鋁合金無氰電刷鍍銅/銀及其性能

索帥，杜寶帥，李文，王廣川，步衍江，張魯寧，鄒勇，楊東旭，劉爽

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250002；2.山東大學(xué)，山東 濟南 250100）

為防止電力設(shè)備金屬導(dǎo)電部件表面氧化，并減小接觸電阻，通常會對金屬導(dǎo)電部件表面鍍銀，在鋁合金基體表面鍍銀之前還會鍍一層銅過渡。但電力設(shè)備在運行一段時間后，表面鍍層會因磨損或氧化而導(dǎo)致接觸電阻升高，造成運行過程中導(dǎo)電板因發(fā)熱而需要緊急停運檢修，若發(fā)現(xiàn)不及時，甚至?xí)蚬╇娫O(shè)備損壞而發(fā)生事故[1-4]。針對鍍銀層損壞問題，常采用更換零部件的方式解決，這會造成不必要的浪費，并且對于不易拆解的設(shè)備，其操作復(fù)雜、效率較低。電刷鍍具有操作簡便的優(yōu)點，可用于多種形狀零件表面鍍層的修復(fù)。但電鍍銀一般采用氰化物體系鍍液，污染環(huán)境和危害人體健康。為了實現(xiàn)導(dǎo)電鍍層原位環(huán)保修復(fù)，本工藝結(jié)合電力設(shè)備現(xiàn)場的運行情況，先采用無氰鍍液在鋁合金基體表面電刷鍍Cu，再電刷鍍Ag，分析了Cu和Ag鍍層的外觀、微觀形貌、厚度、硬度、電導(dǎo)率、結(jié)合力等性能，為后續(xù)的鋁合金基體無氰電刷鍍Cu/Ag工藝研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 基體及其前處理

基體采用25 mm × 70 mm × 5 mm的5083鋁合金，刷鍍前采用400目砂紙及砂光機打磨至表面粗糙度Ra≤ 6.3 μm，并洗凈。

1.2 電刷鍍Cu/Ag工藝

采用MeteSage導(dǎo)電板智能修復(fù)儀電刷鍍Cu，然后在Cu過渡層表面電刷鍍Ag。工藝流程為：電凈→清水沖洗→活化→清水沖洗→電刷鍍Cu→清水沖洗→活化→清水沖洗→電刷鍍Ag→清水沖洗→干燥。

采用乙二胺體系電刷鍍 Cu，鍍液組成為：CuSO4·5H2O 35 ～ 50 g/L，乙二胺 80 ～ 100 g/L，pH 12 ～ 13。

采用堿性無氰體系電刷鍍Ag，鍍液組成為：AgNO340 ～ 60 g/L，有機配位劑80 ～ 120 g/L，5,5-二甲基乙內(nèi)酰脲 10 ～ 30 g/L，K4P2O7·3H2O 30 ～ 60 g/L，CH3COONH420 ～ 30 g/L，K2CO35 ～ 20 g/L，2,2′-聯(lián)吡啶 1 ～ 2 g/L，KOH 50 ～ 90 g/L，pH 9 ～ 10。

電刷鍍Cu和Ag的工藝條件為：鍍筆移動速率6 ～ 14 m/min，溫度20 ～ 25 °C，時間300 s，電刷鍍Cu電壓10 ～ 15 V，電刷鍍Ag電壓1.5 ～ 3.5 V。

1.3 性能檢測

采用Olympus GX41型金相顯微鏡觀察鍍層的截面形貌，并測量鍍層厚度。采用Zeiss SUPRA55掃描電鏡觀察鍍層的微觀形貌。采用Q30M自動數(shù)顯顯微維氏硬度計測量Cu鍍層和Ag鍍層的顯微硬度，載荷為25 g，加載時間為15 s，每種試樣取10個不同測量點的平均值。采用Sigmascope SMP10型電導(dǎo)率測試儀檢測基體和鍍層的電導(dǎo)率，探頭使用頻率為60 kHz，每種試樣測3個不同位置，每個位置測3次，取均值。按照 GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強度試驗方法評述》，采用劃線法檢測Cu/Ag鍍層的結(jié)合力，劃線間隔2 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu/Ag鍍層的外觀

從圖 1可知，Cu鍍層呈紫銅色，光亮，表面有顆粒觸感，無起皮、脫落現(xiàn)象。Cu/Ag鍍層為乳白色，表面光滑平整，無起皮、脫落現(xiàn)象。

圖1 Cu鍍層(a)和Cu/Ag鍍層(b)的外觀Figure 1 Appearance of Cu coating (a) and Cu/Ag coating (b)

2.2 Cu/Ag鍍層的表面微觀形貌

由圖2可以看出，Cu鍍層表面由1 ～ 2 μm大小的團簇狀結(jié)構(gòu)組成，團簇由細小的銅顆粒堆積而成，團簇之間有明顯的孔隙，整體較疏松。Cu/Ag鍍層表面由花椰菜狀的團聚體組成，團聚體由細小的半球狀晶粒聚集而成，晶粒尺寸在2 ～ 5 μm之間。

圖2 Cu鍍層(a)和Cu/Ag鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of Cu coating (a) and Cu/Ag coating (b)

2.3 Cu/Ag鍍層的厚度

由圖3可知，電刷鍍所得Cu/Ag鍍層中Cu層厚度在40 μm左右，Ag鍍層厚度約50 μm，滿足Q/GDW 11718.1-2017《電網(wǎng)設(shè)備金屬質(zhì)量檢測導(dǎo)則 第 1部分：導(dǎo)體鍍銀部分》中 Ag鍍層厚度不低于 20 μm的要求。此外，Cu層與鋁合金基體之間及Ag層與Cu層之間均緊密結(jié)合。

圖3 鋁合金表面電刷鍍Cu/Ag的金相截面形貌Figure 3 Metallograph of Cu/Ag coating obtained by electro-brush plating on aluminum alloy substrate

2.4 Cu/Ag鍍層的顯微硬度

由圖4可知，Cu鍍層的顯微硬度波動較大，在122.3 ～ 171.8 HV之間，平均顯微硬度為148.4 HV。在Cu鍍層表面電刷鍍Ag后，所得Cu/Ag鍍層的顯微硬度降低，波動范圍較小，在93.5 ～ 128.6 HV范圍內(nèi)，平均顯微硬度為112.4 HV。

圖4 Cu鍍層和Cu/Ag鍍層的顯微硬度Figure 4 Microhardness of Cu coating and Cu/Ag coating

2.5 Cu/Ag鍍層的電導(dǎo)率

由表1可知，鋁合金基體的電導(dǎo)率與其電刷鍍Cu/Ag后的電導(dǎo)率差別不大。

表1 鋁合金電刷鍍Cu/Ag前后的電導(dǎo)率Table 1 Conductivity of aluminum alloy before and after electro-brush plating with Cu and Ag (單位：MS/m)

2.6 Cu/Ag鍍層的結(jié)合力

由圖5可知，Cu/Ag鍍層經(jīng)劃線試驗后未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，說明其結(jié)合力合格。

圖5 電刷鍍Cu/Ag劃線試驗后的外觀Figure 5 Appearance of Cu/Ag coating after scratch test

3 結(jié)論

在鋁合金表面電刷鍍得到 Cu/Ag鍍層，其表面光滑平整，微觀上由花椰菜狀結(jié)構(gòu)組成，Ag鍍層與 Cu鍍層之間及 Cu鍍層與基體之間都緊密結(jié)合，結(jié)合力良好。其中 Ag鍍層厚度約為 50 μm，顯微硬度為112.4 HV，電導(dǎo)率為16.915 MS/m。