工藝條件對(duì)電沉積Cu-SiO2復(fù)合鍍層形貌與硬度的影響

周言敏， 李建芳

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

工藝條件對(duì)電沉積Cu-SiO2復(fù)合鍍層形貌與硬度的影響

周言敏， 李建芳

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

采用電沉積方法制備Cu-SiO2復(fù)合鍍層，并研究了攪拌速率、電流密度和電流施加方式對(duì)其形貌與硬度的影響。結(jié)果顯示：隨著攪拌速率的提高，復(fù)合鍍層的形貌先趨好后變差，硬度先升高后降低；而隨著電流密度的增加，復(fù)合鍍層的形貌呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢(shì)，硬度近似線性降低；在同等條件下，電流以脈沖形式施加有利于改善復(fù)合鍍層的形貌，密實(shí)組織結(jié)構(gòu)，提高硬度。

形貌；硬度；Cu-SiO2復(fù)合鍍層；工藝條件

0 前言

銅基復(fù)合鍍層既具有銅優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，又展現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度及較好的耐磨、耐高溫性能，因而受到廣泛關(guān)注。王金東等［1］和謝蘭清等［2］均采用超聲波攪拌－電沉積法制備出Cu-SiC復(fù)合鍍層，并分別對(duì)其性能進(jìn)行了考察。陳勁松等［3］利用噴射電沉積工藝制得Cu-Al2O3納米復(fù)合鍍層，并對(duì)影響其硬度的因素進(jìn)行了分析?；趶?fù)合電沉積工藝，朱建華等［4］同樣制備出Cu-Al2O3納米復(fù)合鍍層，并對(duì)其拉伸性能、磨損性能及導(dǎo)電性能進(jìn)行了研究。除此之外，王文芳等［5］、Xu X Q 等［6］和芮世軒［7］還分別研究了電沉積 Cu-TiO2復(fù)合鍍層、Cu-液體微膠囊復(fù)合鍍層和Cu-MoS2復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)與性能。

SiO2微粒具有耐腐蝕、耐磨損和硬度高等優(yōu)點(diǎn)。將其作為增強(qiáng)相與基相銅離子共沉積，有望制備出疊加各相優(yōu)勢(shì)性能的銅基復(fù)合鍍層。然而截至目前，關(guān)于Cu-SiO2復(fù)合鍍層的制備工藝及性能研究僅有為數(shù)不多的文獻(xiàn)報(bào)道［8－9］。鑒于此，本文采用電沉積工藝制備Cu-SiO2復(fù)合鍍層，并探討了工藝條件對(duì)復(fù)合鍍層形貌與硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和方法

鍍液配方為：硫酸銅220g/L，硫酸50g/L，氯化鈉適量。陽極為鍍銅專用的磷銅板，陰極為不銹鋼板。共沉積惰性不溶微粒選用經(jīng)表面改性處理的高純度SiO2，粒徑約為2μm，添加量為15g/L。

電鍍前，嚴(yán)格按照規(guī)范流程分別對(duì)陽極和陰極進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)施加高頻超聲波振蕩攪拌鍍液，對(duì)微粒進(jìn)行解聚分散處理。電鍍中，電流分別以直流形式和脈沖形式施加。設(shè)定直流電流密度為3～11 A/dm2。脈沖電流密度為5A/dm2，占空比為0.2。鍍液采用磁力攪拌，攪拌速率為50～450r/min，溫度控制在30℃。

1.2 分析測(cè)定

Cu-SiO2復(fù)合鍍層經(jīng)相關(guān)處理后，采用KYKY－2800B型掃描電鏡觀察其形貌，并利用HV-1000型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定其硬度。測(cè)定硬度時(shí)，施加載荷為50g，保壓10s，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合鍍層的形貌

電流以直流形式施加，并保持電流密度在5 A/dm2，僅研究攪拌速率對(duì)Cu-SiO2復(fù)合鍍層形貌的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 攪拌速率對(duì)Cu-SiO2復(fù)合鍍層形貌的影響

由圖1可知：攪拌速率為50r/min時(shí)，復(fù)合鍍層的晶粒較粗且尺寸不一，晶界明顯導(dǎo)致存在孔洞，呈現(xiàn)疏松多孔狀結(jié)構(gòu)。低速攪拌難以促使尺度較大的微粒懸浮于鍍液中，故微粒與基質(zhì)金屬離子共沉積的幾率小，復(fù)合鍍層中微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，未能有效發(fā)揮作用。隨著攪拌速率的提高，復(fù)合鍍層的晶粒細(xì)化，晶間縫隙彌合，結(jié)構(gòu)趨于致密，見圖1（b）。此后，復(fù)合鍍層呈現(xiàn)出類似圖1（a）所示的粗大胞狀晶粒、疏松多孔狀結(jié)構(gòu)，見圖1（c）。根據(jù)物理學(xué)理論，鍍液攪拌速率越高，微粒所受離心力越大。換言之，微粒黏附于沉積表面越牢靠，因而越容易與基質(zhì)金屬離子共沉積，發(fā)揮改善復(fù)合鍍層形貌的作用。

鑒于攪拌速率為350r/min時(shí)制備的Cu-SiO2復(fù)合鍍層的形貌質(zhì)量最好，保持350r/min恒定，轉(zhuǎn)而研究電流密度對(duì)復(fù)合鍍層形貌的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：復(fù)合鍍層的形貌隨電流密度的增加呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢(shì)。

