鑄鋁合金導體鍍銀工藝改進與應用

顏晨光

（西安西電開關電氣有限公司，陜西 西安10077）

鑄鋁合金具有良好的導電、導熱、高強度、易成型等優點，且因其價格較銅材低廉[1]，已廣泛用在高壓開關內部導體上。

在高壓開關導體兩個接觸面上電鍍銀，以達到增強其導電、導熱、減少摩擦力的作用[2]。大量鑄鋁合金用于導體的加工制造，由于鑄鋁合金在鑄造的過程中，容易產生縮孔、針孔、組織疏松等缺陷，鑄鋁合金導體鍍銀時，更容易產生諸多缺陷，影響高壓開關產品的可靠運行，當前影響較大的是鑄鋁合金導體鍍銀面電阻超標問題，因此本文針對鑄鋁合金導體鍍銀面電阻超標問題進行了分析研究。

1 工藝試驗方法

1.1 導體材料

導體材料選用的是ZL101H鑄鋁合金[3]，材料成分中除鋁外，Si元素含量為：6.50%～7.50%，含量較高。

1.2 傳統工藝

公司原來采用的鑄鋁合金導體鍍銀前的表面處理工藝為：

（1）化學除油：見表1.

表1 鑄鋁合金導體鍍銀前化學除油

（2）堿蝕：見表 2.

表2 鑄鋁合金導體鍍銀前堿溶液腐蝕

（3）出光：見表 3.

表3 鑄鋁合金導體鍍銀前表面出光處理

（4）浸鋅：見表 4.

表4 鑄鋁合金導體鍍銀前表面浸鋅處理

由于一次浸鋅工藝得到的浸鋅層晶粒粗大，在其表面鍍銀，鍍銀層結合力非常差，組織疏松，孔隙率大，為了保證鑄鋁合金導體鍍銀層與基體的結合力，銀層致密，孔隙率少，我公司采用二次浸鋅鍍銀工藝。

一次浸鋅的工藝時間：30～40 s二次浸鋅的工藝時間：15～20 s

1.2.1 生產出現的問題

鑄造鋁合金導體鍍銀后，導體鍍銀面電阻值超標，廢品率達到了60%～70%，造成了大量的返工浪費，嚴重制約了公司產品的出產。

1.2.2 原因分析

高壓電氣產品中導體的鍍銀不同于普通鍍銀，主要有以下特點：

（1）材質主要以ZL101H鑄鋁合金為主，而不是選用煅鋁及銅合金等材料，為了降低生產成本80%以上都選用ZL101H鑄鋁合金。

（2）銀層厚度要求在10 μm以上，銀層厚度比一般零件高，才能確保高壓開關產品在開合摩擦時不至于劃傷銀層而導致導電能力受影響。

基于高壓開關產品的以上特點及要求，在高壓開關產品中，ZL101H鑄鋁合金導體表面鍍銀技術要求會更高，一旦鍍銀產生質量問題，嚴重的會引發高壓開關產品放電不能正常運行甚至爆炸。由于高壓開關產品鑄鋁合金導體的特殊結構，在鑄鋁合金導體表面鍍銀較銅材困難的多[4]，出現的問題也比煅鋁及銅合金等材料鍍銀復雜，目前制約我公司產品出產的影響因素是鑄鋁合金導體電阻超標問題，為了解決鑄鋁合金導體電阻超標問題，做了大量試驗分析和研究，引起鑄鋁合金導體電阻超標的原因較為多樣和復雜，就目前的原因歸為三類：鑄鋁合金本身缺陷、電鍍溶液不符合工藝要求及鍍銀工藝問題。

