一种提高电火工品接插性能的表面处理方法与流程

本发明涉及电火工品用封接件电镀领域，特别是涉及航天用电火工品对接插性能有特别要求的表面处理技术领域。

背景技术：

玻璃-金属封接件(简称封接件)是指在氮气气氛保护下，把特殊玻璃粉和预氧化的金属外壳及插针在600～1000℃烧结而成的一种连接体。封接件广泛应用于兵器、航天、航空、船舶、石油爆破等领域，其中电火工品是其重要应用领域之一。

封接件作为电火工品的关键部件，起到支撑及连接的作用。插接端(尤其是插针)电镀镀层质量直接影响到火工品的安全性、可靠性。因此，插接端电镀镀层应当具有良好的电性能、抗化学腐蚀性，同时应具有耐高温及一定的耐磨性。为此，插接端(尤其是插针)采用表面镀金。

金属au是最好的电镀材料。但由于纯金柔软、硬度低，为了提高镀金层硬度，通常加入ni、cu等合金元素，形成au-ni、au-cu等合金镀层。加入合金元素虽然可以起到提高镀层硬度的作用，但必然会导致其电阻增大(纯金的电阻为2.4p)。考虑到航天用电火工品接插件的导电性能，设计要求电镀金层必须达到99.9％的纯金。在此前提下，航天用电火工品封接件的接插端与插头在无电负荷的情况下，经过500次插拔后，应满足接插端结构完好，接插端插针镀层只允许磨损，但不允许起皮或成片脱落。目前大多数玻璃封接厂家生产的封接件经电镀后，大部分封接件接插端插针与插头插拔几次之后，用肉眼可以明显看见镀金层出现起皮或掉层现象。

目前，生产中传统封接件的表面处理方法依次包括步骤：去油脱脂、自来水清洗、酸洗、去离子水清洗、电镀金、去离子水清洗、酒精脱水、烘箱干燥。采用传统表面处理方法存在以下问题：

a.封接件插拔性能较低，采用传统电镀方法处理后，出现部分封接件接插端在与插头插拔十几次，甚至插拔几次就会出现镀金层起皮或脱落等现象，达不到航天用电火工品封接件对接插性能的要求。

b.该方法通用性差，传统的电镀方法主要适用于普通电火工品的表面处理，不适应于对接插寿命要求较高的电火工品封接件的表面处理。

c.合格率低，不利于封接件批量生产。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种提高电火工品封接件接插寿命的表面处理方法，生产工艺简洁，保证了电火工品用封接件接插性能的长期稳定，进一步提高了电火工品的安全可靠性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)将烧结好的封接件放入化学溶液中进行超声波清洗，清洗温度为30～50℃，时间为1～3min；所述化学溶液以水为溶剂，溶质包括体积浓度为90～100ml/l的磷酸、体积浓度为50ml/l的硝酸、体积浓度为80ml/l的盐酸、质量浓度为30g/l的聚乙二醇、质量浓度为3g/l的磺基水杨酸和质量浓度为3～5g/l的烟酸；

2)将超声波清洗后的封接件用去离子水清洗两次，每次清洗5分钟；

3)将清洗过的封接件进行电镀金；

所述电镀金的参数为kau(cn)2：1～15g/l、(nh4)3c6h5o7：100～120g/l、ksbc4h4o7·1/2h2o：0.05～0.3g/l。

4)将电镀金后的封接件用去离子水清洗若干次，每次清洗5分钟；

5)采用酒精浸泡清洗过的封接件5分钟；

6)在-0.08mpa负压和120～150℃温度条件下对封接件进行真空干燥8-10小时后，然后保持负压状态自然冷却。

本发明的有益效果是：采用超声波精饰表面处理工艺，由于引入超声波的作用，使得强酸溶液温度低且处理时间短，不仅不易造成基底的过腐蚀，而且可以对封接件插针表面可以起到去氧化薄膜、提高基材表面光洁度，并具有去除毛刺等功能，对插针表面存在的微小缺陷可以起到整平的作用。然后用去离子水反复清洗，在不引入杂质离子的前提下可以彻底清除插针表面的残留物，保证后续电镀过程中，促进金属au+在电极表面均匀形核，晶粒增长速度减缓，不仅可以提高镀层与基底间的结合力，而且所得电镀金层表面光亮、致密，保证了接插件的接插性能。

