對(duì)護(hù)板零件電鍍鎘層厚度均勻性控制的研究

成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)（有限）責(zé)任公司□王 茜 杜成立 馬瑞峰

1 引言

隨著航空飛行器的質(zhì)量提升，其零部件表面質(zhì)量要求愈加嚴(yán)格，對(duì)不規(guī)則形狀金屬零件電鍍膜層附著力、厚度均勻性也有更高要求。在電鍍生產(chǎn)實(shí)踐中，金屬鍍層的厚度及鍍層的均勻性與完成性是檢驗(yàn)鍍層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。對(duì)加強(qiáng)護(hù)板類零件電鍍鎘時(shí)，發(fā)現(xiàn)零件裝配由于受到外力作用，邊角區(qū)域鍍鎘層易呈片狀脫落。經(jīng)對(duì)零件表面鍍層進(jìn)行厚度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鎘層脫落區(qū)域厚度均比零件其他部位較大。因此，研究電鍍過(guò)程中尖端效應(yīng)對(duì)鎘層厚度均勻性的影響因素，對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)護(hù)板類零件表面鍍層質(zhì)量提升是非常重要的。

2 影響鍍層厚度均勻性的因素

電鍍時(shí)，對(duì)于鍍液中的任何金屬離子，只要陰極點(diǎn)位足夠負(fù)，則金屬離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，沉積在陰極表面，從而在陰極表面形成電鍍層。鍍層厚度與電流密度、電鍍時(shí)間、電流密度及陰極電流效率有關(guān)，見(jiàn)公式（1）：

式中d——鍍層厚度，μm

K——待鍍金屬的電化學(xué)當(dāng)量，g/（A·h）

Dk——陰極電流密度，A/dm2

t——電鍍時(shí)間，min

ηk——陰極電流效率，%

ρ——待鍍金屬密度，g/cm3

式（1）中，待鍍金屬的電化學(xué)當(dāng)量K及待鍍金屬密度ρ與金屬種類有關(guān)，陰極電流效率與槽液成分有關(guān)，陰極電流密度Dk與電流及鍍件面積有關(guān)。在已知待鍍件面積及夾具面積情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電流控制陰極電流密度Dk。因此，只要確定鍍種，影響的鍍層厚度僅只有電鍍時(shí)間t及陰極電流效率ηk。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于復(fù)雜零件，因其結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，往往在其表面上電流的分布不均勻，電鍍液的分散能力不佳，在相同時(shí)間內(nèi)，造成零件表面不同部位膜層厚度不均勻。

3 控制方法研究

以帶凹槽的加強(qiáng)護(hù)板（材料牌號(hào)：30CrMn-SiA）為例，厚度要求為18μm~25μm。零件如圖1所示。

（1）常規(guī)操作

圖1 中加強(qiáng)護(hù)板零件面積為約5dm2，使用通用夾具裝掛（如圖2所示），加上夾具電鍍面積約8dm2。先加大電流沖擊鍍30s后，設(shè)定電流密度為2A/dm2，電鍍時(shí)間30min。在零件①~⑩號(hào)位區(qū)域上分別測(cè)量五次鍍層厚度，鍍層厚度分布情況詳圖3。

圖1

圖2

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)顯示，加強(qiáng)護(hù)板電鍍過(guò)程中整體膜厚突分布不均勻。在④、⑤、⑨、⑩號(hào)位受尖端效應(yīng)影響，使得膜層較其他號(hào)位膜層過(guò)厚，且膜層有肉眼可視的樹(shù)枝狀。同時(shí)因電流分布不均，使得①、②號(hào)位膜層厚度過(guò)小。而⑥、⑦號(hào)位有局部搶電現(xiàn)象。

