無氰電刷鍍銀鍍層性能研究

索 帥，李 文，杜寶帥，張忠文，，李新梅，步衍江，張魯寧

（1.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250002；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

電力系統中，為保證良好的導電性和導熱性常采用銅及其合金來制造高壓開關觸頭，而為防止氧化，減小接觸電阻，其表面常采用鍍銀工藝［1］。在觸頭工作過程中由于摩擦、燒蝕等情況，容易造成觸頭鍍銀層質量下降甚至脫落失效，針對這種情況，常采用更換或者采用含氰電刷鍍銀工藝進行修復［2］。對于拆解困難的設備，采用更換的方式不但需要較大的人力財力，且效率低下，同時還造成了大量不必要的浪費。對于含氰電刷鍍銀，其工藝簡單便于操作，且鍍銀層性能良好，但是因氰化物含有劇毒，不利于環境以及人體健康，為此國內外相關機構對無氰鍍銀進行了廣泛而深入的研究，然而制備出的鍍銀層性能仍不能滿足觸頭的使用要求。為制備出滿足要求的鍍銀層，需研發更加合適的無氰鍍銀液配方，而丁二酰亞胺［3］以及亞氨基二磺酸銨［4］對銀有良好的絡合能力，因此本文分別以丁二酰亞胺和亞氨基二磺酸銨為主配位劑，配制了兩種無氰鍍銀液，通過電刷鍍工藝在紫銅基體表面制備出了鍍銀層，并對其外觀、厚度、硬度、摩擦磨損性能和微觀形貌等方面進行了測試和分析，為后續的無氰電刷鍍銀液研發提供實驗數據。

1 實驗

1.1 試樣制備

試樣基體為20 mm×80 mm×4 mm紫銅，刷鍍前采用400目砂紙及砂光機對試樣進行打磨，并沖洗干凈，打磨后試樣表面粗糙度不超過Ra6.3μm。采用MeteSage導電板智能修復儀進行電刷鍍銀，兩種體系采用相同刷鍍工藝，刷鍍溫度為25℃，刷鍍速度約為12 m/min［5］，其流程及參數如圖1所示。

圖1 刷鍍工藝流程及參數Fig.1 Process flow and parameters of brush plating

亞氨基二磺酸銨體系鍍液組成為：硝酸銀35～50 g/L，亞氨基二磺酸銨80～100 g/L，乙酸銨15～28 g/L，檸檬酸三銨5～10 g/L，連二亞硫酸鈉8～10 g/L。

丁二酰亞胺體系鍍液組成為：2，2’-聯吡啶0.5～1.5 g/L，硝酸銀40～60 g/L，丁二酰亞胺110～150 g/L，5，5-二甲基乙內酰脲20～30 g/L，焦磷酸鉀40～60 g/L，乙酸銨10～28 g/L，無水碳酸鉀5～20 g/L，，氫氧化鉀70～90 g/L。

1.2 實驗方法

采用布魯克手持式X射線熒光合金分析儀測量鍍銀層的厚度。采用Q30M自動數顯顯微維氏硬度計測試鍍銀層硬度。采用MDW-02高速往復摩擦磨損試驗儀對鍍銀層進行摩擦磨損實驗，試驗力為5 N，總行程120 m，方式為干摩擦，溫度為室溫。采用ZEISSSUPRA55掃描電鏡對鍍銀層微觀形貌進行觀察，并對部分微區采用能譜儀進行成分分析。

2 結果與討論

2.1 鍍銀層形貌

圖2 為通過電刷鍍工藝制備的鍍銀層宏觀形貌，由圖2可知兩種無氰鍍銀體系下鍍層外觀均呈亮白色，且無起皮脫落等現象。

圖2 電刷鍍銀層宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of brush silver plating layers

圖3 為鍍銀層微觀形貌，可以發現兩種體系電刷鍍銀層都由細小的顆粒堆積而成。其中丁二酰亞胺體系鍍銀層表面平整，顆粒呈胞狀并且排列致密，平均粒度約為6.7μm，存在個別較大顆粒凸起以及少數孔隙。亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層表面略有起伏，顆粒呈凸起的花椰菜狀形貌［6］，花椰菜顆粒之間有明顯的縫隙，而其內部又由更加細小且結合致密的顆粒堆積而成，花椰菜狀顆粒粒度約為18.0μm，內部細小的顆粒粒度約3.6μm。通過比較兩種體系鍍層微觀形貌可知，丁二酰亞胺鍍銀層表面更加平整，顆粒排列更加致密。