采用该方法处理，能将封接件的接插寿命提高到稳定的500次以上(封接件接插端插针与插头在插拔500次以后，镀金层表面没有出现起皮或脱落现象)。

该方法通用性较广，适用于所有电火工品用封接件的表面处理。

本发明工艺环保简洁，节省原材料，降低生产成本，可实现批量生产，产品合格率高。

通过以上关键工序的操作，可提高基材表面的光洁度，彻底去除插针表面的氧化皮，保证后续镀金层的镀层质量。事实证明，该方法有效得当，能够将电火工品用封接件的接插寿命提高到稳定的500次插拔不发生起皮掉层现象，满足航天对电火工品接插件的使用要求。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明电火工品封接件装配示意图；

图中，1-金属插针，2-玻璃管，3-金属壳体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

提高电火工品封接件接插寿命需要考虑两个方面，一般插接端插针表面镀层硬度越高，其耐磨性越好，封接件的接插寿命越长，可靠性越高，因此首先是考虑提高封接件接插端插针表面镀金层的硬度。目前，市场上采用在电镀渡液中加入合金元素，形成合金镀层来提高镀金层硬度。这对一般的对电性能要求不高的电火工品封接件尚且可行，但是对电性能要求高封接件(电阻越小越好)，目前纯金的电阻最小为2.4p，加入合金元素必然会导致其电阻增大，因此单纯从提高接插端插针表面镀金层的硬度方面考虑不可行。

第二是降低接插端插针与插头间的摩擦系数。可以从提高接插端插针表面镀金层的表面光洁度考虑，镀金层的外观质量取决于所镀基材表面的光亮致密性。通过日常试验发现，插针在生产制造过程中，由于加工原因会导致插针表面出现划痕或麻坑等一系列缺陷，在后续电镀过程中，金属盐离子在凹凸不平的金属表面沉积，使得镀层晶粒粗大，镀层表面不均匀。加之所镀金层很薄(一般为0.1μm～0.3μm)，必然会导致插针镀金层表面粗燥，严重的会出现起皮甚至掉层现象。镀层的表面光洁度降低，使得插针与插头间的摩擦系数增加，造成封接件接插性能降低。因此可以通过提高封接件接插端插针表面的表面光洁度，来达到提高电火工品封接件接插性能的目的。

本发明针对生产过程中存在的问题，对提高封接件插针基材表面光洁度的表面处理工艺进行研究和改进，并经生产实践后，发明了一种不仅能有效去除插针表面氧化膜，而且可以改善基材表面光洁度的环保型化学处理工艺。经过处理后的产品表面质量和接插性能得到极大改善和提高，满足设计和客户的需求。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

a.超声波精饰

由于接插件插针在机加过程中，会存在划痕或麻坑等缺陷，加之后续经过玻璃高温封接之后插针表面也会出现一层氧化薄膜。传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡酸洗，不仅对基材表面起不到整平的作用，又不能保证完全清除插针表面的氧化薄膜，还极易对基材造成过腐蚀。在后续电镀金过程中，au+在基材表面有划痕的地方不能均匀沉积，使得晶粒生长粗大，表现为镀层表面不均匀致密。另一方面，残留在基底表面的氧化薄膜使得渡液中欲镀au+不能在此沉积，该处无镀层或比其他部位镀的慢，最终导致镀层表面出现麻点或掉层等缺陷。

本发明采用超声波加化学溶液综合处理技术，利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用对溶液和污物直接、间接的作用，使插针表面及缝隙中的污物层被分散、乳化、剥离从而达到基材表面净化的目的，且作用时间短(1min～3min)温度低(30℃～50℃)，避免了强酸溶液对基材表面的过腐蚀。

另外，本发明由于超声波的引入，极大地降低了化学溶液处理时的温度(传统的化学处理温度不低于80℃，本发明采用的化学处理温度为30℃～50℃)，不仅避免了强酸在高温下对基材的过腐蚀，且保护了操作人员的人身安全，因为强酸在高温下极易溢出对人体造成伤害。因此，采用超声波精饰环保型表面处理工艺，不仅可以使基材表面光洁度提高，而且大大降低了表面处理时的温度，响应了国家节能减排的号召。这也是提高封接件接插性能指标的最关键工序。具体工艺条件及操作方法如下：

