摘要:镀层与基体的润湿程度可用于检测镀锡层可焊性。通过正交实验,以镀锡层可焊性为评价指标,选择了紫铜毛细管表面脉冲电镀锡最佳工艺参数为:平均电流密度1.5A/dm2,脉冲周期100ms,占空比10%,搅拌速率20次/min。研究了平均电流密度在1.0～2.5A/dm2范围内,对镀锡层可焊性的影响。在相同的平均电流密度1.5A/dm2下,比较了脉冲电镀与直流电镀2种方法所得镀层的可焊性,脉冲镀锡层的润湿程度明显优于直流镀层,这可能是由于脉冲电镀中阴极浓差极化降低,镀层中的杂质减少,因此镀层的可焊性得到了改善。
1前言
毛细铜管在空调、冰箱等制冷设备中有着广泛的应用,其外表面镀锡层对毛细铜管起保护作用[1]。关于各种添加剂对镀锡层可焊性、耐蚀性等性能的影响,学者们进行了大量的研究工作[2-8]。对于脉冲电镀锡的研究相对较少,采用脉冲电镀可以提高锡镀层的抗高温、耐氧化能力,降低浓差极化,减少氢及多种杂质微粒与锡镀层的共沉积,提高镀层的纯度[9-11],使镀层的可焊性得到改善。本文通过选择平均电流密度、脉冲周期、占空比以及搅拌速度等电镀参数,采用软火模拟焊接过程中的高温反应,对镀锡层进行可焊性检测[6]。并通过扫描电镜观察,讨论直流电镀与脉冲电镀以及不同平均电流密度对锡镀层可焊性的影响。
2实验部分
2.1镀液的组成电镀液的组成: SnSO4 30～40g/L 浓H2SO4 75～80mL/L X 207 40～80mL/L G 103 30～50mL/L 所用试剂均为分析纯级,用去离子水配制镀液,电镀实验在1000mL赫尔槽中进行。
2.2前处理 表面打磨→除油→水洗→酸洗活化→去离子水洗。
2.3实验方法
采用SDM 30型数控脉冲电镀电源,对直径为2mm的黄铜管进行电镀。采用正交实验法,对脉冲电镀的脉冲周期、占空比及平均电流密度等各种工艺参数进行最优选择。同时在相同电流密度下,与直流电镀镀层进行比较分析。
根据软火模拟焊接时的高温现象,在看到镀层的熔化界线时相应地移动火焰,进行可焊性检验。镀层与基体的润湿程度作为检验可焊性的标准[12]。通过扫描电镜对镀锡层形貌进行观察。在放大50倍的照片上,画间距为0.9cm的10×10网格,对内部平整的小方格进行计数。根据内部平整的小方格占总小方格数的百分比来判断润湿程度的高低。
在选定最佳工艺参数后,分别选择平均电流密度为1.0、2.0、2.5A/dm2进行单独试验,以研究并分析平均电流密度对镀层可焊性的影响。
3实验结果及讨论
3.1工艺参数的确定 本实验选用单向矩形方波电源对毛细铜管进行表面镀锡。 采用正交实验法确定最佳工艺参数。对镀层性能的主要影响因素有平均电流密度、脉冲周期、占空比以及搅拌速度等4个因素,实验条件如表1所示。 本实验有四因素四水平,采用正交表L16(45),补入空白列E。试验指标是镀层与基体的润湿程度,在16组试样的放大照片上,进行划格标定。正交实验极差分析见表2,因素A和C的影响显著,B次之,D影响最小。
正交试验结果为:最佳电镀参数A2B2C1D2E4,即平均电流密度1.5A/dm2,脉冲周期100ms,占空比10%,搅拌次数20次/min。
3.2直流电镀与脉冲电镀的比较
比较在相同电流密度1.5A/dm2下所获得的直流镀层与脉冲镀层经过可焊性检测的表面形貌,示于图1。从图1a中可以看出,经检测后的直流电镀层表面凹凸不平,与基体的润湿程度不到50%,且镀层结构较为疏松。而图1b显示,经检测后的脉冲镀层表面仍然很平整,润湿程度达到95%以上,且镀层结构致密。
由于在每个脉冲周期内,都存在一个没有电流施加在电镀体系的过程。在这个过程中,电镀液内部离子迁移扩散,使整个体系在下一个脉冲到来之前,重新处于相对均匀状态,避免了直流电镀时因镀液中Sn2+在工件表面的消耗所引起的浓差极化,且减少了镀液中的有机添加剂与Sn2+在工件表面的共沉积,提高了镀层的纯度,减少了镀层空隙率[13],使可焊性也得到相应的提高。
3.3平均电流密度影响分析
图2为在最佳电镀工艺参数下,脉冲周期100ms,占空比10%,搅拌速度20次/min时,不同平均电流密度所获得的镀锡层经过可焊性检测的表面微观形貌。当电流密度为1.0A/dm2时,如图2a,镀层表面有少量小泡鼓出,润湿程度达到90%;当电流密度为1.5A/dm2时,如图1b,镀层的润湿程度超过95%,且镀层结构致密。
平均电流密度为2.0A/dm2时,如图2b,润湿程度为60%,鼓泡较大,但不是很凸起;图2c所示为平均电流密度2.5A/dm2时经过检测并标定的镀层形貌,镀层表面鼓泡严重,润湿程度不到50%,镀层表面有少量微孔出现,这可能是由镀层内应力或镀层内的杂质引起的。当平均电流密度较小时,在每个脉冲周期内,从镀液中沉积到毛细铜管表面上的Sn2+相对较少,使得镀层晶粒细小,结构致密,能够有效地减少氢和镀液中的添加剂与锡原子的共沉积,提高镀层的纯度,镀层与基体的润湿性增强,耐蚀性和可焊性得到提高。
在每个脉冲周期内,电镀液内部与基体表面发生着复杂的物理化学变化,电流导通时,Sn2+在基体表面还原,多种杂质微粒及氢吸附在基体表面;电流关断时,锡原子与基体已经牢固地结合在一起,杂质微粒及氢失去了电场的作用,从基体表面脱离。因此降低了杂质微粒及氢被包附在镀锡层中的几率,镀层可焊性得到极大的提高。
4结论
(1)选用脉冲电流电镀,镀层的可焊性比直流电镀有明显的提高。
(2)在本电镀体系中,最佳脉冲参数和操作条件为:占空比10%,脉冲周期100ms,平均电流密度1.5A/dm2,搅拌速度20次/min。
(3)脉冲电镀过程中,杂质与锡的共同沉积减少,镀层纯度得到提高,可焊性得到明显改善。
|