圖2 電流密度對(duì)Cu-SiO2復(fù)合鍍層形貌的影響

綜上所述，采用過低/過高的攪拌速率及較高的電流密度，所得Cu-SiO2復(fù)合鍍層的形貌質(zhì)量不盡理想。將電流以脈沖形式施加，對(duì)比不同電流施加方式下所得Cu-SiO2復(fù)合鍍層的形貌，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：脈沖復(fù)合鍍層的形貌有所改善，表面趨于平整，晶粒尺寸較小且組織致密程度提高。這歸因于脈沖電流導(dǎo)通期間，高瞬時(shí)電流密度使電化學(xué)極化作用增強(qiáng)，提高成核幾率并減小結(jié)晶晶粒臨界尺寸，加之輔助微粒的作用，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。

圖3 不同電流施加方式下所得Cu-SiO2復(fù)合鍍層的形貌

2.2 復(fù)合鍍層的硬度

圖4和圖5分別為僅改變單一因素情況下制備的Cu-SiO2復(fù)合鍍層的硬度變化曲線?？梢钥闯觯簭?fù)合鍍層的硬度隨攪拌速率的提高先從861MPa增至1 117MPa，然后降至1 039MPa；而隨電流密度的增加從1 168MPa直降至889MPa。

圖4 Cu-SiO2復(fù)合鍍層的硬度隨攪拌速率的變化曲線 （直流電流密度5A/dm2）

圖5 Cu-SiO2復(fù)合鍍層的硬度隨電流密度的變化曲線 （攪拌速率350r/min）

根據(jù)文獻(xiàn)［10］中推導(dǎo)出的復(fù)合鍍層的硬度與其中微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性關(guān)系，并結(jié)合上文分析，不難作出解釋：采用適宜攪拌速率和較低電流密度，均有助于促進(jìn)微粒與基質(zhì)金屬銅離子共沉積，提高復(fù)合鍍層中微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，所發(fā)揮的細(xì)晶強(qiáng)化作用和彌散強(qiáng)化作用越明顯，自然復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)較致密，硬度較高。

同樣，電流以脈沖形式施加，也有利于提高微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、細(xì)化晶粒，因而制備的Cu-SiO2復(fù)合鍍層的硬度偏高。以電流密度5A/dm2，攪拌速率450r/min條件下制得的兩種Cu-SiO2復(fù)合鍍層為例，測(cè)定結(jié)果顯示：電流以脈沖形式施加，硬度提高約13.6%。

3 結(jié)論

采用電沉積方法制得Cu-SiO2復(fù)合鍍層，并進(jìn)一步研究了攪拌速率、電流密度和電流施加方式對(duì)其形貌與硬度的影響。得出結(jié)論：（1）隨著攪拌速率的提高，復(fù)合鍍層的形貌先趨好后變差，硬度先升高后降低；而隨著電流密度的增加，復(fù)合鍍層的形貌呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢(shì)，硬度近似線性降低。（2）在同等條件下，電流以脈沖形式施加有利于改善復(fù)合鍍層的形貌，密實(shí)組織結(jié)構(gòu)，提高硬度。

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［1］王金東，谷碩，夏法鋒.Cu-SiC復(fù)合鍍層制備工藝及表征研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2012，35（6）：11-13.

［2］謝蘭清，王彩霞.輔助超聲振蕩電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)與性能［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2013，36（2）：72-76.

［3］陳勁松，黃因慧，劉志東，等.噴射電沉積Cu-Al2O3復(fù)合電鑄層性能研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2008，16（5）：638-641.

［4］朱建華，劉磊，趙海軍，等.電鑄nano-Al2O3/Cu復(fù)合材料的組織與性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006，23（4）：65-71.

［5］王文芳，吳玉程，鄭玉春，等.銅－納米金屬氧化物復(fù)合鍍層的制備及組織性能研究［J］.稀有金屬，2004，28（2）：301-303.

［6］XU X Q，ZHU L Q，LI W P，et al.Microstructure and deposition mechanism of electrodeposited Cu/liquid microcapsule composite［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21（10）：2 210-2 215.

［7］芮世軒.MoS2/Cu復(fù)合刷鍍層制備及真空摩擦性能［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

［8］王莉萍.電沉積鎳基/銅基納米復(fù)合鍍層制備、組織結(jié)構(gòu)與性能研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［9］王文芳，吳玉程，鄭玉春，等.納米SiO2/Cu復(fù)合鍍層的制備和組織性能研究［J］.材料保護(hù)，2004，37（2）：15-16.

［10］王玉林，趙乃勤，董剛，等.Al2O3顆粒粒徑和含量對(duì)α-Al2O3/Cu復(fù)合鍍層性能的影響［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1998，15（1）：78-82.

Effects of Process Conditions on Morphology and Hardness of Electrodeposited Cu-SiO2Composite Coating

ZHOU Yan-min， LⅠ Jian-fang
（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

The Cu-SiO2composite coating was prepared by electrodeposition，and the effects of agitation rate，current density and current applying way on its morphology and hardness were investigated.The results show that with the increasing of agitation rate，the morphology of the composite coating is improved first and then becomes worse，and the hardness increases first and then decreases；with the increasing of current density，the morphology of the composite coating shows a gradually worsening trend，and the hardness reduces almost linearly；under the same conditions，the current applied in pulse form is better for improving the morphology，compacting the structure and increasing the hardness of the composite coating.

morphology；hardness；Cu-SiO2composite coating；process condition

TQ 153

A

1000-4742（2014）05-0001-03

2014-04-16