有哪些因素會影響接插件電鍍金層分布

1前言
金屬鍍層在陰極上分布的均勻性,是決定鍍層質量的一個重要因素,在電鍍生產中人們總是希望能在鍍件表面獲得均勻的鍍層。接插件中的插孔接觸件,由於功能部位為插孔內表面,如果鍍件內外表面鍍層能分布一致,就可以 限度地減少生產成本。但實際上不管是採用何種電鍍液,總是存在着鍍層厚度不均勻的現象。根據法拉第定律,在電鍍過程中,電流通過電鍍液(電解質溶液)時,在陰極上析出物質的量與通過的電量成正比。從這一點來講,鍍層在零件表面的分布取決于電流在陰極表面的分布,所以一切影響電流在陰極表面上分布的因素都影響鍍層在陰極表面的分布[1]。另外,在電鍍過程中,陰極上發生的反應,往往不是簡單的金屬析出,在伴隨金屬析出的同時常有析氫反應或其它副反應的發生,這說明鍍層分布還要受到溶液性能的影響,同時也還涉及電流效率的問題。在接觸體鍍金的日常生產中,筆者發現:鍍層在陰極上分布的均勻能力除了跟溶液的性質有關外,也與鍍件形狀、電鍍方式的選擇、電鍍電源的選擇、電流密度範圍的選擇以及鍍件的裝載量等因素密切相關。

2影響鍍層在陰極表面分布的因素
2. 1電流密度
任何鍍液都有一個獲得良好鍍層的電流密度範圍,鍍金液也不例外。當電鍍過程中電流密度超出工藝範圍上限值過大時,往往會形成粗大的結晶顆粒,在此基礎上獲得的鍍層較粗糙;而在低電流密度下操作時獲得的鍍層較細緻。對於滾鍍金或振動鍍金而言,由於金鍍液中金的質量濃度較低(一般為2 ~ 6 g/L),電流密度在0.1 ~ 0.4 A/dm2之間進行操作時都能獲得良好的鍍層。但當採用上限電流密度操作時,陰極附近的[Au(CN)2]–就會缺乏,造成陰極上析氫反應加劇,電流效率就會降低。因此,用0.2 A/dm2的電流密度進行電鍍與用0.1 A/dm2的電流密度進行電鍍,在生產時間上並不是簡單的倍數關係。
在採用滾鍍和振動鍍進行低速鍍金的過程中,如果採用較高的電流密度,發生尖端效應的可能性增大。特別是在振動電鍍時,由於在整個電鍍金過程中鍍件的尖端始終朝向陽極(振篩外面是陽極圈),尖端效應就更為明顯,鍍件邊緣或插針、插孔尖端處的鍍層較厚而低端處鍍層相對較薄,造成零件表面鍍層厚度分布不均勻。因此在應用低速鍍金工藝時,針對細長形狀針孔接觸體,一般都採用工藝中電流密度範圍的下限進行操作,用小電流、長時間的電鍍方式來獲得鍍層厚度相對均勻的鍍層。
2. 2電鍍電源
在目前的接插件電鍍行業中,常使用的電鍍電源有3種:直流電源、脈衝電源和雙向脈衝電源。目前使用 的是直流電源。為使孔內鍍金層厚度達到圖紙要求,如果用傳統的直流電源,孔外的鍍金層厚度會比孔內的厚,特別是接觸體中許多小孔零件,孔內、外鍍層的厚度差更加明顯。而採用週期性換向脈衝電源時,在電鍍金過程中,當施加正向電流時,金在作為陰極的鍍件表面沉積,鍍件的凸起處為高電流密度區,鍍層沉積較快;當施加反向電流時,鍍件表面的鍍層發生溶解,原來的高電流密度區溶解較快,可以在零件的凸起處除去較多的鍍層,使鍍層厚度均勻。
生產實踐証明,採用週期性換向脈衝電源不但可以改善鍍金層在接觸體孔內、外表面的分布,同時對電鍍時的整槽鍍件的鍍層均勻性也有較好的改善。表1是採用孔徑為1 mm、孔深大於3 mm的接觸件(名為接線導管),按1.3μm厚度(圖紙規定1.27μm)要求,以0.1 A/dm2的陰極電流密度,在兩種不同電鍍電源振動鍍金后所檢測出的鍍層厚度數據。
2. 3鍍件裝載量
鍍件裝載量是否恰當,對於鍍金層能否在鍍件上均勻分布也十分重要。無論是採用振動電鍍方式還是滾鍍方式,若鍍件數量較少而低於裝載量下限時,在電鍍過程中鍍件容易受到導電不良的影響,而且鍍層均勻性也會受到明顯影響,必須加入一些陪鍍件以保証鍍件不會中途斷電,同時也促使鍍件均勻翻轉。當鍍件裝載量較大時,鍍件在滾筒或振篩中位置相互交換不夠充分,一部分鍍件始終處於高電流密度狀態而其餘的鍍件則始終處於低電流密度狀態,最終造成鍍件之間鍍層分布不均勻。因此,一般電鍍生產廠都在工藝中規定了每槽鍍件的裝載量範圍。通常按以下原則選擇鍍件裝載量:
(1)鍍件在滾筒或振篩中能完全連續導電,不會因為裝載量過少而造成導電不良。
2)在滾筒或振篩中,鍍件之間位置的相互交換狀態良好。
3)鍍件裝載量一般為滾筒或振篩容積的1/3,不超過1/2。
2. 4電鍍方式和電鍍設備選擇
針對不同形狀的鍍件,在選用電鍍方式時應該有所區分。例如:對異型鍍件和帶有孔徑大於1 mm非盲孔的細長形狀接觸體而言,一般適宜採用滾鍍的方式;對於孔徑小於1 mm的小型插針、插孔,特別是帶有盲孔的接觸體而言,一般適宜採用振動電鍍的方式[2]。總之,對不同形狀的零件採用合理的電鍍方式對於鍍金層分布的均勻性十分重要。另外,在電鍍過程中為了減小鍍液濃差極化,應重視鍍液的攪拌。對於鍍金液而言,一般採用循環過濾的方式。在傳統的滾鍍電鍍生產過程中,用於電鍍細小針孔接觸體的滾筒為了防止針尖插在滾筒壁上,滾筒壁上的濾液孔往往設計得很小,滾筒內外的溶液不能迅速交換(見圖1),電鍍時由於陰極附近的[Au(CN)2]–不能得到迅速補充,鍍液很容易產生濃差極化,從而影響分散能力,最終影響到鍍層的均勻性。