2 分析與結果

2.1 鑄鋁合金導體本身缺陷

為了防止鑄造鋁合金導體鍍銀面出現起皮、起泡等鍍銀缺陷，首先對鍍銀前的鑄造鋁合金導體待鍍銀面材質表面用光學顯微鏡進行了低倍組織觀察，對鑄造鋁合金導體的低倍組織進行比較，通過對比觀察發現，合格零件鑄造鋁合金導體的低倍金相組織明顯要比電阻超標的零件要致密，其低倍組織外觀照片見圖1所示。

圖1 鑄鋁合金導體材質比較

鑄造鋁合金導體表面晶粒的細化程度取決于零件的熱處理程度，把鑄造鋁合金導體按熱處理程度依次加深的試樣，根據熱處理程度由左向右排列，其金相照片見圖2所示，通過金相組織的照片可以看出，隨著鑄造鋁合金導體熱處理程度的加深，其零件的金相組織越細密，晶粒越細致，當達到一定程度，鍍銀面電阻值合格，合格的鑄造鋁合金導體是保證鑄造鋁合金導體鍍銀面電阻值合格的前提條件。

圖2 電鍍前導體熱處理試樣

通過大量的試驗對比分析，認為鑄鋁合金導體本身材質的優劣是決定電阻合格與否的主要因素，所以，只有鑄造鋁合金導體材質本身結構致密并晶粒細致，才能保證鑄造鋁合金導體鍍銀面電阻值合格，它是保證鑄造鋁合金導體鍍銀面電阻值合格的基礎條件。

2.2 工藝因素的影響

公司電鍍工藝采用的比較成熟的傳統有氰鍍銀工藝，其主要特點是易于操作并且工藝穩定，但是，如果在鑄造鋁合金導體鍍銀的過程中，操作工藝控制不當，而在鑄造鋁合金導體鍍銀面產生諸如針孔、麻坑、起皮、起泡、漏鍍等鍍銀缺陷，就必然會造成鑄造鋁合金導體鍍銀面電阻超標問題，因此，對鑄造鋁合金導體鍍銀后，銀層良好并無鍍銀表面缺陷的電阻超標導體進行比較分析，首先考慮鍍銀溶液中是否存在超標的雜質而造成導體鍍銀面電阻值的不合格，其次，考慮鍍銀過程中零件表面遭受腐蝕而導致導體鍍銀面電阻值超標，如果通過大量試驗驗證，加強工藝操作管理措施，這種影響可以得到控制。

2.3 鍍銀槽溶液帶入Cu2+的影響

由于在鑄造鋁合金導體鍍銀前，先要預鍍銅，難免會在鍍銀槽溶液中帶入一些Cu2+，分別對鍍銀槽溶液中Cu2+含量異常和正常的鍍銀槽溶液進行了導體試樣鍍銀，并對鑄造鋁合金導體鍍銀面進行了電阻測量，選用的回路電阻測試儀是保定市超人電子有限公司生產的型號為：SM40B的回路電阻測試儀，通過兩種情況下導體鍍銀面的電阻值比較分析，結果顯示都處于正常范圍，并且鍍銀槽溶液中Cu2+含量為1.4%的異常鍍液，電鍍出來的導體鍍銀面的電阻值，卻反而好于正常鍍銀溶液電鍍出來的導體，根據實驗結果的比較分析，認為鍍銀槽溶液中帶入Cu2+對導體鍍銀面電阻值超標的影響較小，試樣測量結果見表6和表7所示。

