電鍍制備電接觸材料的研究進展

李遠會， 郭忠誠， 萬明攀， 黃碧芳， 張曉燕

（1.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明650039；2.貴州大學 材料與冶金學院，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、合金內氧化法、預氧化合金粉末法［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品質量［2-3］。電鍍具有低溫操作、成本低、鍍層質量好、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于純銀鍍層的，節約用銀20%～50%，取得良好的經濟效益［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注，其應用必將受到限制。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-稀土復合鍍層具有優異的耐磨性、自潤滑性、耐蝕性、抗氧化性及抗電弧性等性能，被廣泛應用于銅體電接觸部位表面。Gay P A 等［14］研制了銅基Ag-ZrO2復合鍍層。當ZrO2的質量分數達到8%時，觸頭的耐磨性和耐蝕性最好。Al2O3-C／Ag-Sn-Sb復合鍍層具有硬度高、耐蝕性好、導熱性強等優點［15］。電沉積Ag-CdO 復合鍍層時，CdO 微粒分布均勻，斷開時間、燃弧時間和燃弧能量均小于內氧化法的［16］。Ag-SnO2／Cu 復合鍍層具有較低的硬度及優異的電性能［17］。電沉積Ag-SiC／Cu在弱電接觸元件行業得到了實際應用，產品的使用壽命提高了3～5倍［18］。Ag-La2O3復合鍍層具有硬度高、接觸電阻小、抗熔焊性和抗電蝕能力強等優點［19-20］。與鍍銀層相比，Ag-Ce復合鍍層的孔隙率和接觸電阻更低［21］。

Ag-C復合鍍層具有良好的自潤滑功能，其耐磨性、接觸電阻比常規鍍銀層的還小，可用于高／中壓開關的滑動電接觸場合［22］。碳納米管、碳納米纖維作為增強相物質，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］。當銀基復合鍍層中微粒的體積分數為0.5%～13.0%時，鍍層的摩擦因數為0.17～0.51，硬度為7 100～10 400 MPa。碳纖維、MoS2微粒的導電性對鍍層的導電性影響不大，但對鍍層的接觸電阻影響較大。靜態接觸時，它們的接觸電阻差別不大。動態接觸時，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

銅的性質與銀的接近，但價格便宜。無銀環保型銅基電接觸材料已成各國電接觸領域研究的重點［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合金鍍層磨損的數學模型。潤滑劑可以使Cu-Sn 合金鍍層的接觸電阻保持較低水平［32］。納米微粒具有優異的理化性質，將其引入電接觸復合鍍層中，不僅可以節約貴金屬材料，還可以提高電接觸性能。

電鍍聯合化學鍍、粉末冶金工藝制備的短碳纖維無序增強銅基復合材料，仍然具有良好的導熱、導電性能，并且使復合材料的硬度、耐磨性、動態接觸性和強度顯著提高［33］。朱建華等［34］電鑄制備了Cu-SiCp／Cu復合材料。隨著SiCp的質量分數的增大，復合鍍層的熱膨脹系數和導熱系數減小，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合電沉積的機制［35-38］。最近，本課題組從熱力學角度，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合材料，在不降低銅基材料電導率的前提下，最大限度地提高電接觸性能指標，使之產業化、規模化。

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