陳 婧

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，貴州貴陽550008）

紫銅，具有良好的導電性、導熱性與塑性，易于加工成型，大量用于制造電線與電纜等導電類產(chǎn)品。為提高其導電性能，開合電流位置一般對零部件均采用鍍銀處理，且保證鍍銀層為單質(zhì)成分，鍍銀層與基體材料之間良好結(jié)合，利用銀單質(zhì)具有優(yōu)良的導電性能，可以降低零部件之間接觸電阻，提高其導電性能，降低導電過程中的發(fā)熱與溫升，滿足設計與生產(chǎn)的需要［1］。在生產(chǎn)上為保證鍍銀層的導電性能，技術(shù)人員從工藝流程、工裝設備與技術(shù)參數(shù)等方面做了大量的研究，獲得了理想的研究成果［2-4］。結(jié)果表明：厚度是影響銀層導電性能的關(guān)鍵指標之一，影響著線路的接觸電阻與導電性能，在比較重要的工作環(huán)境，銀層較厚，一般工作環(huán)境，銀層較薄。但實際上在工程應用過程中發(fā)現(xiàn)，需鍍銀的工作面銀層厚度影響著其粗糙度大小，而粗糙度同樣是影響鍍銀層導電性的重要因素。粗糙度數(shù)值過大在應用或者試驗過程中與其它零部件有效接觸面積過小，對導電性能會有不利影響，通電過程中溫升會比較高。粗糙度數(shù)值越小在應用或者試驗過程中與其它零部件有效接觸面積較大，對導電性能會有有利影響，通電過程中溫升會比較低［5-6］。但是針對紫銅材料在應用過程中定量鍍銀層厚度與粗糙度對導電性能的研究并不多見，生產(chǎn)上一直追求較大的鍍銀層厚度與較小的粗糙度，但是追求過大的銀層厚度，生產(chǎn)成本較高，且鍍層厚度比較大時并不容易獲得較小的粗糙度，急需開展鍍銀厚度對粗糙度與導電率的影響研究，用于指導設計與生產(chǎn)。

為此本文選擇紫銅作為基體材料系統(tǒng)分析鍍銀層厚度對粗糙度的影響、粗糙度對導電性能與溫升的影響，在保證鍍銀層導電性能前提下優(yōu)化最佳鍍銀層厚度與粗糙度，為生產(chǎn)與工程應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 基材

基材為紫銅長×寬×厚=50 mm×35 mm×1 mm，原始粗糙度約為1.6μm。

鍍 銀 液 組 成 為：KCN 145～155 g/L，AgCN 41～45 g/L，K2CO316～20 g/L，光亮劑約20 mL/L。

1.2 工藝過程

NAOH除油堿洗→水洗→硝酸酸洗→水洗→浸鋅→水洗→鍍銅→水洗→預鍍銀→水洗→鍍銀→水洗。電鍍工藝條件：室溫，電流密度1.0 A/dm2，鍍銀層厚度要求分別為12μm、18μm、30μm與5μm，電 鍍 時 間 依 次 約 為25 min、40 min、60 min與100 min。每種厚度制備5件試樣。

1.3 性能檢測

鍍銀層厚度采用Oxford CMI900膜厚測試儀進行檢測。粗糙度采用Mitutoyo SJ210便捷式表面粗糙度測試儀進行測量。

鍍銀層結(jié)合力采用熱振法進行檢測，試樣放入普通加熱爐內(nèi)，溫升速率為8℃/min，至235±10℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫，觀察鍍銀層氣泡與變色狀況。

鍍銀層導電率采用GE AutoSigma 3000電導率儀進行測試，每種名義粗糙度試樣的各種性能都測5個樣品。其中電導率以與國際退火銅標準（IACS）相比的百分數(shù)表示。

采用試驗設備為HTHL-100A開關(guān)回路電阻測試儀，取電流值為100 A，試驗電路如圖1所示。測試設計鍍銀層厚度分別為12μm、18μm、30μm與50μm試樣的溫升高低，每一組厚度的試樣各兩件，分別為RX1與RX2，串聯(lián)，自行進行對接接觸，保持接觸預緊力矩均為50 N·m，溫升時間約為1 h，待溫度穩(wěn)定，即每個位置溫升波動在1 K時視為穩(wěn)定，然后測試溫升數(shù)據(jù)，溫升數(shù)據(jù)不超過65 K±0.5 K，滿足設計要求。