圖3 電刷鍍銀層微觀形貌Fig.3 Microstructure of brush silver plating layers

2.2 鍍銀層厚度

所測得兩種體系鍍銀層厚度均值如表1所示，其中丁二酰亞胺體系鍍銀層厚度均值為28.24μm，亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層厚度均值為21.14μm，滿足標準Q/GDW 11718.1-2017中鍍銀層厚度需不小于20μm的要求。

表1 電刷鍍銀層厚度Tab.1 Thickness of brush silver plating layer

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1摩擦系數

圖4 為兩種體系鍍銀層摩擦系數曲線，可以看出在5 N的試驗力下，丁二酰亞胺體系摩擦系數較亞氨基二磺酸銨體系摩擦系數更加平穩，且具有更小的摩擦系數，其中丁二酰亞胺體系電刷鍍銀層摩擦系數穩定維持在1～2之間，亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層摩擦系數維持在1～3.5之間。

圖4 電刷鍍銀層摩擦系數Fig.4 Friction coefficient of brush silver plating layers

2.3.2硬度及磨損速率

圖5 為鍍銀層顯微硬度分布，從圖5中可以看出丁二酰亞胺體系鍍銀層硬度分布較為均勻，在128～141 HV之間，亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層硬度分布起伏較大，在114～144 HV之間。

圖5 電刷鍍銀層顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of brush silver plating layers

圖6 為電刷鍍銀層硬度均值與磨損速率。圖6中丁二酰亞胺體系鍍銀層硬度均值約為135.4 HV，亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層硬度均值略低，約為130.3 HV，均滿足標準Q/GDW 11718.1-2017中對鍍銀層硬度的要求。經過摩擦磨損試驗后，通過總行程及損失重量得出磨損速率分別為0.1375 mg/m和0.1858 mg/m［7］。可以看出丁二酰亞胺體系鍍銀層硬度較高，磨損速率相對較低，耐磨損性能較好。

圖6 電刷鍍銀層硬度均值與磨損速率Fig.6 Average hardness and wear rate of brush silver plating layers

2.3.3摩擦磨損表面微觀形貌及能譜分析

圖7 和圖8分別為丁二酰亞胺體系和亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層摩擦磨損后表面微觀形貌照片。由圖7可以看出，丁二酰亞胺體系鍍銀層磨損表面較為光滑平整，存在犁溝、碎屑以及片狀物撕裂的痕跡，推斷其磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損，結合圖9所示A區域能譜分析結果，除Ag元素外，還含有Cu、C元素，Cu元素的存在說明該區域鍍層發生磨穿等情況［8-10］，C元素推測為鍍層表面殘留鍍液中碳酸鹽所含的C元素。由圖8可以看出，亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層磨損表面同樣存在犁溝、碎屑，此外還存在面積較大的剝落以及凹坑，推斷其磨損機制同樣為磨粒磨損以及黏著磨損，且磨損情況較丁二酰亞胺要嚴重一些，對圖中B區域進行能譜分析，結果如圖9所示，該區域除Ag元素外還含有Al元素，推測為該試樣中的合金元素發生了轉移。

圖7 丁二酰亞胺體系鍍銀層摩擦磨損表面Fig.7 Friction and wear surface of silver plating layer in succinimide system

圖8 亞氨基二磺酸銨體系鍍銀層摩擦磨損表面Fig.8 Friction and wear surface of silver plating layer in ammonium iminodisulfonate system

圖9 電刷鍍銀層磨損后表面EDS分析結果Fig.9 EDSanalysis results of worn silver brush plating layers

3 結論

（1）配制了兩種體系無氰鍍銀液，通過電刷鍍工藝成功在紫銅基體表面制備出了外觀光亮平整的鍍銀層，其厚度、硬度均滿足Q/GDW 11718.1-2017中的要求，磨損機制均為黏著磨損及磨粒磨損。

（2）丁二酰亞胺體系鍍液制備出的鍍銀層性能要優于亞氨基二磺酸銨體系，其微觀表面更加平整，顆粒排列更加致密，厚度均值達28.24μm，硬度均值達135.4 HV，磨損速率為0.1375 mg/m。