电镀制备电接触材料的研究进展

李远会， 郭忠诚， 万明攀， 黄碧芳， 张晓燕

（1.昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明650039；2.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳550003）

0 前言

目前，电接触材料主要分为银基和铜基两类。银基电接触材料的制备工艺主要有三种：粉末冶金法、合金内氧化法、预氧化合金粉末法［1］。铜基电接触材料的制备以粉末冶金及其衍生工艺为主。致密化、第二相均匀弥散、物相间浸润性、基体氧化、晶粒大小等因素往往影响产品质量［2-3］。电镀具有低温操作、成本低、镀层质量好、成品率高等特点。本文主要介绍了电镀法制备银基和铜基电接触材料的研究进展。

1 银基电接触材料

银基电接触材料存在硬度低、耐磨性差、寿命短、成本高等缺点。为了克服以上缺点，通常采用电镀法制备银基电接触材料。

Cohen U 等［4］制备的Ag-Pd合金镀层具有接触电阻低、耐硫性和耐磨性好等优点，但原料价格昂贵。Ag-Sb合金镀层的硬度为1 100～1 200 MPa，其耐磨性比纯银的高10～12倍［5］。Ag-Ni合金镀层除接触电阻比纯银镀层的稍高外，其他物理性能均达到或优于纯银镀层的，节约用银20%～50%，取得良好的经济效益［6］。Ag-Cd合金镀层存在金属间化合物AgCd，大大提高了镀层的硬度和耐磨性［7］，可代替纯银镀层。然而，“镉毒”已引起世界各国政府的高度关注，其应用必将受到限制。Ag-Cu合金镀层具有无脆性、耐硫性和耐磨性好、电阻率低等优点［8］。刘啸渊［9］研究了Ag-Sn合金镀层的电镀过程，但没有进行相关的电接触性能测试。脉冲电镀具有普通直流电镀无法比拟的优点，被用于制备Ag-Ni、Ag-Sn、Ag-Cd、Ag-Pd 合金电接触材料［10-13］。

银-稀土复合镀层具有优异的耐磨性、自润滑性、耐蚀性、抗氧化性及抗电弧性等性能，被广泛应用于铜体电接触部位表面。Gay P A 等［14］研制了铜基Ag-ZrO2复合镀层。当ZrO2的质量分数达到8%时，触头的耐磨性和耐蚀性最好。Al2O3-C／Ag-Sn-Sb复合镀层具有硬度高、耐蚀性好、导热性强等优点［15］。电沉积Ag-CdO 复合镀层时，CdO 微粒分布均匀，断开时间、燃弧时间和燃弧能量均小于内氧化法的［16］。Ag-SnO2／Cu 复合镀层具有较低的硬度及优异的电性能［17］。电沉积Ag-SiC／Cu在弱电接触元件行业得到了实际应用，产品的使用寿命提高了3～5倍［18］。Ag-La2O3复合镀层具有硬度高、接触电阻小、抗熔焊性和抗电蚀能力强等优点［19-20］。与镀银层相比，Ag-Ce复合镀层的孔隙率和接触电阻更低［21］。

Ag-C复合镀层具有良好的自润滑功能，其耐磨性、接触电阻比常规镀银层的还小，可用于高／中压开关的滑动电接触场合［22］。碳纳米管、碳纳米纤维作为增强相物质，可提高银基体的强度和耐磨性［23-25］。而纳米金刚石微粒作为增强相，在保持良好导电性能的同时，还大大增加铜体镀层的耐磨性和耐热性［26］。当银基复合镀层中微粒的体积分数为0.5%～13.0%时，镀层的摩擦因数为0.17～0.51，硬度为7 100～10 400 MPa。碳纤维、MoS2微粒的导电性对镀层的导电性影响不大，但对镀层的接触电阻影响较大。静态接触时，它们的接触电阻差别不大。动态接触时，前者的电接触电阻比后者的小得多，与普通镀银层的相近［27-28］。

2 铜基电接触材料

铜的性质与银的接近，但价格便宜。无银环保型铜基电接触材料已成各国电接触领域研究的重点［29］。Cu-Sn合金镀层是铜基电接触材料主要的研究对象之一。Cu-Sn合金镀层的接触电阻除在磨损初期有所增加外，基本维持在10 mΩ［30］。Tristani L等［31］建立了Cu-Sn合金镀层磨损的数学模型。润滑剂可以使Cu-Sn 合金镀层的接触电阻保持较低水平［32］。纳米微粒具有优异的理化性质，将其引入电接触复合镀层中，不仅可以节约贵金属材料，还可以提高电接触性能。

电镀联合化学镀、粉末冶金工艺制备的短碳纤维无序增强铜基复合材料，仍然具有良好的导热、导电性能，并且使复合材料的硬度、耐磨性、动态接触性和强度显著提高［33］。朱建华等［34］电铸制备了Cu-SiCp／Cu复合材料。随着SiCp的质量分数的增大，复合镀层的热膨胀系数和导热系数减小，抗弯强度和硬度提高。目前，Cu-W 假合金是主要的铜基电接触材料之一，但无法从相应的离子水溶液中电镀析出。本课题组向镀铜液中加入W 微粒，电沉积Cu-W 镀层／铜体，并研究了电沉积工艺及复合电沉积的机制［35-38］。最近，本课题组从热力学角度，分析了电镀Cu-W-Ni、Cu-W-Co、Cu-Mo-Ni、Cu-Mo-Co镀层／铜体的可行性，在氟硼酸盐、焦磷酸盐、氨基磺酸盐、柠檬酸盐、酒石酸盐、有机胺等体系中电镀铜合金电接触材料，已取得了一些成效。

3 结论

镀银液中往往含有氰化物，并且银资源稀缺、昂贵。采用电镀法制备铜基电接触复合材料，在不降低铜基材料电导率的前提下，最大限度地提高电接触性能指标，使之产业化、规模化。

［1］马战红，陈敬超，周晓龙，等.银基电触头产品的发展状况［J］.昆明理工大学学报：理工版，2002，27（2）：17-23.