圖1 溫升試驗電路Fig.1 The test circuit of temperature rise

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗樣品鍍銀層的厚度

試驗中對每一種鍍銀厚度的5件試樣進行詳細測試，記錄試驗結(jié)果并取平均值作為標準評判鍍層厚度，結(jié)果如表1所示。設計鍍銀層厚度為12μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度分別為11.7μm、11.9μm、12.5μm、12.4μm與11.8μm，實際厚度均值為12.1μm，略大于設計厚度。同樣，設計鍍銀層厚度為18μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度介于17.7μm～18.4μm之間，均值為18.1μm，與設計厚度相差不大。設計鍍銀層厚度為30μm與50μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度均值分別為30.0μm與50.1μm。生產(chǎn)中鍍銀層厚度上下限控制為：設計厚度±3μm，所有試樣實際鍍銀層厚度均可滿足設計要求。

表1 鍍銀層厚度Tab.1 The thickness of the silver plating layer

2.2 鍍銀后粗糙度變化

試驗中仍選擇表1每種鍍銀層厚度的5件試樣測試粗糙度，記錄試驗結(jié)果并取平均值作為標準評判鍍層粗糙度，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，鍍銀層厚度越大其基體試樣表面粗化越厲害，即其粗糙度值越大。設計鍍銀層厚度為12μm的5件試樣，粗糙度平均值為1.68μm。設計鍍銀層厚度為18μm、30μm與50μm時，對應鍍銀層厚度平均值分別為18.06μm、29.98μm與50.12μm，實際粗糙度平均值分別為1.73μm、2.16μm與2.46μm。

表2 鍍銀層粗糙度Tab.2 The roughness of the silver coating

鍍銀后試樣表面粗糙度的變化與金屬材料的結(jié)晶長大方式有著直接關(guān)系。電鍍過程基本上均屬于表面粗化過程，金屬材料在電鍍過程中是按照一定的方式結(jié)晶生長，伴隨著晶粒的形核與長大逐漸形成鍍層。首先，形核具有一定的選擇性，在滿足形核條件的局部區(qū)域首先形成晶核，晶粒從這些區(qū)域開始生長，并且在生長過程中晶粒還會具有方向的選擇性，故沿著一定的方向晶?？焖匍L大，宏觀狀況就表現(xiàn)為晶粒生長的方向性，試樣表面粗化，粗糙度數(shù)值變大。鍍層厚度越小，沿著一定方向晶粒長大越薄，試樣表面粗糙度數(shù)值就越小。鍍層厚度越大，沿著一定方向晶粒長大越多，試樣表面粗糙度數(shù)值越大。如表2中設計鍍銀層厚度為12μm，其形成的鍍銀層粗糙度均值為1.68μm。當設計鍍銀層厚度為18μm時，其形成的鍍銀層粗糙度均值略有增加，為1.73μm。當設計鍍銀層厚度為30μm與50μm時，其形成的鍍銀層粗糙度均值已經(jīng)分別達到2.16μm與2.46μm。

2.3 鍍銀層結(jié)合力

經(jīng)過235±10℃的高溫測試后，鍍銀層結(jié)合力測試結(jié)果如表3所示，鍍銀層厚度較薄其表面狀況較好，表明其鍍層結(jié)合力越好，鍍銀層厚度較厚，其表面狀況較差，表明其鍍層結(jié)合力越差。如鍍銀層厚度約12μm，5件試樣表面泛黃，其中1件樣品出現(xiàn)黑色細小斑點，均無氣泡。鍍銀層厚度約18μm，5件試樣表面泛黃，局部發(fā)黑，其中2件樣品出現(xiàn)黑色斑點，變色情況較前者明顯加重，均無氣泡。鍍銀層厚度約30μm，2件試樣表面泛黃，3件試樣表面局部發(fā)黑嚴重且出現(xiàn)黑色斑點，1件樣品出現(xiàn)氣泡。鍍銀層厚度約50μm，2件試樣表面均勻泛黃，3件試樣表面局部發(fā)黑嚴重且出現(xiàn)黑色斑點，2件樣品出現(xiàn)氣泡。

表3 鍍銀層結(jié)合力Tab.3 The adhesion of the silver plating layer

從測試結(jié)果可以看出鍍銀層厚度越小，其表面呈現(xiàn)均勻泛黃，如12μm時，5件試樣均無出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象，但在50μm時，已經(jīng)有3件試樣表面局部發(fā)黑嚴重且出現(xiàn)黑色斑點，2件樣品出現(xiàn)氣泡。實際上鍍銀層表面狀況反映了其內(nèi)部的組織狀況，鍍銀層比較薄時鍍層內(nèi)部所包含的缺陷位置較少，在受到熱應力時其組織仍舊保持著良好的狀況，鍍銀層比較厚時鍍層內(nèi)部所包含的缺陷位置較多，在受到熱應力時其組織很容易從局部位置發(fā)生破壞。因此在設計階段如果能夠滿足摩擦磨損性能的前提下盡量減薄鍍層厚度。