表6 銅離子含量為1.4%的非正常鍍液（要求≤8μΩ）

表7 正常鍍液（要求≤8μΩ）

2.4 導體化學除油的影響

由于鑄造鋁合金導體受鑄造工藝的影響，鑄造鋁合金導體經常會有晶粒粗大、組織不致密的零件，導體鍍銀前要進行堿腐蝕除油和氧化膜處理，因而會造成導體基材中的Mn、Cu、Si等不溶于堿溶液的物質殘留在導體待鍍銀出表面上，從而會在導體待鍍銀面上，Mn、Cu、Si的殘留物與腐蝕殘渣會形成“掛灰”吸附膜，造成即使導體經過強堿溶液除油和氧化膜處理，這些“掛灰”吸附膜仍然會粘附在導體待鍍銀表面上。在導體鍍銀前要進行酸蝕，其主要目的是溶去這些“掛灰”吸附膜，使導體待鍍銀處露出光亮的表面，并處于良好的活化狀態[5]。傳統鍍銀工藝中堿溶液腐蝕可以除去導體表面的氧化膜，但經過HNO3出光處理后，卻無法除去導體待鍍銀表面的“掛灰”吸附膜，經常在導體鍍完銀之后，導體鍍銀面上會形成微小的麻坑、針孔等電鍍缺陷，造成導體鍍銀層組織不致密，銀層孔隙率較大，這樣鍍銀后的導體在安裝裝配時，由于兩個導體間的鍍銀層接觸面的面積相對減小，從而造成導體鍍銀面電阻值超標，Si晶脫落照片見圖3所示。

圖3 Si晶脫落圖

經過導體電鍍銀試樣試驗比較分析，在傳統鍍銀工藝操作中，導體鍍銀前的強堿溶液的弱腐蝕除油和氧化膜處理過程，會造成導體待鍍銀面組織結構產生多孔、疏松等缺陷，導致導體鍍銀后的電阻值必然受到影響。

2.5 鍍銀工藝的影響

由于ZL101H鑄鋁合金導體，硅含量較高，在導體鍍銀前，要經過浸鋅處理，而浸鋅前的強堿溶液的弱腐蝕和HNO3出光處理不可能將導體待鍍銀面上的硅元素完全除去，由于硅不導電并阻礙電鍍時電流的流動，因此硅所占據的導體待鍍銀表面不會有鋅沉積。由于在純鋁表面形成了一層鋅酸鹽膜，因此在含有少量氧化鋅和氫氧化鈉溶液中純鋁自腐蝕速率很微弱。導體待鍍銀面含有少量硅的鋁，浸鋅后自腐蝕最小，這并不完全是鋅置換鋁形成的，即使是這層膜完全是由于鋅置換鋁形成的，但也不可能對鋁有犧牲陽極的保護作用，因為在堿性溶液中鋁相對于鋅來說電位較負，是陽極，而鋅相對于鋁來說電位較正，是陰極。這層可能是由鋅和硅在堿性溶液中的相互作用而形成的鋅酸鹽膜是具有保護作用的膜，在堿性溶液中鋅-硅合金可均勻的沉積在鋁鑄造鋁合金導體的待鍍銀表面上，導體待鍍銀面浸鋅之后鋁的開路電壓正移。通過試驗分析和工作中積累的經驗分析，為了避免鑄造鋁合金導體在鍍銀時，由于堿洗除油和氧化膜處理，及HNO3出光處理對鑄造鋁合金導體造成鍍銀面的電阻值超標影響，經過分析研究，有針對性地提出了改進的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝方案，制定了新的工藝流程，從而確保鑄鋁合金導體鍍銀面電阻值超標問題得到解決。針對傳統工藝鑄造鋁合金導體鍍銀時，由于堿洗除油和氧化膜處理，及HNO3出光處理產生的導體待鍍銀面“掛灰”現象，經過大量的工藝試驗，采用改進后的鍍銀工藝，在除去氧化膜和導體表面油污的同時，也可以把導體表面上的Mn、Cu、Si等“掛灰”物質除去，使導體待鍍銀面露出平整且致密的金屬組織，從而保證導體鍍完銀后，導體鍍銀層表面就無“掛灰”等缺陷存在，導體鍍銀層組織比較致密，孔隙率較少，從而很好地解決了因傳統的鍍銀工藝不適合鑄造鋁合金導體鍍銀，而造成的導體鍍銀層電阻值超標問題。

2.5.1 改進后的鑄鋁合金導體鍍銀工藝

經過大量的試驗分析之后，對傳統鍍銀前的表面處理工藝進行了優化改進，從而保證了鑄鋁合金導體鍍銀后鍍層結合力好，孔隙率少，銀層致密，電阻值符合要求，改進后的鑄鋁合金導體鍍銀前的表面處理工藝為：

（1）新化學除油工藝：見表8.

