鋅合金壓鑄件電鍍層起泡形成原因與解決對策

1 鋅合金壓鑄件生產

  典型的鋅合金壓鑄件電鍍生產流程如圖 1所示。鋅合金壓鑄件最終是被銅、鎳、鉻等

多層鍍層包裹的狀態，其電鍍加工是一個環環相扣的過程，每一道工序得到的表面狀態都具有傳遞性。根據生產工藝繪制的鋅合金壓鑄件鍍層結構示意圖如圖 2 所示。

       針對鋅合金壓鑄件生產過程，繪制了電鍍后起泡原因魚骨圖，如圖 3 所示。在生產中壓鑄鋅合金原料成分、鋅合金和回收料比例不合理以及精煉效果差，壓鑄模具設計及壓鑄工藝參數不合理，鍍前處理質量差及后續各電鍍工藝不合理都可能導致起泡。因此，起泡問題的排查需要在生產流程上多點進行監測，特別是鋅合金壓鑄件鍍前表面狀態的檢測，同時也要對初始鍍層與基體的結合力以及鍍層的覆蓋率、致密度進行全面的監測。

2 導致起泡缺陷的原因

2. 1 原料及精煉的影響

       鋅合金壓鑄件一般使用含鋁量為 3% -4%的鋅鋁合金，按照壓鑄鋅合金標準，需要檢測的化學成分包括鋅、鋁、鎂、銅、鉛、鐵、鎘、錫等 8 項。其中鉛、鎘雜質的含量對鋅合金壓鑄件質量的影響最為顯著。在對鋅合金壓鑄件出現起泡問題的研究分析表明：壓鑄鋅合金的鉛、鎘含量較低(Pb<0.002%，Cd <0.002%)時起泡問題較少，較高(Pb <0.015%，Cd <0.01%)時產品出現的起泡問題顯著增加。其主要原因是鋅合金壓鑄件中的鉛、鎘、錫等雜質會在晶界處聚集而導致晶間腐蝕，晶間腐蝕處會膨脹而頂起鍍層，引起起泡問題。

       在鋅合金壓鑄過程中會不斷產生壓鑄澆道凝料以及其他廢料，用來壓鑄的鋅合金液都是由新料與回收料混合熔煉而成。文獻中研究了回收料摻入比率及精煉對壓鑄鋅合金狀態的影響。在鋅合金的熔煉過程中，回收料的摻入會顯著地影響鋅合金的組織性能，回收料摻入及氯化氨精煉對鋅合金的影響如圖 4所示。

 

       通過圖 4a、4b 和 4c 可以看出，回收料的摻入使得鋅合金中雜質含量明顯升高，圖 4b 和 4c 中出現了裂紋，說明回收料的摻入使得合金液性能惡化。精煉前后組織對比說明：當摻入 50%回收料時，氯化氨精煉后基本可以消除鋅合金中的雜質；當全部是回收料時，精煉雖然可以明顯地改善鋅合金的組織，但精煉后依然還存在 40%雜質。壓鑄鋅合金中雜質含量高對鋅合金液的壓鑄成型能力及鋅合金的力學性能都不利，引起電鍍后起泡的概率也會大大增加。

       鋅合金原料中的雜質含量、熔煉回收料的摻入比率及精煉對壓鑄產品質量都有較大影響，這種影響會依次傳遞，最終影響到鋅合金件電鍍后的質量。因此，鋅合金壓鑄生產不僅要嚴把原料質量關，而且要對壓鑄前鋅合金液進行質量監測。

2. 2 壓鑄模具的影響

        壓鑄是鋅合金件制作的關鍵步驟，壓鑄模具的設計和壓鑄參數的設置對壓鑄件質量都有明顯的影響。其中澆口和澆道是將鋅合金液引向型腔的過道，型腔則是成型壓鑄件的腔體和壓鑄件直接接觸，澆口和澆道的設計、型腔分布等對于壓鑄件的質量而已至關重要。合理的模具設計既要保證完整充型，也要保證充型過程中盡量少出現卷氣等現象。內澆道形狀設計對鋅合金壓鑄件微觀組織的影響如圖 5所示。梯形澆道所產生的氣孔量要多于橢圓形澆口，設計橢圓形澆道在壓鑄質量上優要于梯形澆道。壓鑄鋅合金件的多孔組織對其機械性能和電鍍質量都十分不利。

       在壓鑄過程中，壓鑄的壓力、溫度以及模具的溫度等對鋅合金壓鑄件質量的影響主要表現在氣孔、冷隔等壓鑄缺陷方面。針對模具溫度的研究表明，當模溫在 160°C 時，壓鑄后的組織有明顯的孔洞，而模溫為 165°C和 170°C 時的組織更為致密。

鋅合金壓鑄過程中產生的氣泡、冷隔和裂紋等缺陷都會給后續的清理和電鍍帶來困難，保證壓鑄件質量才能為電鍍提供優質的基體材料。要對壓鑄件進行嚴格的質量檢測，不能達標則果斷報廢，否則將給后續加工帶來更大的損失

2. 3 電鍍前處理的影響

鋅合金壓鑄件在電鍍前還要進行多道前處理工序，主要包括打磨、拋光、除蠟、除油、酸蝕活化等。

鋅合金壓鑄件表面只有 0.05- 0.10 mm 的表面致密層，其形貌如圖 5a 所示。致密層下組織疏松多孔，如果打磨露出疏松多孔組織，后續電鍍將出現漏鍍、孔洞、積液等問題。另外，拋光膏涂抹不均勻所引起的拋光過程中局部過熱而產生的麻點，以及拋光膏未清理干凈，也都會導致電鍍后起泡。除蠟、除油需要將表面的蠟及油脂清除干凈，這樣才能保證電鍍時基體有清潔活化的表面。酸蝕活化，一般用弱酸短時間侵蝕，不宜時間過長，侵蝕后的鋅合金表面更利于電鍍。

