電鍍制備電接觸材料的研究進(jìn)展

李遠(yuǎn)會(huì)， 郭忠誠(chéng)， 萬明攀， 黃碧芳， 張曉燕

（1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明650039；2.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽550003）

0 前言

目前，電接觸材料主要分為銀基和銅基兩類。銀基電接觸材料的制備工藝主要有三種：粉末冶金法、合金內(nèi)氧化法、預(yù)氧化合金粉末法［1］。銅基電接觸材料的制備以粉末冶金及其衍生工藝為主。致密化、第二相均勻彌散、物相間浸潤(rùn)性、基體氧化、晶粒大小等因素往往影響產(chǎn)品質(zhì)量［2-3］。電鍍具有低溫操作、成本低、鍍層質(zhì)量好、成品率高等特點(diǎn)。本文主要介紹了電鍍法制備銀基和銅基電接觸材料的研究進(jìn)展。

1 銀基電接觸材料

銀基電接觸材料存在硬度低、耐磨性差、壽命短、成本高等缺點(diǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，通常采用電鍍法制備銀基電接觸材料。

Cohen U 等［4］制備的Ag-Pd合金鍍層具有接觸電阻低、耐硫性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，但原料價(jià)格昂貴。Ag-Sb合金鍍層的硬度為1 100～1 200 MPa，其耐磨性比純銀的高10～12倍［5］。Ag-Ni合金鍍層除接觸電阻比純銀鍍層的稍高外，其他物理性能均達(dá)到或優(yōu)于純銀鍍層的，節(jié)約用銀20%～50%，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益［6］。Ag-Cd合金鍍層存在金屬間化合物AgCd，大大提高了鍍層的硬度和耐磨性［7］，可代替純銀鍍層。然而，“鎘毒”已引起世界各國(guó)政府的高度關(guān)注，其應(yīng)用必將受到限制。Ag-Cu合金鍍層具有無脆性、耐硫性和耐磨性好、電阻率低等優(yōu)點(diǎn)［8］。劉嘯淵［9］研究了Ag-Sn合金鍍層的電鍍過程，但沒有進(jìn)行相關(guān)的電接觸性能測(cè)試。脈沖電鍍具有普通直流電鍍無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被用于制備Ag-Ni、Ag-Sn、Ag-Cd、Ag-Pd 合金電接觸材料［10-13］。

銀-稀土復(fù)合鍍層具有優(yōu)異的耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐蝕性、抗氧化性及抗電弧性等性能，被廣泛應(yīng)用于銅體電接觸部位表面。Gay P A 等［14］研制了銅基Ag-ZrO2復(fù)合鍍層。當(dāng)ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，觸頭的耐磨性和耐蝕性最好。Al2O3-C／Ag-Sn-Sb復(fù)合鍍層具有硬度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［15］。電沉積Ag-CdO 復(fù)合鍍層時(shí)，CdO 微粒分布均勻，斷開時(shí)間、燃弧時(shí)間和燃弧能量均小于內(nèi)氧化法的［16］。Ag-SnO2／Cu 復(fù)合鍍層具有較低的硬度及優(yōu)異的電性能［17］。電沉積Ag-SiC／Cu在弱電接觸元件行業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)品的使用壽命提高了3～5倍［18］。Ag-La2O3復(fù)合鍍層具有硬度高、接觸電阻小、抗熔焊性和抗電蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［19-20］。與鍍銀層相比，Ag-Ce復(fù)合鍍層的孔隙率和接觸電阻更低［21］。

Ag-C復(fù)合鍍層具有良好的自潤(rùn)滑功能，其耐磨性、接觸電阻比常規(guī)鍍銀層的還小，可用于高／中壓開關(guān)的滑動(dòng)電接觸場(chǎng)合［22］。碳納米管、碳納米纖維作為增強(qiáng)相物質(zhì)，可提高銀基體的強(qiáng)度和耐磨性［23-25］。而納米金剛石微粒作為增強(qiáng)相，在保持良好導(dǎo)電性能的同時(shí)，還大大增加銅體鍍層的耐磨性和耐熱性［26］。當(dāng)銀基復(fù)合鍍層中微粒的體積分?jǐn)?shù)為0.5%～13.0%時(shí)，鍍層的摩擦因數(shù)為0.17～0.51，硬度為7 100～10 400 MPa。碳纖維、MoS2微粒的導(dǎo)電性對(duì)鍍層的導(dǎo)電性影響不大，但對(duì)鍍層的接觸電阻影響較大。靜態(tài)接觸時(shí)，它們的接觸電阻差別不大。動(dòng)態(tài)接觸時(shí)，前者的電接觸電阻比后者的小得多，與普通鍍銀層的相近［27-28］。

2 銅基電接觸材料

銅的性質(zhì)與銀的接近，但價(jià)格便宜。無銀環(huán)保型銅基電接觸材料已成各國(guó)電接觸領(lǐng)域研究的重點(diǎn)［29］。Cu-Sn合金鍍層是銅基電接觸材料主要的研究對(duì)象之一。Cu-Sn合金鍍層的接觸電阻除在磨損初期有所增加外，基本維持在10 mΩ［30］。Tristani L等［31］建立了Cu-Sn合金鍍層磨損的數(shù)學(xué)模型。潤(rùn)滑劑可以使Cu-Sn 合金鍍層的接觸電阻保持較低水平［32］。納米微粒具有優(yōu)異的理化性質(zhì)，將其引入電接觸復(fù)合鍍層中，不僅可以節(jié)約貴金屬材料，還可以提高電接觸性能。

電鍍聯(lián)合化學(xué)鍍、粉末冶金工藝制備的短碳纖維無序增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，仍然具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，并且使復(fù)合材料的硬度、耐磨性、動(dòng)態(tài)接觸性和強(qiáng)度顯著提高［33］。朱建華等［34］電鑄制備了Cu-SiCp／Cu復(fù)合材料。隨著SiCp的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合鍍層的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)減小，抗彎強(qiáng)度和硬度提高。目前，Cu-W 假合金是主要的銅基電接觸材料之一，但無法從相應(yīng)的離子水溶液中電鍍析出。本課題組向鍍銅液中加入W 微粒，電沉積Cu-W 鍍層／銅體，并研究了電沉積工藝及復(fù)合電沉積的機(jī)制［35-38］。最近，本課題組從熱力學(xué)角度，分析了電鍍Cu-W-Ni、Cu-W-Co、Cu-Mo-Ni、Cu-Mo-Co鍍層／銅體的可行性，在氟硼酸鹽、焦磷酸鹽、氨基磺酸鹽、檸檬酸鹽、酒石酸鹽、有機(jī)胺等體系中電鍍銅合金電接觸材料，已取得了一些成效。

3 結(jié)論

鍍銀液中往往含有氰化物，并且銀資源稀缺、昂貴。采用電鍍法制備銅基電接觸復(fù)合材料，在不降低銅基材料電導(dǎo)率的前提下，最大限度地提高電接觸性能指標(biāo)，使之產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化。

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