不同厚度銅基銀鍍層的耐腐蝕和摩擦磨損性能

周少珍，吳明孝，楊威，付剛，尹啟朋，高嵩，石磊,*

1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052

2.山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061

銅合金由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和機(jī)械加工性，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，特別是在制造高壓隔離開(kāi)關(guān)梅花觸頭觸片方面具有重要作用。梅花觸頭作為高壓隔離開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵部件，服役時(shí)常與空氣、水或其他物質(zhì)接觸，易發(fā)生腐蝕[1-5]，同時(shí)表面還容易受到風(fēng)沙磨損和工作磨損的影響[6-7]。相比之下，銀具有更好的導(dǎo)電性、耐蝕性和耐磨性，但銀的成本較高，將其用作觸頭基體不太經(jīng)濟(jì)。在銅基體表面鍍銀既可以提高觸頭的耐蝕性和耐磨性，又可以降低成本，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的前景和實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量關(guān)于銀鍍層性能的研究[8-10]。陳俊寰等人[11]對(duì)比了銅基體和銀鍍層的接觸電阻，發(fā)現(xiàn)銀鍍層具有良好的導(dǎo)電性，能夠顯著降低觸片的接觸電阻，提高電流傳輸?shù)姆€(wěn)定性。陳婧[12]對(duì)比了不同厚度銅基銀鍍層的性能，發(fā)現(xiàn)鍍層越厚，其結(jié)合力和導(dǎo)電性越差。目前，關(guān)于銀鍍層厚度與其耐蝕性及摩擦磨損性能方面關(guān)系的研究報(bào)道較少[11]。本文以銅基體及不同厚度銀鍍層作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕及摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)比了不同厚度銀鍍層的耐蝕性和耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電鍍銀工藝

以50 mm × 50 mm × 2 mm大小的H59黃銅為基體，先使用80#、120#、240#、320#、400#、600#、800#和1000#砂紙逐級(jí)打磨，再使用2.5 μm的金剛石噴霧拋光劑進(jìn)行拋光；然后采用10 g/L NaOH溶液堿洗；接著用160 mL/L硫酸進(jìn)行酸洗；再置于含硝酸銀的預(yù)鍍銀溶液中預(yù)鍍銀；隨后采用氰化銀為主鹽、氰化鉀為配位劑的鍍液在室溫下進(jìn)行電鍍銀，電流密度為1.0 A/dm2。以上每步操作完成后都要進(jìn)行水洗。最后將鍍銀試樣放入烘箱中，以80 ℃烘烤20 min。

1.2 試驗(yàn)方法

Q/GDW 13088.1–2018《12 kV ~ 40.5 kV高壓開(kāi)關(guān)柜采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 第1部分：通用技術(shù)規(guī)范》中5.2.7條規(guī)定，高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)“隔離開(kāi)關(guān)觸頭、手車(chē)觸頭表面應(yīng)鍍銀，銀鍍層厚度不小于8 μm”，因此控制銀鍍層厚度為10、15和20 μm來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.1 大氣腐蝕試驗(yàn)

為了研究銅基體和銀鍍層在大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能，分別切取20 mm × 10 mm × 2 mm大小的試樣，放置于樓頂，使其暴露于室外空氣中。放置環(huán)境屬于城市大氣環(huán)境，由于汽車(chē)尾氣排放等因素，其中含有SOx、NOx等腐蝕性氣體。每周記錄試樣的表面情況，用以比較腐蝕程度。

1.2.2 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

為了更好地比較不同厚度銀鍍層和銅基體的耐蝕性差異，如圖1所示，采用三電極體系的Interface 1000型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，電解液為3.5%的NaCl溶液。采用動(dòng)電位掃描方式，掃描速率為0.5 mV/s，試驗(yàn)前將待測(cè)試樣用蠟密封好，只保留1 cm2的裸露面積，隨后浸入電解液中，使測(cè)試面與鉑電極正對(duì)。

圖1 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖Figure 1 Schematic diagram of electrochemical corrosion testing

1.2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

在MDW-02G型高速往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)干摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)力為40 N，滑動(dòng)距離25 mm，往復(fù)頻率1 Hz。摩擦副為GCr15標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)鋼球，硬度為550 ~ 600 HV，直徑6 mm。待測(cè)試樣為銅基體和不同厚度的銅基銀鍍層。試驗(yàn)前先超聲清洗待測(cè)試樣，之后用吹風(fēng)機(jī)吹干，避免因試樣表面有雜質(zhì)而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨后將待測(cè)試樣固定在工作臺(tái)上，設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面宏觀形貌