2.4 鍍銀層導電率

仍采用以上述試驗中獲得的樣品進行鍍銀層導電性能測試，測試前對試樣不進行任何處理，結(jié)果如表4所示。隨著鍍銀層厚度增加試樣表面粗糙度數(shù)值增加，試樣導電率逐漸變差。如設計鍍銀層厚度為12μm，鍍銀層厚度平均值為12.06μm，其粗糙度平均值為1.68μm，其5件試樣導電率實際測試結(jié)果依次為95.6 IACS、93.7 IACS、93.7 IACS、94.6 IACS與95.8 IACS，其導電率均值為94.7 IACS。設計鍍銀層厚度為18μm時，鍍銀層實際粗糙度均值增加至1.73μm，其導電率均值有所下降，約為94.7 IACS。隨設計鍍銀層厚度繼續(xù)增加，為30μm與50μm時，鍍銀層實際粗糙度均值依次增加至2.16μm與2.46μm，其導電率均值下降比較明顯，分別為91.7 IACS與89.3 IACS。

表4 導電率測試值（相對于IACS）Tab.4 The conductivity test values（relative to IACS）

盡管測試方式相同，同是鍍銀層，其導電性能卻存在明顯的差別，其鍍銀層最大的區(qū)別在于厚度與粗糙度不同，粗糙度不同試樣鍍銀層與測試設備實際接觸面積不同，最終均反映在導電率上。設計鍍銀層厚度12μm時，鍍銀層粗糙度均值為1.68μm，鍍銀層與設備接觸面積比較大，測試結(jié)果導電率比較大，鍍銀層實際導電率均值94.7 IACS。隨著鍍銀層厚度增加，鍍銀層粗糙度數(shù)值變大，鍍銀層與設備接觸面積比較小，鍍銀層實際導電率數(shù)值變小，導電能力變差。另外值得注意的是受鍍銀層厚度的影響，鍍銀層較薄時其內(nèi)部缺陷是比較少的，因此其鍍層保持著較好狀況，氣泡起皮較少，導電性能優(yōu)良。相反，如果鍍銀層較厚可能會影響到其導電性能［7-9］。

2.5 鍍銀層溫升

鍍銀層溫升試驗結(jié)果如表5所示，隨著設計厚度增加，鍍銀層粗糙度增加，導電率逐步下降的同時，其溫升數(shù)據(jù)逐漸增加。當鍍銀層厚度設計為12μm時，鍍銀層實際粗糙度均值為1.68μm，鍍銀層實際導電率均值94.7 IACS，溫升數(shù)據(jù)為65 K±0.21 K。當鍍銀層設計厚度為18μm、30μm與50μm時，其 溫 升數(shù) 據(jù) 分別 為65 K±0.41 K、66 K±0.40 K與67 K±0.47 K。

表5 鍍銀層溫升Tab.5 The temperature rise of the silver plating layer

溫升數(shù)據(jù)較高與導電率有著密切的關(guān)系，設計厚度小，獲得的鍍銀層粗糙度小，導電率高，在同樣的加緊力矩情況下，其接觸狀況較好，零部件通流能力比較強，所以其溫升比較低。從試驗數(shù)據(jù)看，設計厚度12μm與18μm，均可以滿足使用要求。

3 結(jié)論

本文以紫銅為基體材料，制備了12μm、18μm、30μm與50μm的鍍銀層，并測試了鍍層的厚度、粗糙度、結(jié)合力與導電性能，獲得試驗結(jié)果如下：

（1）鍍銀層厚度越大，其表面的粗糙度數(shù)值越大，鍍銀層厚度越小，其表面的粗糙度數(shù)值越小，鍍銀層厚度約為12～18μm時，其粗糙度數(shù)值為1.68～1.73μm，電導率為94.7 IACS～93.8 IACS，溫升65 K±0.21 K～65 K±0.41 K，滿足設計要求；

（2）鍍銀層厚度約為30～50μm時，其粗糙度數(shù)值為2.16～2.46μm，電導率為91.7 IACS～89.3 IACS，溫升66 K±0.40 K～67 K±0.47 K，超過設計要求。

基于以上研究結(jié)果，對于用于導電作用的紫銅鍍銀設計，應當考慮鍍層厚度、粗糙度與導電性能的關(guān)系，適當降低鍍層厚度，從而保證導電性能。