颜晨光

（西安西电开关电气有限公司，陕西 西安10077）

铸铝合金具有良好的导电、导热、高强度、易成型等优点，且因其价格较铜材低廉[1]，已广泛用在高压开关内部导体上。

在高压开关导体两个接触面上电镀银，以达到增强其导电、导热、减少摩擦力的作用[2]。大量铸铝合金用于导体的加工制造，由于铸铝合金在铸造的过程中，容易产生缩孔、针孔、组织疏松等缺陷，铸铝合金导体镀银时，更容易产生诸多缺陷，影响高压开关产品的可靠运行，当前影响较大的是铸铝合金导体镀银面电阻超标问题，因此本文针对铸铝合金导体镀银面电阻超标问题进行了分析研究。

1 工艺试验方法

1.1 导体材料

导体材料选用的是ZL101H铸铝合金[3]，材料成分中除铝外，Si元素含量为：6.50%～7.50%，含量较高。

1.2 传统工艺

公司原来采用的铸铝合金导体镀银前的表面处理工艺为：

（1）化学除油：见表1.

表1 铸铝合金导体镀银前化学除油

（2）碱蚀：见表 2.

表2 铸铝合金导体镀银前碱溶液腐蚀

（3）出光：见表 3.

表3 铸铝合金导体镀银前表面出光处理

（4）浸锌：见表 4.

表4 铸铝合金导体镀银前表面浸锌处理

由于一次浸锌工艺得到的浸锌层晶粒粗大，在其表面镀银，镀银层结合力非常差，组织疏松，孔隙率大，为了保证铸铝合金导体镀银层与基体的结合力，银层致密，孔隙率少，我公司采用二次浸锌镀银工艺。

一次浸锌的工艺时间：30～40 s二次浸锌的工艺时间：15～20 s

1.2.1 生产出现的问题

铸造铝合金导体镀银后，导体镀银面电阻值超标，废品率达到了60%～70%，造成了大量的返工浪费，严重制约了公司产品的出产。

1.2.2 原因分析

高压电气产品中导体的镀银不同于普通镀银，主要有以下特点：

（1）材质主要以ZL101H铸铝合金为主，而不是选用煅铝及铜合金等材料，为了降低生产成本80%以上都选用ZL101H铸铝合金。

（2）银层厚度要求在10 μm以上，银层厚度比一般零件高，才能确保高压开关产品在开合摩擦时不至于划伤银层而导致导电能力受影响。

基于高压开关产品的以上特点及要求，在高压开关产品中，ZL101H铸铝合金导体表面镀银技术要求会更高，一旦镀银产生质量问题，严重的会引发高压开关产品放电不能正常运行甚至爆炸。由于高压开关产品铸铝合金导体的特殊结构，在铸铝合金导体表面镀银较铜材困难的多[4]，出现的问题也比煅铝及铜合金等材料镀银复杂，目前制约我公司产品出产的影响因素是铸铝合金导体电阻超标问题，为了解决铸铝合金导体电阻超标问题，做了大量试验分析和研究，引起铸铝合金导体电阻超标的原因较为多样和复杂，就目前的原因归为三类：铸铝合金本身缺陷、电镀溶液不符合工艺要求及镀银工艺问题。

2 分析与结果

2.1 铸铝合金导体本身缺陷

为了防止铸造铝合金导体镀银面出现起皮、起泡等镀银缺陷，首先对镀银前的铸造铝合金导体待镀银面材质表面用光学显微镜进行了低倍组织观察，对铸造铝合金导体的低倍组织进行比较，通过对比观察发现，合格零件铸造铝合金导体的低倍金相组织明显要比电阻超标的零件要致密，其低倍组织外观照片见图1所示。

图1 铸铝合金导体材质比较

铸造铝合金导体表面晶粒的细化程度取决于零件的热处理程度，把铸造铝合金导体按热处理程度依次加深的试样，根据热处理程度由左向右排列，其金相照片见图2所示，通过金相组织的照片可以看出，随着铸造铝合金导体热处理程度的加深，其零件的金相组织越细密，晶粒越细致，当达到一定程度，镀银面电阻值合格，合格的铸造铝合金导体是保证铸造铝合金导体镀银面电阻值合格的前提条件。

图2 电镀前导体热处理试样

通过大量的试验对比分析，认为铸铝合金导体本身材质的优劣是决定电阻合格与否的主要因素，所以，只有铸造铝合金导体材质本身结构致密并晶粒细致，才能保证铸造铝合金导体镀银面电阻值合格，它是保证铸造铝合金导体镀银面电阻值合格的基础条件。