如圖2所示，未被腐蝕時(shí)所有試樣表面光亮，不同厚度銀鍍層的外觀無(wú)明顯差別，隨著大氣腐蝕的進(jìn)行，所有試樣的表面光澤下降，且腐蝕程度逐漸加深。銅基體的腐蝕最明顯，在第2周時(shí)表面就出現(xiàn)了呈點(diǎn)狀分布的黑褐色物質(zhì)，光澤有所下降。在放置4到6周后，黃銅試樣的表面光澤進(jìn)一步降低，黑褐色物質(zhì)的數(shù)量和覆蓋面積增加。相比之下，鍍銀試樣由于表面生成了氧化膜，腐蝕程度較小。在大氣中放置2周后，可以看出試樣的表面光澤變化較為明顯，但均無(wú)明顯的腐蝕跡象。放置4周后，試樣表面明顯變黑，可以看到有腐蝕痕跡，但相較于銅基體而言，腐蝕產(chǎn)物面積更小，數(shù)量更少。放置6周后，腐蝕程度進(jìn)一步加深，腐蝕產(chǎn)物的覆蓋面積增大，其中20 μm厚度的鍍銀試樣變化最為顯著。綜合來(lái)看，銀鍍層厚度為10 μm的試樣腐蝕程度最輕。由此可見(jiàn)，銀鍍層厚度為10 μm時(shí)試樣的耐蝕性最好。

圖2 不同銀鍍層厚度的試樣在城市大氣腐蝕不同時(shí)間后的表面狀態(tài)Figure 2 Surface states of specimens with different thicknesses of silver coating after exposure under urban atmospheric environment for different time

2.2 極化曲線

圖3展示了黃銅基體與不同厚度銀鍍層在3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線。從中可以看出，當(dāng)銀鍍層厚度為10 μm時(shí)，試樣的腐蝕電位最正，并且其陽(yáng)極分支不同于其他試樣，出現(xiàn)了明顯的鈍化區(qū)域。隨著電位向正方向移動(dòng)，電流密度升高，當(dāng)電位超過(guò)a點(diǎn)后，電流密度隨電位正移而減小，這是因?yàn)殂y鍍層表面生成了一層電阻高、耐腐蝕的鈍化膜。直到b點(diǎn)之后，電流密度又隨著電位正移而增大，意味著陽(yáng)極又發(fā)生了氧化。

圖3 不同厚度銀鍍層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線Figure 3 Polarization curves measured in 3.5% NaCl solution for silver coatings with different thicknesses

表1是圖3擬合得到的不同試樣的腐蝕參數(shù)。與銅基體相比，電鍍不同厚度的銀后腐蝕電位更正，腐蝕電流密度和腐蝕速率更低，說(shuō)明電鍍銀能夠提高銅基體的耐蝕性。隨著銀鍍層厚度的增大，腐蝕電流密度和腐蝕速率增大，腐蝕電位負(fù)移。銀鍍層厚度為10 μm時(shí)，腐蝕電流密度和腐蝕速率最小，腐蝕電位最正，耐蝕性最佳。

表1 不同厚度銀鍍層試樣的腐蝕參數(shù)Table 1 Corrosion parameters of silver coatings with different thicknesses

圖4為不同試樣電化學(xué)腐蝕前后的表面微觀形貌?？梢钥闯鲢~基體的表面較為光滑平整，電鍍不同厚度的銀后其表面明顯變得粗糙。對(duì)比可見(jiàn)20 μm厚的鍍銀試樣表面最粗糙，有明顯的顆粒結(jié)構(gòu)。電化學(xué)腐蝕后，銅基體腐蝕最嚴(yán)重，表面出現(xiàn)許多大小不一的腐蝕坑洞；銀鍍層厚度為10 μm時(shí)，試樣的腐蝕程度最小，表面無(wú)明顯的腐蝕溝壑；15 μm和20 μm厚的鍍銀試樣表面在腐蝕后出現(xiàn)了明顯的溝壑，20 μm厚鍍銀試樣的腐蝕最為嚴(yán)重。當(dāng)銀鍍層達(dá)到一定厚度時(shí)，銀鍍層越厚，銀鍍層的結(jié)合力就越差[12]，內(nèi)部存在的縫隙越多。隨著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕介質(zhì)會(huì)通過(guò)這些縫隙進(jìn)入銀鍍層內(nèi)部，從而加快腐蝕進(jìn)程。