［2］刘兵发，谭敦强，周浪.纳米钨-铜复合材料制备工艺的研究［J］.材料导报，2005，19（11）：180-183.

［3］李远会，张晓燕，李广宇，等.电沉积铜-钨复合镀层的表面形貌和性能研究［J］.电镀与涂饰，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.电镀合金原理与工艺［M］.北京：国防工业出版社，1993：386.

［6］安茂忠，张菊香，刘建一.电镀Ag-Cd合金工艺研究［J］.材料保护，2003，36（5）：27-30.

［7］刘建平.电镀银镍合金工艺及其在电接触材料生产中的应用［J］.电镀与涂饰，2007，26（3）：14-16.

［8］沈品华.现代电镀手册［M］.北京：机械工业出版社，2010：163.

［9］刘啸渊.从焦磷酸盐溶液中电沉积银锡合金［J］.电子工艺技术，1987（1）：30-34.

［10］王丽丽.Sn-Ag合金电镀［J］.电镀与精饰，1999，21（4）：42-46.

［11］安茂忠，张鹏，刘建一.碘化物镀液脉冲电镀Ag-Ni合金工艺［J］.电镀与环保，2003，23（2）：15-18.

［12］向国朴，王萍.脉冲电镀Ag-Sb合金的研究［J］.电镀与精饰，1998，20（1）：4-8.

［13］DONG S J，FUKUMOTO Y，HAYASHI T.脉冲电镀银钯合金［J］.材料保护，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］曾领才，文伟，李德.纳米粉体复合镀银合金在高压开关电接触部位上的应用［J］.电镀与涂饰，2009，28（5）：20-22.

［16］郑天丕.电镀银氧化镉触点［J］.机电元件，1995，15（1）：44-46.

［17］刘建平，曾海秀.复合电沉积技术制备Ag-SnO2／Cu电接触元件［J］.电镀与涂饰，2011，30（4）：41-43.

［18］于朝清，郑昂，向艳，等.纳米电镀技术的研究［J］.机电元件，2003，23（4）：37-40.

［19］邓柏生，唐振刚.一种新型的电接触点材料——铜基银-氧化镧复合电接触点［J］.机电元件，1990，10（4）：26-27.

［20］郭鹤桐，唐致远，王兆勇，等.银-氧化镧复合电接触材料的研究［J］.电子工艺技术，1985（8）：5-10.

［21］钱达人，李景红.新型电接触材料——银基复合材料研究［J］.电镀与涂饰，1993，12（3）：13-17.

［22］于锦，李英伟.无氰电镀Ag-C 合金［J］.材料保护，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］凤仪，王文芳，王成福.电流密度对碳纤维／铜／石墨复合材料摩擦因数的影响［J］.机械工程材料，2000，24（5）：40-41.

［25］颜士钦，许少凡，凤仪，等.碳纤维／金属基复合材料的制造及其在电接触材料中的应用［J］.材料科学与工程，1998，16（1）：72-74.

［26］蒋斌，徐滨士，董世运，等.纳米复合镀层的研究现状［J］.材料保护，2002，35（6）：1-4.

［27］郭忠诚，朱晓云，杨显万.电沉积法制备多功能复合材料研究动态与发展趋势［J］.中国工程科学，2004，6（4）：88-94.

［28］张正周，郭薪，黎斌.滑动电接触设计现状与发展动态［J］.高压电器，2012，48（5）：121-123.

［29］陈乐生，申乾宏，贺庆，等.从“第26届国际电接触会议暨第4届电工产品可靠性与电接触国际会议”看环保型电接触材料的研究动态［J］.电工材料，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，李晓龙，夏龙，等.短碳纤维增强铜基复合材料的制备及其性能的研究［J］.兰州大学学报，2004，40（4）：28-31.

［34］朱建华，刘磊，胡国华，等.复合电铸制备Cu-SiCP／Cu复合材料［J］.中国有色金属学报，2004，12（1）：84-87.

［35］洪逸，张晓燕，李广宇，等.Cu-W 复合电沉积工艺研究［J］.表面技术，2008，37（5）：64-65.

［36］李远会，张晓燕，李广宇，等.复合电沉积铜-钨合金工艺及其机理的研究［J］.电镀与环保，2010，30（1）：19-22.

［37］李广宇，张晓燕，闫超杰，等.铜-钨复合镀层电沉积工艺及其性能［J］.电镀与涂饰，2009，28（5）：17-19.

［38］李广宇，张晓燕，李远会，等.Cu-W 复合电沉积工艺和镀层电弧侵蚀性能研究［J］.表面技术，2009，38（1）：66-68.