2. 4 電鍍過程的影響

鋅合金壓鑄件為了獲得良好的裝飾性和耐腐蝕性，在壓鑄完成后要進行相應的電鍍處理，一般包括鍍銅層、鍍鎳層和鍍鉻層。文獻研究了日本三井金屬礦業株式會社生產的鋅合金壓鑄件電鍍產品，其斷面 SEM 照片如圖 6 所示，斷面 EPMA(電子探針微區分析)線掃描分析結果如圖 7 所示。從 SEM 照片可以看出，在鋅合金壓鑄件(ZDC)表面存在著緊密相連的銅、鎳、鉻 3 層，其中表面鍍鉻層很薄，中間鍍鎳層厚度約 12 µm，內側鍍銅層厚度約10 µm。

鋅合金壓鑄件電鍍過程中一般要氰化物預鍍銅，抑制預鍍銅中置換鍍銅的出現至關重要。研究表明：在氰化鍍銅中，當氰化鈉含量低時，試樣的電位較正，表面很快形成暗紅色置換銅而對鍍層結合力不利；氰化鈉含量較高時電位較負，試樣表面未見有置換銅生成。然而高的氰化鈉濃度會抑制鍍層的沉積，因此氰化鈉的濃度要控制適度。鋅合金壓鑄件電鍍鎳的過程中，一般由于鎳孔隙率較高，需要較厚的鍍層才能達到密封的要求。研究表明鋅合金壓鑄件中性電鍍鎳技術，其鍍液近中性，對工件的腐蝕少，鍍液中的檸檬酸鈉會掩蔽基體溶出的 Zn2+。鋅合金壓鑄件電鍍鉻液中 Zn2+的濃度不能過高，否則會使電流密度大的部位上出現疏松、燒焦。

鋅合金壓鑄件電鍍后起泡現象如圖 8所示，一般鍍件表面沒有明顯破壞，而是整個鍍層呈現隆起。這說明起泡問題是由底層或內層電鍍引起的，特別是打底鍍層的結合力和覆蓋率。

在鋅合金壓鑄件多層電鍍過程中，鍍層的結合力、覆蓋率和致密程度對鍍后起泡的影響至關重要，同時電鍍過程中的過度析氫也會對起泡問題有一定貢獻。筆者繪制了如圖 9 所示的多層電鍍質量分布情況，其中各序號對應的質量描述如下(套鉻層由于一般廣泛分布孔隙，使鎳層實際處于開放狀態，因此不作討論)：

 

(1) 鋅基體、鍍銅層、鍍鎳層均無孔缺陷；

(2) 鋅基體和鍍銅層無缺陷，但鍍鎳層存在孔缺陷；

(3) 鋅基體和鍍鎳層無缺陷，但鍍銅層存在孔缺陷；

(4) 鋅基體無缺陷，但鍍銅層和鍍鎳層存在孔缺陷；

(5) 鋅基體存在孔缺陷，但鍍銅層和鍍鎳層無缺陷；

(6) 鋅基體和鍍鎳層存在孔缺陷，但鍍銅層無缺陷；

(7) 鋅基體和鍍銅層存在孔缺陷，但鍍鎳層無缺陷；

(8) 鋅基體、鍍銅層和鍍鎳層均存在孔缺陷。

鋅合金壓鑄件多層電鍍中，上述(3)、(5)、(6)、(7)四種情形中，底層或基體有孔洞等缺陷，而孔洞缺陷的外部存在致密的密封層，在電鍍過程中這樣的密封腔體會儲存一定的電鍍液，經過一系列的反應就會影響到界面的結合力，同時腔體內產生一定的壓力，經過一段時間就會導致起泡問題。而在(2)、(4)、(6)、(8)四種情況下，鍍層內部或基體存在通向鍍層的最外表面通道，通道中會儲存電鍍液等雜質，當腐蝕發生時，由于鋅合金基體與各鍍層間的腐蝕電位不同，會形成腐蝕原電池，同時腐蝕產物也可能會順著孔道擴散到表面，形成腐蝕霉斑。

打底鍍層出現置換鍍與否以及鍍層的致密覆蓋程度對鋅合金壓鑄件電鍍質量的影響最為關鍵，需要特別關注。鍍前鋅合金壓鑄件的缺陷難以用肉眼直接觀察，可以利用滲透染色的方法先用滲透劑在表面滲透，然后用顯色劑使缺陷顯露出來，從而達到檢測的效果。

基于以上的綜述和分析，總結引起鋅合金壓鑄件電鍍后起泡問題的原因有：(1)壓鑄鋅合金液中存在有害雜質(主要是鉛、鎘等)；(2)鋅合金壓鑄模具及工藝引起了表面缺陷(主要包括氣泡、冷隔等)；(3)打磨時破壞了壓鑄件表面致密層或拋光過熱而出現表面惰性區域；(4)除蠟、除油等清理不徹底或過酸蝕；(5)打底電鍍層出現置換；(6)多層電鍍孔隙中含有鍍液。其中，鍍前表面質量、打底鍍層置換鍍及覆蓋率是起泡問題的最大隱患。鋅合金壓鑄件電鍍起泡問題的防治最為重要的是對初始鍍層質量的控制，而且對鍍前、鍍后質量都要嚴格把關。可在電鍍前對鋅合金壓鑄件進行滲透顯色檢測，以保證鍍前基體表面的質量。