153 文獻標志碼：A

0 前言

銅鍍層一般不單獨使用，而是作為底層應用，提高基體與鍍層間的結合力、耐蝕性等。除此之外，因為碳和氮在銅中的擴散很困難，因此，對于局部需要滲氮或滲碳處理的零件，常用電鍍銅層作為防滲氮或防滲碳的保護層保護不需要滲的部位。飛機發動機的中軸承機匣材料為1Cr13，是機加件和鈑金件焊接而成的結構件，屬于發動機的關鍵部件。根據設計要求內腔表面需進行滲氮處理，其余非滲氮采用鍍銅層進行保護。但近年來經常出現不同程度漏滲問題，一直影響生產的正常進行。該文通過現場實際跟產及對漏滲零件表面鍍層狀態的分析，確定了導致漏滲的主要原因，制定了相應措施并通過實際生產驗證，收到了較好的效果。

1 防滲鍍銅工藝

1.1 工藝配方

鍍銅槽：CuCN；21 g/L ；KCN；10 g/L；Na2SO3；1.5 g/L ；Na2CO3 小于100 g/L。

1.1.1 鍍銅槽液主要成分作用

氰化亞銅（CuCN）：它是鍍液主要成分與氰化鉀（KCN）形成銅氰絡離子，銅氰絡離子在溶液中平衡電位較負，當鋼件、鋁件等零件浸入鍍銅槽液時不會發生銅的置換現象，從而獲得結合力良好的銅鍍層。

游離氰化物是指未與氰化亞銅（CuCN）絡合，而是以游離狀態存在的氰化鉀（KCN），它的存在是控制氰化鍍銅的重要因素，游離量過低，鍍層易粗糙發暗；相反，鍍層會較為細致，但游離量過高會產生大量的氫氣，導致沉積效率降低。

1.2 鍍銅層技術要求

1.2.1 外觀

鍍銅層應為淺紅色或玫瑰紅色，結晶均勻、細致。

1.2.2 鍍層厚度

鍍層厚度應不小于30 μm，每個工作班每槽至少抽取（2～3）件檢查一次。

1.2.3 鍍層孔隙率

將零件或試樣浸入測試液中，并保持5 min，取出后觀察零件表面應無藍色斑點。測試液：K3[Fe（CN）6]（化學純）10 g/L，NaCl（化學純）20 g/L。

2 分析與討論

中軸承機匣在機械加工過程中，非滲氮表面經常出現因為漏氮導致機械加工面硬度高，以致車加工時基體出現“掉渣”、“剝落”現象，尤其在孔邊緣該現象更為明顯。

2.1 不合格情況統計

根據現場跟蹤的情況來看，影響防滲效果的原因見表1。

2.2 原因分析

2.2.1 鍍層結合力差

（1）因零件溝槽處銹跡、油污等清理不凈，導致銅鍍層與基體結合力不佳，鍍層起泡起皮。

（2）預鍍鎳作為中間層，鍍層質量不好直接影響結合力。實際預鍍鎳過程中，每槽加工零件過多（現有預鍍鎳槽電源電流最大量程為500 A，為保證預鍍鎳電流密度為5 A/dm2～10 A/dm2，每槽最多可加工3個零件），電流密度小，工藝時間內無法保證鍍層厚度；零件形狀復雜，預鍍鎳過程中由于產生氣袋而影響中間鍍層質量。

（3）吹砂與電鍍時間間隔較長，使活化的吹砂表面在空氣中再次被氧化，影響了鍍層與基體的結合力。

2.2.2 鍍層粗糙，影響防滲效果

（1）預鍍鎳溶液中的雜子含量過多時，鎳鍍層變得粗糙多孔，影響了厚度測量精度。

（2）由于在加工過程外來槽液帶入、槽液面添加及零件自身金屬屑等，使氰化鍍銅溶液雜質含量不斷增加，直接影響鍍層質量。

（3）配制氰化鍍銅電解液時，通常加入約25 g/L的碳酸鈉，但經過一段時間后，由于以下原因造成了碳酸鹽的形成和積累，影響了鍍層質量（以生成碳酸鈉為例）。

a.空氣中的二氧化碳和氧這2種成分和氰化鍍液接觸，（特別是熱鍍液）產生了碳酸鹽。

b.槽液補添加，自來水加到溶液中，其中的碳酸或碳酸氫鹽就能形成碳酸鈉。

c.陽極鈍化時，陽極上析出的氧氣會使氰化物分解并造成鍍液中碳酸鹽的積累。

一般工藝要求碳酸鹽的含量應不高于100 g/L。碳酸鈉含量不斷累積升高，會增加鍍液黏度，增大鍍液的界面張力，使鍍液混濁，產生懸浮微粒（低溫時），造成陰極電流密度范圍縮小，陰極電流效率降低，陽極易于鈍化，導電能力下降，從而導致鍍層發暗、結晶粗糙、孔隙率明顯增多。碳酸鈉形成和積累的第一個原因是不可避免的，第二個原因可通過添加去離子水來緩解，而第三個原因會造成碳酸鹽的迅速積累，所以需要嚴格控制。

3 改進措施

為保證鍍層與基體之間的結合力和降低鍍層孔隙率，針對上述影響鍍層質量的原因，完善了工藝規程，強化了過程控制：

3.1 加工前準備

3.1.1 槽液控制

嚴格按工藝要求對主要鍍槽（預鍍鎳和防滲鍍銅）溶液進行分析和調整（包括檢氣孔溶液），確保槽液成分和含量符合工藝要求。

3.1.2 設備管理

嚴格執行工部文明生產管理制度，每班開工前清理工藝槽陽極板及陽極銅棒，并檢查電源導電情況，確保電鍍設備正常。

3.1.3 槽液中碳酸鹽控制

避免碳酸鹽的形成和積累。利用冷凍法將CO3-2降低到30 g/L～40 g/L，保證銅鍍層的質量。也可以加入Ba（OH）2或Ca（OH）2用化學沉淀方法去除超量的CO3-2。

防止銅陽極鈍化：1）加強控制陰陽極面積比，陰極面積：陽極面積=1∶1.5。2）陽極板每班工作后及時取出。3）嚴禁將Cr6+、Pb2+重金屬雜質離子帶入鍍液。4）在調整液面時，添加熱水補充液面。

3.2 電鍍過程控制

（1）控制吹砂與電鍍的時間間隔不能超過4 h。

（2）除油后，檢查零件表面水膜連續，10 s～30 s內，水膜連續、完整。

（3）保證預鍍鎳電流密度為5 A/dm2～10 A/dm2。

（4）預鍍鎳加工時，先不通電腐蝕2 min，翻動零件一次，然后通電3 min～5 min，并隔2 min翻動一次零件，以免產生氣袋而影響中間鍍層質量。

（5）鍍銅過程中每隔1 h翻動一次零件。

（6）電鍍結束后立即檢查鍍層氣孔，檢孔合格后立即清洗零件，然后進行中和處理防止零件產生銹蝕。

4 實施效果

自實施控制措施后，共加工13批零件，共計68件，滲氮后在車加工過程中均沒有出現“掉渣”、“剝落”現象，表明鍍銅防滲氮效果良好。

參考文獻

[1]張允誠.電鍍工藝手冊[M].北京：國防工業出版社，1997.

[2]錢苗根.現代表面處理技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]李金桂.航空產品腐蝕及其控制手冊[M].北京：航空工業部六二一研究所，1985.