圖4 不同厚度銀鍍層電化學(xué)腐蝕前后的表面SEM形貌Figure 4 SEM images of silver coatings with different thicknesses before and after electrochemical corrosion

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

從圖5可知，銀鍍層厚度為10 μm的試樣的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)最小，并且?guī)缀踉谡麄€(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦因數(shù)都低于另外兩個(gè)試樣。從磨穿時(shí)間來(lái)看，厚度為10、15和20 μm的銀鍍層的磨穿時(shí)間分別約為1 550、1 200和1 750 s，可見(jiàn)并不是銀鍍層厚度越大，磨穿所需時(shí)間就越長(zhǎng)。一方面如上文所言，銀鍍層的結(jié)合力隨鍍層厚度的增大而減??；另一方面，銀鍍層厚度為10 μm時(shí)摩擦因數(shù)最小，摩擦過(guò)程中所受的摩擦力也就最小。因此，鍍層厚度為10 μm時(shí)試樣的耐磨性最好。

圖5 摩擦磨損試驗(yàn)中不同厚度銀鍍層的摩擦因數(shù)變化Figure 5 Variation of friction coefficient with time for silver coatings with different thicknesses during friction and wear testing

不同厚度銀鍍層與黃銅基體的平均摩擦因數(shù)如圖6所示?？梢?jiàn)銀鍍層的摩擦因數(shù)隨其厚度增大而增大，但都比銅基體的平均摩擦因數(shù)小很多，表明黃銅表面鍍銀可以有效減少摩擦和磨損。銀鍍層厚度為10 μm時(shí)試樣的平均摩擦因數(shù)最低，為0.344，耐磨性最好。

圖6 不同厚度銀鍍層在穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦因數(shù)Figure 6 Average friction coefficients of silver coatings with different thicknesses at steady wear stage

如圖7所示，可將銀鍍層厚度為10 μm的試樣的磨損過(guò)程分為4個(gè)階段：

圖7 10 μm厚銀鍍層的摩擦因數(shù)變化Figure 7 Variation of friction coefficient for the specimen with 10 μm-thick silver coating during friction and wear testing

1) 第一階段(0 ~ 220 s)是初始磨損階段。隨著摩擦的進(jìn)行，鋼球與試樣的接觸面積逐漸增大，銀鍍層較軟，接觸面積的增大會(huì)使銀鍍層表面產(chǎn)生劃痕、鉤刺等缺陷，摩擦因數(shù)相應(yīng)增大。

2) 第二階段(220 ~ 380 s)是磨合磨損階段。鋼球與試樣的接觸面積增大趨勢(shì)變緩，鋼球的持續(xù)摩擦使銀表面的缺陷變小，表面粗糙度減小，摩擦因數(shù)降低。

3) 第三階段(380 ~ 1 550 s)是穩(wěn)定磨損階段。銀鍍層受到鋼球和銅基體的擠壓作用發(fā)生變形，并且隨著鍍層厚度的減小，擠壓變形加劇，摩擦因數(shù)隨之增大。

4) 第四階段(1 550 ~ 1 900 s)是混合磨損階段。此時(shí)銀鍍層已被磨穿(如圖8所示)，屬于銀鍍層和銅基體的混合磨損。

圖8 10 μm厚銀鍍層在摩擦磨損試驗(yàn)后的狀態(tài)Figure 8 Photo of 10 μm-thick silver coating after friction and wear test

3 結(jié)論

1) 大氣腐蝕試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，電鍍銀可提高銅基體的耐蝕性，當(dāng)銀鍍層厚度為10 μm時(shí)耐蝕性最好。

2) 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，電鍍銀能夠提高銅基體的耐磨性。隨銀鍍層厚度增大，摩擦因數(shù)曲線的波動(dòng)增大，平均摩擦因數(shù)增大。銀鍍層厚度為10 μm時(shí)摩擦因數(shù)為0.344，耐磨性最佳。