将烧结好的封接件放入配制好的化学溶液烧杯中，并立即放入超声波清洗器。按下电源开关，设置温度(30～50)℃，时间(1～3)min，清洗功率调节至100％，按开始按钮。达到规定时间后，清洗停止，关闭电源开关。上述化学溶液由以下原料组成：体积浓度为90ml/l～100ml/l的磷酸、体积浓度为50ml/l的硝酸、体积浓度为80ml/l的盐酸、质量浓度为30g/l的聚乙二醇、质量浓度为3g/l的磺基水杨酸、质量浓度为3g/l～5g/l的烟酸，化学溶液的温度为30℃～50℃。

b.去离子水清洗

将上述处理好的封接件放入1000ml烧杯，用去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水，重复上述步骤一次。经过反复地去离子水清洗，可以使粘附在零件表面上的油污及氧化皮残留物彻底冲净，且不会引入其他杂质离子，这也是提高封接件接插性能指标的重要工序。

c.电镀金

将清洗过的封接件按常规电镀金工艺要求完成(常规镀金参数：kau(cn)2：1g/l～15g/l；(nh4)3c6h5o7：100g/l～120g/l；ksbc4h4o7·1/2h2o：0.05g/l～0.3g/l)。镀层的外观质量与镀液性能息息相关，因此要定期分析镀金溶液中au+的含量，保证在工艺范围内，并且要定期清除槽底沉渣。航天用火工品接插件要求镀金层纯度达到99.9％，不允许镀层有夹杂物，因此渡液要定期过滤，这也是保证插针表面镀层质量的重要步骤。

d.去离子水清洗

将电镀好的封接件放入1000ml烧杯，用新的去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水。此次去离子水清洗是针对提高封接件综合性能的重要工序，经过反复地去离子水清洗，在不引入杂质离子的前提下，不仅可以有效的去除镀金层表面杂质残留，而且稀释了玻璃中微小气孔和微细裂纹内的镀液，从而保证了封接件的整体质量。

e.酒精脱水

随后向装有清洗过封接件的烧杯中倒入新酒精，浸泡5分钟，倒出酒精。用新的酒精对电镀后封接件进行浸泡处理，可以使酒精和封接件玻璃表面微小气孔和微细裂纹内的水分进行充分的交换。因为用过的酒精中会存在部分杂质离子，这不利于保证镀金层导电性能。

f.电热真空干燥箱

将清洗干净的封接件放入不锈钢盘子里，并立即放入干燥箱，关闭封闭门，打开抽真空开关，抽负压至-0.08mpa以下，关闭抽真空开关；设置温度(120-150)℃，打开干燥箱加热开关，保持8-10小时后，关闭干燥箱加热开关，在干燥箱里负压状态冷却。传统表面处理方法采用的设备是烘箱干燥，而本发明用的是电热真空干燥箱，通过抽真空负压，目的是将封接件插针表面存在的微小气孔和微细裂纹内的残留杂质抽出，可以起到光洁插针表面的作用。另外伴随着烘箱温度的升高，还可以对封接玻璃起到去应力的作用，增强玻璃和基底间的结合力，提高镀层的耐磨性，从而改善了封接件的接插性能。

根据图2所示，本发明第一优选实施例提供的封接件包括金属插针1、玻璃管2、金属外壳3。插针1的的尺寸为φ1mm×20mm，其材料为4j50；玻璃管2的牌号为tf-8，尺寸为φ2.5mm×6mm；金属外壳3的尺寸为φ16mm×25mm，其材料为不锈钢，牌号为12cr18ni9。具体实施方式为：将烧结好的封接件放入配制好的化学溶液烧杯中，并立即放入超声波清洗器。按下电源开关，设置温度50℃，时间2min，清洗功率调节至100％，按开始按钮。达到规定时间后，清洗停止，关闭电源开关。上述化学溶液由以下原料组成：体积浓度为90ml/l的磷酸、体积浓度为50ml/l的硝酸、体积浓度为80ml/l的盐酸、质量浓度为30g/l的聚乙二醇、质量浓度为3g/l的磺基水杨酸、质量浓度为3g/l～5g/l的烟酸，化学溶液的温度为50℃。将处理好的封接件放入1000ml烧杯，用去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水，重复上述步骤一次。将清洗过的封接件按常规电镀金工艺要求完成(常规镀金参数：kau(cn)2：1g/l～15g/l；(nh4)3c6h5o7：100g/l～120g/l；ksbc4h4o7·1/2h2o：0.05g/l～0.3g/l)。电镀好的封接件放入1000ml烧杯，用新的去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水。随后向装有清洗过封接件的烧杯中倒入新酒精，浸泡5分钟，倒出酒精。将清洗过的封接件放入不锈钢盘子里，并立即放入干燥箱，关闭封闭门，打开抽真空开关，抽负压至-0.08mpa以下，关闭抽真空开关；设置温度120℃，打开干燥箱加热开关，保持8～10小时后，关闭干燥箱加热开关，在干燥箱里负压状态冷却。

