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        電鍍制備電接觸材料的研究進展

        2015-03-26 11:50:30李遠會郭忠誠萬明攀黃碧芳張曉燕
        電鍍與環(huán)保 2015年3期
        關(guān)鍵詞:銅基耐磨性鍍層

        李遠會, 郭忠誠, 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。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。為了克服以上缺點,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,但原料價格昂貴。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[8]。劉嘯淵[9]研究了Ag-Sn合金鍍層的電鍍過程,但沒有進行相關(guān)的電接觸性能測試。脈沖電鍍具有普通直流電鍍無法比擬的優(yōu)點,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ZrO2的質(zhì)量分數(shù)達到8%時,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)熱性強等優(yōu)點[15]。電沉積Ag-CdO 復(fù)合鍍層時,CdO 微粒分布均勻,斷開時間、燃弧時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等優(yōu)點[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)的滑動電接觸場合[22]。碳納米管、碳納米纖維作為增強相物質(zhì),可提高銀基體的強度和耐磨性[23-25]。而納米金剛石微粒作為增強相,在保持良好導(dǎo)電性能的同時,還大大增加銅體鍍層的耐磨性和耐熱性[26]。當銀基復(fù)合鍍層中微粒的體積分數(shù)為0.5%~13.0%時,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)電性對鍍層的導(dǎo)電性影響不大,但對鍍層的接觸電阻影響較大。靜態(tài)接觸時,它們的接觸電阻差別不大。動態(tài)接觸時,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,但價格便宜。無銀環(huán)保型銅基電接觸材料已成各國電接觸領(lǐng)域研究的重點[29]。Cu-Sn合金鍍層是銅基電接觸材料主要的研究對象之一。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、動態(tài)接觸性和強度顯著提高[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)量分數(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,使之產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;?/p>

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