2.2 工艺因素的影响

公司电镀工艺采用的比较成熟的传统有氰镀银工艺，其主要特点是易于操作并且工艺稳定，但是，如果在铸造铝合金导体镀银的过程中，操作工艺控制不当，而在铸造铝合金导体镀银面产生诸如针孔、麻坑、起皮、起泡、漏镀等镀银缺陷，就必然会造成铸造铝合金导体镀银面电阻超标问题，因此，对铸造铝合金导体镀银后，银层良好并无镀银表面缺陷的电阻超标导体进行比较分析，首先考虑镀银溶液中是否存在超标的杂质而造成导体镀银面电阻值的不合格，其次，考虑镀银过程中零件表面遭受腐蚀而导致导体镀银面电阻值超标，如果通过大量试验验证，加强工艺操作管理措施，这种影响可以得到控制。

2.3 镀银槽溶液带入Cu2+的影响

由于在铸造铝合金导体镀银前，先要预镀铜，难免会在镀银槽溶液中带入一些Cu2+，分别对镀银槽溶液中Cu2+含量异常和正常的镀银槽溶液进行了导体试样镀银，并对铸造铝合金导体镀银面进行了电阻测量，选用的回路电阻测试仪是保定市超人电子有限公司生产的型号为：SM40B的回路电阻测试仪，通过两种情况下导体镀银面的电阻值比较分析，结果显示都处于正常范围，并且镀银槽溶液中Cu2+含量为1.4%的异常镀液，电镀出来的导体镀银面的电阻值，却反而好于正常镀银溶液电镀出来的导体，根据实验结果的比较分析，认为镀银槽溶液中带入Cu2+对导体镀银面电阻值超标的影响较小，试样测量结果见表6和表7所示。

表6 铜离子含量为1.4%的非正常镀液（要求≤8μΩ）

表7 正常镀液（要求≤8μΩ）

2.4 导体化学除油的影响

由于铸造铝合金导体受铸造工艺的影响，铸造铝合金导体经常会有晶粒粗大、组织不致密的零件，导体镀银前要进行碱腐蚀除油和氧化膜处理，因而会造成导体基材中的Mn、Cu、Si等不溶于碱溶液的物质残留在导体待镀银出表面上，从而会在导体待镀银面上，Mn、Cu、Si的残留物与腐蚀残渣会形成“挂灰”吸附膜，造成即使导体经过强碱溶液除油和氧化膜处理，这些“挂灰”吸附膜仍然会粘附在导体待镀银表面上。在导体镀银前要进行酸蚀，其主要目的是溶去这些“挂灰”吸附膜，使导体待镀银处露出光亮的表面，并处于良好的活化状态[5]。传统镀银工艺中碱溶液腐蚀可以除去导体表面的氧化膜，但经过HNO3出光处理后，却无法除去导体待镀银表面的“挂灰”吸附膜，经常在导体镀完银之后，导体镀银面上会形成微小的麻坑、针孔等电镀缺陷，造成导体镀银层组织不致密，银层孔隙率较大，这样镀银后的导体在安装装配时，由于两个导体间的镀银层接触面的面积相对减小，从而造成导体镀银面电阻值超标，Si晶脱落照片见图3所示。

图3 Si晶脱落图

经过导体电镀银试样试验比较分析，在传统镀银工艺操作中，导体镀银前的强碱溶液的弱腐蚀除油和氧化膜处理过程，会造成导体待镀银面组织结构产生多孔、疏松等缺陷，导致导体镀银后的电阻值必然受到影响。

2.5 镀银工艺的影响

由于ZL101H铸铝合金导体，硅含量较高，在导体镀银前，要经过浸锌处理，而浸锌前的强碱溶液的弱腐蚀和HNO3出光处理不可能将导体待镀银面上的硅元素完全除去，由于硅不导电并阻碍电镀时电流的流动，因此硅所占据的导体待镀银表面不会有锌沉积。由于在纯铝表面形成了一层锌酸盐膜，因此在含有少量氧化锌和氢氧化钠溶液中纯铝自腐蚀速率很微弱。导体待镀银面含有少量硅的铝，浸锌后自腐蚀最小，这并不完全是锌置换铝形成的，即使是这层膜完全是由于锌置换铝形成的，但也不可能对铝有牺牲阳极的保护作用，因为在碱性溶液中铝相对于锌来说电位较负，是阳极，而锌相对于铝来说电位较正，是阴极。这层可能是由锌和硅在碱性溶液中的相互作用而形成的锌酸盐膜是具有保护作用的膜，在碱性溶液中锌-硅合金可均匀的沉积在铝铸造铝合金导体的待镀银表面上，导体待镀银面浸锌之后铝的开路电压正移。通过试验分析和工作中积累的经验分析，为了避免铸造铝合金导体在镀银时，由于碱洗除油和氧化膜处理，及HNO3出光处理对铸造铝合金导体造成镀银面的电阻值超标影响，经过分析研究，有针对性地提出了改进的铸造铝合金导体镀银工艺方案，制定了新的工艺流程，从而确保铸铝合金导体镀银面电阻值超标问题得到解决。针对传统工艺铸造铝合金导体镀银时，由于碱洗除油和氧化膜处理，及HNO3出光处理产生的导体待镀银面“挂灰”现象，经过大量的工艺试验，采用改进后的镀银工艺，在除去氧化膜和导体表面油污的同时，也可以把导体表面上的Mn、Cu、Si等“挂灰”物质除去，使导体待镀银面露出平整且致密的金属组织，从而保证导体镀完银后，导体镀银层表面就无“挂灰”等缺陷存在，导体镀银层组织比较致密，孔隙率较少，从而很好地解决了因传统的镀银工艺不适合铸造铝合金导体镀银，而造成的导体镀银层电阻值超标问题。

