铝合金无氰电刷镀铜/银及其性能

索帅，杜宝帅，李文，王广川，步衍江，张鲁宁，邹勇，杨东旭，刘爽

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002；2.山东大学，山东 济南 250100）

为防止电力设备金属导电部件表面氧化，并减小接触电阻，通常会对金属导电部件表面镀银，在铝合金基体表面镀银之前还会镀一层铜过渡。但电力设备在运行一段时间后，表面镀层会因磨损或氧化而导致接触电阻升高，造成运行过程中导电板因发热而需要紧急停运检修，若发现不及时，甚至会因供电设备损坏而发生事故[1-4]。针对镀银层损坏问题，常采用更换零部件的方式解决，这会造成不必要的浪费，并且对于不易拆解的设备，其操作复杂、效率较低。电刷镀具有操作简便的优点，可用于多种形状零件表面镀层的修复。但电镀银一般采用氰化物体系镀液，污染环境和危害人体健康。为了实现导电镀层原位环保修复，本工艺结合电力设备现场的运行情况，先采用无氰镀液在铝合金基体表面电刷镀Cu，再电刷镀Ag，分析了Cu和Ag镀层的外观、微观形貌、厚度、硬度、电导率、结合力等性能，为后续的铝合金基体无氰电刷镀Cu/Ag工艺研发提供基础数据。

1 实验

1.1 基体及其前处理

基体采用25 mm × 70 mm × 5 mm的5083铝合金，刷镀前采用400目砂纸及砂光机打磨至表面粗糙度Ra≤ 6.3 μm，并洗净。

1.2 电刷镀Cu/Ag工艺

采用MeteSage导电板智能修复仪电刷镀Cu，然后在Cu过渡层表面电刷镀Ag。工艺流程为：电净→清水冲洗→活化→清水冲洗→电刷镀Cu→清水冲洗→活化→清水冲洗→电刷镀Ag→清水冲洗→干燥。

采用乙二胺体系电刷镀 Cu，镀液组成为：CuSO4·5H2O 35 ～ 50 g/L，乙二胺 80 ～ 100 g/L，pH 12 ～ 13。

采用碱性无氰体系电刷镀Ag，镀液组成为：AgNO340 ～ 60 g/L，有机配位剂80 ～ 120 g/L，5,5-二甲基乙内酰脲 10 ～ 30 g/L，K4P2O7·3H2O 30 ～ 60 g/L，CH3COONH420 ～ 30 g/L，K2CO35 ～ 20 g/L，2,2′-联吡啶 1 ～ 2 g/L，KOH 50 ～ 90 g/L，pH 9 ～ 10。

电刷镀Cu和Ag的工艺条件为：镀笔移动速率6 ～ 14 m/min，温度20 ～ 25 °C，时间300 s，电刷镀Cu电压10 ～ 15 V，电刷镀Ag电压1.5 ～ 3.5 V。

1.3 性能检测

采用Olympus GX41型金相显微镜观察镀层的截面形貌，并测量镀层厚度。采用Zeiss SUPRA55扫描电镜观察镀层的微观形貌。采用Q30M自动数显显微维氏硬度计测量Cu镀层和Ag镀层的显微硬度，载荷为25 g，加载时间为15 s，每种试样取10个不同测量点的平均值。采用Sigmascope SMP10型电导率测试仪检测基体和镀层的电导率，探头使用频率为60 kHz，每种试样测3个不同位置，每个位置测3次，取均值。按照 GB/T 5270-2005《金属基体上的金属覆盖层 电沉积和化学沉积层 附着强度试验方法评述》，采用划线法检测Cu/Ag镀层的结合力，划线间隔2 mm。

2 结果与讨论

2.1 Cu/Ag镀层的外观

从图 1可知，Cu镀层呈紫铜色，光亮，表面有颗粒触感，无起皮、脱落现象。Cu/Ag镀层为乳白色，表面光滑平整，无起皮、脱落现象。

图1 Cu镀层(a)和Cu/Ag镀层(b)的外观Figure 1 Appearance of Cu coating (a) and Cu/Ag coating (b)

2.2 Cu/Ag镀层的表面微观形貌

由图2可以看出，Cu镀层表面由1 ～ 2 μm大小的团簇状结构组成，团簇由细小的铜颗粒堆积而成，团簇之间有明显的孔隙，整体较疏松。Cu/Ag镀层表面由花椰菜状的团聚体组成，团聚体由细小的半球状晶粒聚集而成，晶粒尺寸在2 ～ 5 μm之间。

图2 Cu镀层(a)和Cu/Ag镀层的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of Cu coating (a) and Cu/Ag coating (b)

2.3 Cu/Ag镀层的厚度

由图3可知，电刷镀所得Cu/Ag镀层中Cu层厚度在40 μm左右，Ag镀层厚度约50 μm，满足Q/GDW 11718.1-2017《电网设备金属质量检测导则 第 1部分：导体镀银部分》中 Ag镀层厚度不低于 20 μm的要求。此外，Cu层与铝合金基体之间及Ag层与Cu层之间均紧密结合。

图3 铝合金表面电刷镀Cu/Ag的金相截面形貌Figure 3 Metallograph of Cu/Ag coating obtained by electro-brush plating on aluminum alloy substrate

2.4 Cu/Ag镀层的显微硬度

由图4可知，Cu镀层的显微硬度波动较大，在122.3 ～ 171.8 HV之间，平均显微硬度为148.4 HV。在Cu镀层表面电刷镀Ag后，所得Cu/Ag镀层的显微硬度降低，波动范围较小，在93.5 ～ 128.6 HV范围内，平均显微硬度为112.4 HV。

图4 Cu镀层和Cu/Ag镀层的显微硬度Figure 4 Microhardness of Cu coating and Cu/Ag coating

2.5 Cu/Ag镀层的电导率

由表1可知，铝合金基体的电导率与其电刷镀Cu/Ag后的电导率差别不大。

表1 铝合金电刷镀Cu/Ag前后的电导率Table 1 Conductivity of aluminum alloy before and after electro-brush plating with Cu and Ag (单位：MS/m)

2.6 Cu/Ag镀层的结合力

由图5可知，Cu/Ag镀层经划线试验后未出现剥落现象，说明其结合力合格。

图5 电刷镀Cu/Ag划线试验后的外观Figure 5 Appearance of Cu/Ag coating after scratch test

3 结论

在铝合金表面电刷镀得到 Cu/Ag镀层，其表面光滑平整，微观上由花椰菜状结构组成，Ag镀层与 Cu镀层之间及 Cu镀层与基体之间都紧密结合，结合力良好。其中 Ag镀层厚度约为 50 μm，显微硬度为112.4 HV，电导率为16.915 MS/m。