工件浸入电镀液的过程中电流输入方式对镀层性能的影响

王思醇，罗毅，杨琼，张云飞

（贵州振华群英电器有限公司(国营第八九一厂)，贵州 贵阳 550018）

随着信息化和工业自动化的深入推进，企业小批量、多品种自动化生产的进程不断加快。相应地，电镀自动化生产难度加大。图1示出了常见自动化生产中工件浸入电镀液的方式。

图1 自动化生产中常见的工件浸入电镀液的方式Figure 1 Common methods for immersing workpiece into plating bath in automatic production

图1a为传送带式，电镀液由主槽用泵打入船槽，工件逐一排序悬挂在长L的船槽里电镀。图1b为行车吊挂式，将行车吊挂长度为l的挂具放入电镀液中进行电镀。

由于镀层性能的特殊要求，自动化生产线生产的工件在焊接等不同工序的装调中，总会随机出现少量异常现象，形成约3%的不良品，严重影响批次产品性能。图2为常见不良品外观。

图2 常见的不良品外观Figure 2 Appearances of common unqualified products

通过对生产中各工序的工件进行编号和跟踪，统计在装调过程中记录的不良品概率，发现70%以上的不良品来自于先浸入电镀液的挂具或船槽长度1/3内的工件。

通过检测镀层外观和结合力均难于明辨不良品，周期性特种工艺验证亦因抽样原因不易发现异常。只有在焊接或装调过程，又或是高低温试验后才能发现明显的不良现象(特别是镀银层变色)，严重影响生产进度和批次性产品的质量保障。

针对这类问题，本文主要探讨工件浸入电镀液过程中电流输入方式对镀层性能的影响。

1 试验

1.1 稳流试验

设定好电镀工步的电源输出电流后，工件浸入电镀液前在挂具前端增加分流试件，以防大电流通过先浸入电镀液的工件而导致其镀层粗糙。对于传送带式，在传送带上增加挂夹，数量以船槽长度的挂载量为准，确保电流稳定后待镀工件逐一浸入电镀液进行电镀。对于吊挂式，在挂具上增加分流装置，待完全浸入电镀液且通过工件的电流稳定后，取出分流装置。如图3所示，增加1个分流框。

图3 分流示意图Figure 3 Sketch of shunt

1.2 分段式输入电流试验

根据传送带的带速或吊挂挂具的下降速率，以及工件表面积(施镀面积)，设定不同时间段所需的电源输出值，保证浸入电镀液的工件表面通过的电流一致。

1.2.1 传送带式

设船槽长L，工件间距L0，带速L*(单位：mm/min)，工件表面积AL，电流密度JL，稳定电流I，则工件浸入电镀液的分段电流计算如下：工件个数n=L/L0，经过船槽的时间tL=L/L*，进入船槽闸口的时间t*=nL*/L。单个工件需要的电流IL1=ALJL，则n个工件的分段输入电流见表1。

表1 传送带式分段输入电流Table 1 Stepwise current input during the immersion of workpiece by using conveyor

1.2.2 行车吊挂式

设挂具长度l，工件间距l0，浸入电镀液速率l*(单位：mm/min)，单排挂具加工件表面积Al，电流密度Jl，稳定电流I，则工件浸入电镀液的分段电流计算如下：工件排数n=l/l0，挂具浸入的时间tl=l/l*，每排进入电镀液的时间t*=nl*/l。每排工件需要的电流Il1=AlJl，则n排工件的分段输入电流见表2。

表2 行车吊挂式分段式输入电流Table 2 Stepwise current input during the immersion of workpiece by using hanging crane

1.3 智能式输入电流试验

受到1.2节分段式输入电流试验的启发，电流无限分段是以工件浸入所需时间无限短(船槽长度或挂具高度与带速或挂具浸入速率相关)为界点，电流分段越小，通过工件表面的电流越均匀，电流密度分布越均匀，电流对镀层性能的影响就越小。电流、时间、长度、速率之间的关联见式(1)和式(2)。

式中，I为电源输出电流，J为电流密度规定值，dA为无限分割的单位面积，dl为无限分割的挂具长，v为带速或挂具浸入速率，dt为无限小时间单元，l为船槽长或挂具长，A为施镀面积(含挂夹具)。

由式(2)可知当电流密度J固定时，表面积随时间延长而达到恒定值。如图4所示，表面积恒定不变。

图4 施镀面积逐渐累积至恒定值Figure 4 Increasing of the area to be plated to a constant gradually