（2）增加象形陽(yáng)極

為使電鍍過(guò)程中加強(qiáng)護(hù)板上電流分布均勻，對(duì)尖角區(qū)域及凹槽內(nèi)增加象形陽(yáng)極，如圖4所示。加上夾具電鍍面積約9dm2。同樣先加大電流沖擊鍍30s后，電流密度調(diào)節(jié)為2A/dm2，電鍍時(shí)間40min。在零件④、⑤、⑨、⑩號(hào)位區(qū)域上分別測(cè)量五次鍍層厚度，在①、①′、②、②′、③、⑥、⑦、⑧號(hào)位區(qū)域[見(jiàn)圖3a）、圖3b)]上測(cè)量10次。鍍層厚度分布情況詳見(jiàn)圖5。

圖3

圖4

由圖5所示，膜層分布相對(duì)均勻，跳躍點(diǎn)不多，基本可控在18μm~25μm。在④、⑤、⑨、⑩號(hào)位受尖端效應(yīng)的影響不大，膜層厚度的波動(dòng)范圍已然減小。

圖5 增加象形陽(yáng)極電鍍膜層分布

（3）厚度均勻性分析

加強(qiáng)護(hù)板零件常規(guī)操作鍍鎘與增加象形陽(yáng)極鍍鎘后的平均膜層厚度較設(shè)計(jì)要求厚度范圍平均值（20.5μm）的離散分布圖見(jiàn)圖6。

如圖6所示，可以看出傳統(tǒng)鍍鎘膜層標(biāo)準(zhǔn)差差值跨度大，離散程度大，可見(jiàn)膜層分布不均勻。增加象形陽(yáng)極后的鎘層平均厚度標(biāo)準(zhǔn)差值更小，線性分布更為均勻，離散程度小，膜層厚度均勻。

圖6 離散分布圖

（4）原因分析

由于生產(chǎn)過(guò)程中槽體形狀和極板的局限性，且零件的不規(guī)則性，使電鍍液中電力線不平行；再者掛具零件邊角處電力線比較集中，沉積的鎘更多。在未增加象形陽(yáng)極時(shí)，加強(qiáng)護(hù)板零件④、⑤、⑨、⑩號(hào)位置因均處在尖角區(qū)域，易搶電使得Cd2+獲得電子結(jié)晶析出速度過(guò)快，造成晶粒粗大，鍍層過(guò)厚、疏松、粗糙、不夠致密，極大可能造成膜層結(jié)瘤或形成樹(shù)枝狀，影響鍍層結(jié)合力和耐蝕性，甚至在受外力作用下導(dǎo)致鍍層脫落。

一般地，電流密度增大，陰極極化作用較大，分散能力可得到改善。且在氰化物電解液中，電流效率隨電流密度的增加而降低。因近陰極電流密度比遠(yuǎn)陰極電流密度大，所以近陰極電流效率比遠(yuǎn)陰極低，使金屬的分布比電流的分布更均勻。

在未增加象形陽(yáng)極的電鍍鎘過(guò)程中，加強(qiáng)護(hù)板零件在電鍍液中的陰極極化程度不夠大，使得鎘層沉積不均勻，出現(xiàn)樹(shù)枝狀。而在增加象形陽(yáng)極的電鍍過(guò)程中，加大沖擊電流，陰極極化的絕對(duì)值增加，加大了陰極過(guò)電位，使晶核形成速度迅速加快，晶粒數(shù)目增多，晶種臨界半徑變小，鎘層結(jié)晶更為細(xì)致。

4 結(jié)論

因加強(qiáng)護(hù)板類零件結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，其在電鍍液中的電力線分布較為復(fù)雜，在零件邊緣、棱角處電流密度較大，出現(xiàn)尖端效應(yīng)，導(dǎo)致膜層厚度分布不均勻且易脫落。本文以帶凹槽的加強(qiáng)護(hù)板（材料牌號(hào)：30CrMnSiA）為例，在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)增加象形陽(yáng)極，讓零件盡量與陽(yáng)極平行，提高電鍍液分散能力，使膜層厚度分布均勻，避免因膜層過(guò)厚、疏松，甚至脫落。

目前，新機(jī)研制過(guò)程中存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鍍鋅、鍍銀等技術(shù)要求，鍍層厚度不均勻成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。本文提出的解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鍍層厚度不均勻的工藝方法適用于其他電鍍工藝的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，有著良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。