以下是采用原方法与新方法对插针材料为4j50的封接件进行的接插性能对比试验，本试验中检测的插拔次数均为500次。显微镜下观察没有起皮掉层现象为合格，试验结果见表1。新方法按上述具体操作方法执行。

表1采用原方法与新方法镀后接插性能对比结果

采用原方法电镀后封接件在插拔500次后产品合格率为62％，采用新方法电镀后封接件在插拔500次后产品合格率为100％，且非常稳定，验证了新方法适用于可伐合金(4j50)封接件。

本发明第二具体实施例与第一具体实施例的结构形式相同，所不同的是金属插针1和金属外壳3的材料均选用可伐合金4j29，玻璃管2的玻璃牌号为dm308。具体实施方式为：将烧结好的封接件放入配制好的化学溶液烧杯中，并立即放入超声波清洗器。按下电源开关，设置温度30℃，时间3min，清洗功率调节至100％，按开始按钮。达到规定时间后，清洗停止，关闭电源开关。上述化学溶液由以下原料组成：体积浓度为100ml/l的磷酸、体积浓度为50ml/l的硝酸、体积浓度为80ml/l的盐酸、质量浓度为30g/l的聚乙二醇、质量浓度为3g/l的磺基水杨酸、质量浓度为3g/l～5g/l的烟酸，化学溶液的温度为30℃。将处理好的封接件放入1000ml烧杯，用去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水，重复上述步骤一次。将清洗过的封接件按常规电镀金工艺要求完成(常规镀金参数：kau(cn)2：1g/l～15g/l；(nh4)3c6h5o7：100g/l～120g/l；ksbc4h4o7·1/2h2o：0.05g/l～0.3g/l)。电镀好的封接件放入1000ml烧杯，用新的去离子水清洗，时间：5分钟，倒出去离子水。随后向装有清洗过封接件的烧杯中倒入新酒精，浸泡5分钟，倒出酒精。将浸泡过酒精的封接件放入不锈钢盘子里，并立即放入干燥箱，关闭封闭门，打开抽真空开关，抽负压到-0.08mpa以下，关闭抽真空开关；设置温度150℃，打开干燥箱加热开关，保持8～10小时后，关闭干燥箱加热开关，在干燥箱里负压状态冷却。

以下是采用原方法与新方法对插针材料为4j29的封接件进行的接插性能对比试验，本试验中检测的插拔次数均为500次。显微镜下观察没有起皮掉层现象为合格，试验结果见表2。新方法按上述具体操作方法执行。

表2采用原方法与新方法镀后接插性能对比结果

采用原方法镀后接插件插拔性能合格率为42％，采用新方法镀后接插件插拔性能合格率为100％，验证了新方法适用于可伐合金(4j50)接插件。

从以上对比试验可以看出，采用新方法电镀后接插件插拔性能合格率达到100％，验证了该方法对两种插针材料封接件处理的通用性。

2.批量生产验证工艺的可行性

2017年11月份分别对2种不同插针材料封接件进行了批量生产，以下是经新方法处理后检测封接件接插性能的统计情况见表3。

从表3可知，2种不同材料的封接件经电镀后插拔性能合格率均达到100％。通过批量生产的试验验证，说明本发明专利采用的表面处理工艺具有稳定性，攻克了航天用电火工品封接件接插寿命较低的技术难关。

表3封接件接插性能检测统计表

该工艺现已推广到多种类型电火工品接插件生产，近几年来所交付的火工品用封接件，没有一例接插寿命较低的事故发生，验证了批量生产的可行性。实践证明：新方法操作简便、环保高效、产品性能稳定，是一种通用性封接件的表面处理工艺。