1.3.1 传送带式

在传送带装夹起始区域，按船槽长装夹带电浸入装置或试样和安培•小时记录仪。当n+ 1个工件浸入电镀液时，其装置自动转换为工艺需要的恒定电流(稳流)进行电镀，直至批次电镀停止。新工件电镀，二次带电浸入装置启动。

1.3.2 行车吊挂式

行车吊挂安装有带电浸入装置和安培•小时记录仪。当吊车放置挂具与阴极接通，通过挂具的电流恒定不变。挂具装挂不同的工件，则设置的电流不同，需重新设置。

2 结果与讨论

2.1 采用稳流对镀层性能的影响

稳流自动生产线试验操作便捷，容易掌握。但多品种、小批量的自动化生产往往受镀液稳定性的影响。

2.1.1 二次污染

稳定电流的试镀样品，重复进行不同种类的电镀，孔隙率高，二次污染物不易清洗干净，有金属杂质积累、酸碱液带入等问题，影响电镀液的稳定性。典型的是“镀镍→镀铜→镀银→镀金”、“镀镍→镀金”、“镀镍→镀铜→镀银”等工艺，加之不同基体材料的前处理工艺不同，从而影响平均电流，易造成镀层粉化并脱落于电镀液中，导致电镀液被污染。

2.1.2 影响效率和镀层性能

由于生产线装夹不同类别工件的表面积存在差距，在电镀完成1个品种后，往往需要重新调整电源输出，才能装夹另一个品种，因此生产效率低下，且维护电镀液的劳动强度加大。特别是工艺流程差异明显的，易出现调整混淆或错误，使得镀层品质不符合要求或出现异常(如图5所示)。

图5 镀层外观异常Figure 5 Abnormal appearance of coating

2.2 采用分段输入电流对镀层性能的影响

工件浸入电镀液的过程中采用分段输入电流时，基体材料表面的电化学势与化学势相当，或者电化学势高于化学势，镀层性能将得到明显改善。但部分基体材料(如铁合金)镀镍后再无氰碱性镀金时，镍在碱性条件下发生钝化，使得镀金层结合力下降，镀层的热蚀和焊接性能无法满足产品需要。

不同工件的表面积不同，设置分段输入的电流和时间就不同，而每次电镀工件的数量很可能也不一致，使得设定分段输入电流的难度大，不易掌握，对操作人员的要求高。

2.2.1 外观不一致

由于浸入电镀液的工件数量和表面积不同，分段电流输入使得电流密度分布不均。根据塔菲尔经验公式[1]可知，阴极上工件的极化电位不同会导致镀层结晶不一致，色泽存在差异。

2.2.2 影响生产效率和镀层性能

采用分段输入电流时，电源的设置容量大，即使相同类型的工件，如果表面积或装夹位置不同，就必须重新设置分段输入电流和电镀时间，操作难度大，严重影响生产效率。由于吊挂式行车浸入或传送带传送的速率恒定，分段电流输入的变化会影响镀层结晶，导致镀层结合力差，影响产品的装调参数。

2.3 采用智能式输入电流对镀层性能的影响

智能输入电流是从阴阳极回路接通开始，在一定时间内挂具(或传送带)和工件完全浸入电镀液，即L= ∑dl后自动输入恒定电流(以固定的电流密度为基准)。与分段输入电流相似，智能输入电流只是通过降低电源输出的调试和计算难度来提高生产效率，从而保障镀层性能。

2.3.1 智能输入电流不稳定

由于智能输出电流电源对控制元件稳定性的要求高，在电镀环境下，电源的输出控制元件易受损，会出现智能输出的电流波动大，因此电源的维修和维护成本高。

2.3.2 影响生产效率和镀层性能

智能电源的维修往往需返回厂家，一般来回最少耗时1周，严重影响生产周期。一旦智能输出电流出现波动，对于多批次、小批量的工件生产而言，镀层性能往往无法得到保障，常常体现为外观一致性差(见图6)。

图6 不同批次镀层的外观差别Figure 6 Different appearance of coatings electroplated in different batches

3 结语

工件浸入电镀液时采用智能输入电流方式可显著降低不良品率和提高平均生产效率。智能输入电流电源不宜放置在生产现场，否则易出现故障，必须隔离或远离生产现场。但控制线路一长，又容易出现信号干扰，有待进一步解决。另外，生产过程中需购置备用电源，如此一来便加大了生产成本。