近幾年來出現的新滾鍍生產線,針對傳統樣式滾筒的缺點進行了改進。新式滾筒除了在陰極接點方式上把導電辮改為導電釘外,與舊滾筒之間 區別是新滾筒設計有喇叭形溶液進口,使用時可以與鍍液循環過濾泵出液口對接,便於加速滾筒內、外溶液循環,減小電鍍過程中鍍液的濃差極化
採用舊式滾筒電鍍的樣件,鍍件前後端鍍層厚度差超過0.2μm;而採用新式滾筒電鍍的樣件,鍍件前後端鍍層厚度差僅為0.07μm左右。筆者所在公司某類高頻連接器外殼A與外殼B,要求內孔4 ~ 6 mm處厚度要達到0.38μm的深孔鍍金件。使用傳統滾鍍生產線以舊式滾筒電鍍時,若要使鍍件孔內金屬厚度符合上述要求,則外表面金層厚度將分別達到0.5 ~ 0.9μm與1.5 ~ 2.0μm左右,金材浪費較大;採用新滾鍍生產線以新式滾筒電鍍后,在孔內檢測點金層厚度達到0.38μm時,鍍件外表面的厚度可以降低到0.6 ~ 0.7μm。這說明在鍍層厚度分布上,採用改進后的新式滾筒鍍出的鍍件,鍍層厚度比較均勻,這也說明電鍍設備的改進可以改善鍍金層在鍍件表面的分布,使鍍層更為均勻。
2. 5基體形狀
鍍件的基體形狀不同,則鍍層的均勻性也不同。越是細長或孔越深的接觸件,其鍍層的均勻性越差。另外,在接觸體中的部分插孔件,插孔開口處縫隙寬度大於孔壁厚度,由於在電鍍過程中鍍件不斷翻轉,不可避免地會出現部分鍍件之間相互對插的現象(見圖3),這對電鍍質量影響很大。因為對插易造成插孔鍍后孔內“黑孔”,鍍層厚度分布不均勻,在互相對插的部位鍍層較薄甚至沒有鍍層。為達到用戶要求,操作者不得不在生產過程中將對插的零件拔開,然後反復加鍍,造成人力、物力的浪費,並且也可能因為厚度不夠的問題而造成用戶退貨,從而損失更大。
對插后試樣的鍍層厚度受到明顯影響。為減少上述情況的發生,可對該類鍍件的生產流程進行重新調整。將這類插孔收口后再進行電鍍,以杜絕電鍍時在劈槽口產生對插的現象。以某種插孔為例,鍍金后孔內厚度要求達到0.1μm。
以前的生產工序流程是:電鍍工序除油─酸洗─鈍化─電鍍─成品工序收口后裝配。由於在電鍍過程中鍍件相互對插,導致部分鍍件孔內金層厚度達到0.2μm以上,部分鍍件孔內沒有鍍金層。后將生產工序流程改為:電鍍工序除油─酸洗─鈍化─成品工序收口─電鍍工序電鍍─成品工序裝配,鍍件對插的問題得以解決。表4是工藝改進前、后,該插孔鍍金后的鍍層分布情況對比。
按原生產工序進行鍍金操作時,由於要考慮電鍍時鍍件對插的影響,為了保証鍍金后孔內厚度按要求達到0.1μm,大部分鍍件的金層超厚,造成生產成本浪費;而改進生產工序后,鍍層平均厚度明顯下降。由此可見,當鍍件的基體形狀影響到鍍層分布時,在不能及時改變鍍件設計尺寸的情況下,如果採取合適的工藝流程也可以改善鍍金層在零件表面的分布,同時達到節約生產成本的目的。
3結論
(1)鍍層在鍍件表面分布的均勻性與鍍液的性能、鍍件表面電流密度分布的情況有一定的關係。另外,鍍層的均勻性還要受到電鍍方式、電鍍設備性能、鍍件裝載量以及鍍件生產流程的影響。
(2)選擇分散能力較好的鍍液,採用性能優良的電鍍設備,選擇適合鍍件形狀的電鍍方式和電鍍生產流程,以較低的電流密度也可以獲得比較均勻的鍍層。