2.5.1 改进后的铸铝合金导体镀银工艺

经过大量的试验分析之后，对传统镀银前的表面处理工艺进行了优化改进，从而保证了铸铝合金导体镀银后镀层结合力好，孔隙率少，银层致密，电阻值符合要求，改进后的铸铝合金导体镀银前的表面处理工艺为：

（1）新化学除油工艺：见表8.

表8 新化学除油工艺

（2）新碱蚀工艺：见表9.

表9 新碱蚀工艺

（3）新出光工艺：见表10.

表10 新出光工艺

（4）新浸锌工艺：见表11.

表11 新浸锌工艺

一次浸锌时间：60 s

二次浸锌时间：30 s

采用改进后的镀银工艺，碱蚀溶液中加入高浓度的NaF，目的是为了消除高硅铝合金表面的一部分硅，NaOH、NaF与铝或铝合金发生下列反应：

碱蚀处理可以除去一部分硅，但只是很少的一部分，碱液可溶去合金表面上的硅，F-的存在一方面在合金表面上造孔，另一方面可以生成溶解度较小的Na3AlF6，在合金表面吸附沉淀。出光处理可以除去表面绝大部分硅，出光后在高硅铝铸件表面形成了大量的坛口状孔穴，为浸锌打下了良好的基础。

改进后的工艺，浸锌液的前处理液具有微刻蚀作用，能在铝合金表面形成大量、高度弥散、尺寸在亚微米级的坛口状孔洞，这种孔洞对浸锌层、镀层起着锚链作用，铝合金表面孔洞的均匀分散是得到良好结合力的前提。浸锌层的质量直接关系到镀层与基体结合力，只有中间浸锌层中细小锌晶粒的高度弥散的均匀分布，才能使高硅铝合金基体与镀层得到牢固的结合。

2.5.2 改进后的铸造铝合金导体镀银工艺验证结果

改进后对我公司铸造铝合金导体镀银面电阻值超标最严重的三种导体，进行了改进后的导体镀银工艺实物镀银比较验证，结果显示，改进后的工艺，镀银后的导体镀银面用SM40B的回路电阻测试仪检测，电阻值全数合格，检测结果见表12、表13、表14所示。

表12 新、旧工艺镀银零件电阻值测量结果（要求电阻≤7μΩ）

表13 新、旧工艺镀银零件电阻值测量结果（要求电阻≤7μΩ）

表14 新、旧工艺镀银零件电阻值测量结果（要求电阻≤7μΩ）

通过对改进后的铸造铝合金导体镀银工艺与传统的铸造铝合金导体镀银工艺的比较验证，从实物镀银后检测结果可以看出，采用改进后的铸造铝合金导体镀银工艺对导体进行镀银后，导体镀银面电阻值全部合格，同时，经过1500CX2h的热震实验检测后，铸造铝合金导体镀银面没有发现起泡现象，导体镀银面经过附着力检测，结果合格，改进后的铸铝合金导体镀银工艺能够满足高压开关产品对导体镀银面电阻值的要求，采用改进后导体镀银工艺，合格率提高到了98%，从而确定了改进后导体镀银工艺的合理性，由于操作简单、适用、稳定，适合于我公司的批量化生产。

3 结论

（1）铸造铝合金导体基体材质应组织致密，热处理完全，待镀银面没有针孔、疏松等缺陷，这是保证导体镀银后镀银面电阻值合格的关键因数。

（2）电镀过程中镀银槽溶液中铜离子含量对铸造铝合金导体镀银后的镀银面电阻值的大小没有影响。

（3）采用改进后的铸造铝合金导体镀银工艺，解决了镀银面电阻值超标难题。

（4）经过高压开关产品近5 000件的铸造铝合金导体镀银后的生产实践证明，改进后的铸造铝合金导体镀银工艺生产的导体零件，镀银面电阻值合格，并且具有质量稳定可靠，工艺操作简单等优点，已用于我公司高压开关产品中的铸造铝合金镀银导体的批量化生产。