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(dāng)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(dāng)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>

［1］馬戰(zhàn)紅，陳敬超，周曉龍，等.銀基電觸頭產(chǎn)品的發(fā)展狀況［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報：理工版，2002，27（2）：17-23.

［2］劉兵發(fā)，譚敦強，周浪.納米鎢-銅復(fù)合材料制備工藝的研究［J］.材料導(dǎo)報，2005，19（11）：180-183.

［3］李遠會，張曉燕，李廣宇，等.電沉積銅-鎢復(fù)合鍍層的表面形貌和性能研究［J］.電鍍與涂飾，2010，29（5）：6-9.

［4］COHEN U，WALTON K R，SARD R.Development of silverpalladium alloy plating for electrical contact applications［J］.Journal of the Electrochemical Society，1984，131（11）：2489-2495.

［5］屠振密.電鍍合金原理與工藝［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1993：386.

［6］安茂忠，張菊香，劉建一.電鍍Ag-Cd合金工藝研究［J］.材料保護，2003，36（5）：27-30.

［7］劉建平.電鍍銀鎳合金工藝及其在電接觸材料生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.電鍍與涂飾，2007，26（3）：14-16.

［8］沈品華.現(xiàn)代電鍍手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010：163.

［9］劉嘯淵.從焦磷酸鹽溶液中電沉積銀錫合金［J］.電子工藝技術(shù)，1987（1）：30-34.

［10］王麗麗.Sn-Ag合金電鍍［J］.電鍍與精飾，1999，21（4）：42-46.

［11］安茂忠，張鵬，劉建一.碘化物鍍液脈沖電鍍Ag-Ni合金工藝［J］.電鍍與環(huán)保，2003，23（2）：15-18.

［12］向國樸，王萍.脈沖電鍍Ag-Sb合金的研究［J］.電鍍與精飾，1998，20（1）：4-8.

［13］DONG S J，F(xiàn)UKUMOTO Y，HAYASHI T.脈沖電鍍銀鈀合金［J］.材料保護，1990，23（5）：37-40.

［14］GAY P A，BERCOT P，PAGETTI J.Electrodeposition and characterization of Ag-ZrO2electroplated coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2001，140（2）：147-154.

［15］曾領(lǐng)才，文偉，李德.納米粉體復(fù)合鍍銀合金在高壓開關(guān)電接觸部位上的應(yīng)用［J］.電鍍與涂飾，2009，28（5）：20-22.

［16］鄭天丕.電鍍銀氧化鎘觸點［J］.機電元件，1995，15（1）：44-46.

［17］劉建平，曾海秀.復(fù)合電沉積技術(shù)制備Ag-SnO2／Cu電接觸元件［J］.電鍍與涂飾，2011，30（4）：41-43.

［18］于朝清，鄭昂，向艷，等.納米電鍍技術(shù)的研究［J］.機電元件，2003，23（4）：37-40.

［19］鄧柏生，唐振剛.一種新型的電接觸點材料——銅基銀-氧化鑭復(fù)合電接觸點［J］.機電元件，1990，10（4）：26-27.

［20］郭鶴桐，唐致遠，王兆勇，等.銀-氧化鑭復(fù)合電接觸材料的研究［J］.電子工藝技術(shù)，1985（8）：5-10.

［21］錢達人，李景紅.新型電接觸材料——銀基復(fù)合材料研究［J］.電鍍與涂飾，1993，12（3）：13-17.

［22］于錦，李英偉.無氰電鍍Ag-C 合金［J］.材料保護，2007，40（9）：36-38.

［23］HJORTSTAM O，ISBERG P，SODERHOLM S，etal.Can we achieve ultra-low resisticity in carbon nanotube-based metal composites［J］.Applied Physics A，2004，78（8）：1175-1179.

［24］鳳儀，王文芳，王成福.電流密度對碳纖維／銅／石墨復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響［J］.機械工程材料，2000，24（5）：40-41.

［25］顏士欽，許少凡，鳳儀，等.碳纖維／金屬基復(fù)合材料的制造及其在電接觸材料中的應(yīng)用［J］.材料科學(xué)與工程，1998，16（1）：72-74.

［26］蔣斌，徐濱士，董世運，等.納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀［J］.材料保護，2002，35（6）：1-4.

［27］郭忠誠，朱曉云，楊顯萬.電沉積法制備多功能復(fù)合材料研究動態(tài)與發(fā)展趨勢［J］.中國工程科學(xué)，2004，6（4）：88-94.

［28］張正周，郭薪，黎斌.滑動電接觸設(shè)計現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)［J］.高壓電器，2012，48（5）：121-123.

［29］陳樂生，申乾宏，賀慶，等.從“第26屆國際電接觸會議暨第4屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會議”看環(huán)保型電接觸材料的研究動態(tài)［J］.電工材料，2012（3）：28-29.

［30］SANKARA T S N，PARK Y W，LEE K Y.Frettingcorrosion mapping of tin-plated copper alloy contancts［J］.Wear，2007，202（1／2）：228-233.

［31］TRISTANI L，ZINDINE E M，BOYER L，etal.Mechanical modeling of fretting cycles in electrical contacts［J］.Wear，2001，249（1／2）：12-19.

［32］SHAO C B，ZHANG J G.Electric contact behavior of Cu-Sn intermetallic compound formed in tin plantings［J］.Electric Contacts，1998，10：26-28.

［33］徐金城，李曉龍，夏龍，等.短碳纖維增強銅基復(fù)合材料的制備及其性能的研究［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報，2004，40（4）：28-31.

［34］朱建華，劉磊，胡國華，等.復(fù)合電鑄制備Cu-SiCP／Cu復(fù)合材料［J］.中國有色金屬學(xué)報，2004，12（1）：84-87.

［35］洪逸，張曉燕，李廣宇，等.Cu-W 復(fù)合電沉積工藝研究［J］.表面技術(shù)，2008，37（5）：64-65.

［36］李遠會，張曉燕，李廣宇，等.復(fù)合電沉積銅-鎢合金工藝及其機理的研究［J］.電鍍與環(huán)保，2010，30（1）：19-22.

［37］李廣宇，張曉燕，閆超杰，等.銅-鎢復(fù)合鍍層電沉積工藝及其性能［J］.電鍍與涂飾，2009，28（5）：17-19.

［38］李廣宇，張曉燕，李遠會，等.Cu-W 復(fù)合電沉積工藝和鍍層電弧侵蝕性能研究［J］.表面技術(shù)，2009，38（1）：66-68.