表8 新化學除油工藝

（2）新堿蝕工藝：見表9.

表9 新堿蝕工藝

（3）新出光工藝：見表10.

表10 新出光工藝

（4）新浸鋅工藝：見表11.

表11 新浸鋅工藝

一次浸鋅時間：60 s

二次浸鋅時間：30 s

采用改進后的鍍銀工藝，堿蝕溶液中加入高濃度的NaF，目的是為了消除高硅鋁合金表面的一部分硅，NaOH、NaF與鋁或鋁合金發生下列反應：

堿蝕處理可以除去一部分硅，但只是很少的一部分，堿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較小的Na3AlF6，在合金表面吸附沉淀。出光處理可以除去表面絕大部分硅，出光后在高硅鋁鑄件表面形成了大量的壇口狀孔穴，為浸鋅打下了良好的基礎。

改進后的工藝，浸鋅液的前處理液具有微刻蝕作用，能在鋁合金表面形成大量、高度彌散、尺寸在亞微米級的壇口狀孔洞，這種孔洞對浸鋅層、鍍層起著錨鏈作用，鋁合金表面孔洞的均勻分散是得到良好結合力的前提。浸鋅層的質量直接關系到鍍層與基體結合力，只有中間浸鋅層中細小鋅晶粒的高度彌散的均勻分布，才能使高硅鋁合金基體與鍍層得到牢固的結合。

2.5.2 改進后的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝驗證結果

改進后對我公司鑄造鋁合金導體鍍銀面電阻值超標最嚴重的三種導體，進行了改進后的導體鍍銀工藝實物鍍銀比較驗證，結果顯示，改進后的工藝，鍍銀后的導體鍍銀面用SM40B的回路電阻測試儀檢測，電阻值全數合格，檢測結果見表12、表13、表14所示。

表12 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測量結果（要求電阻≤7μΩ）

表13 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測量結果（要求電阻≤7μΩ）

表14 新、舊工藝鍍銀零件電阻值測量結果（要求電阻≤7μΩ）

通過對改進后的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝與傳統的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝的比較驗證，從實物鍍銀后檢測結果可以看出，采用改進后的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝對導體進行鍍銀后，導體鍍銀面電阻值全部合格，同時，經過1500CX2h的熱震實驗檢測后，鑄造鋁合金導體鍍銀面沒有發現起泡現象，導體鍍銀面經過附著力檢測，結果合格，改進后的鑄鋁合金導體鍍銀工藝能夠滿足高壓開關產品對導體鍍銀面電阻值的要求，采用改進后導體鍍銀工藝，合格率提高到了98%，從而確定了改進后導體鍍銀工藝的合理性，由于操作簡單、適用、穩定，適合于我公司的批量化生產。

3 結論

（1）鑄造鋁合金導體基體材質應組織致密，熱處理完全，待鍍銀面沒有針孔、疏松等缺陷，這是保證導體鍍銀后鍍銀面電阻值合格的關鍵因數。

（2）電鍍過程中鍍銀槽溶液中銅離子含量對鑄造鋁合金導體鍍銀后的鍍銀面電阻值的大小沒有影響。

（3）采用改進后的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝，解決了鍍銀面電阻值超標難題。

（4）經過高壓開關產品近5 000件的鑄造鋁合金導體鍍銀后的生產實踐證明，改進后的鑄造鋁合金導體鍍銀工藝生產的導體零件，鍍銀面電阻值合格，并且具有質量穩定可靠，工藝操作簡單等優點，已用于我公司高壓開關產品中的鑄造鋁合金鍍銀導體的批量化生產。