滕瑩雪*，郭菁

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

隨著真空斷路器向高電壓、大容量、小型化、高可靠性及低過電壓方向的發(fā)展，對觸頭材料的綜合性能要求越來越高。Cu-Cr 合金因具有優(yōu)良的綜合性能，是取代Cu-Bi 合金作中、大功率真空開關的首選觸頭 材料[1-2]。銅、鉻兩種金屬的密度、熔點差異較大，固溶度(固溶體的溶解度)很小。采用常規(guī)熔鑄方法常導致Cu、Cr 兩相分離，難以獲得Cu-Cr 兩相復合的組織[3-5]。

目前制備Cu-Cr 合金的常用方法有混合熔鑄法、混粉燒結法、等離子體噴涂法、電弧熔煉法等[6-11]。經過幾十年的發(fā)展，Cu-Cr 合金的研制已達到一定的水平，并形成一系列產品。但以上都是利用物理等非化學方法制備Cu-Cr 合金，需要消耗大量能源。因此，開發(fā)一種污染小且合金性能良好的制備工藝是目前急需解決的問題。采用電鍍法制備合金可減少偏析，提高合金的導電能力。采用電鍍法制備銅鉻合金是銅鉻合金生產的新選擇，至今尚未見文獻報道。本文采用不同配位體系的三價鉻鍍液制備Cu-Cr 合金，力圖尋找一個優(yōu)良的電沉積銅鉻合金工藝，為制備銅鉻合金提供新方法。

1 實驗

1.1 基體及前處理

以5 cm × 2 cm 的鎳片為陰極，石墨為陽極，陰、陽極面積比為1∶4。電鍍前需對鎳片進行預處理，具體為：打磨(400#砂紙)─除油(無水乙醇)─堿洗[w(NaOH)= 10%]─去離子水洗─打磨(1000#、2000#砂紙)─酸洗[w(H2SO4)= 5%]─去離子水洗─吹干備用。

1.2 電鍍

為得到較好的Cu-Cr 合金工藝，分別采用氨基乙酸、抗壞血酸、硫脲和檸檬酸三鈉4 種配位體系鍍液電沉積制備Cu-Cr 合金，工藝條件均為：溫度25 °C，電流密度10 A/dm2，pH = 3，時間10 min。鍍液組成見表1。

1.3 性能測試

1.3.1 電化學分析

循環(huán)伏安曲線和線性伏安掃描均在660 型電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上進行。采用三電極體系，對電極為Pt 絲，工作電極為Pt 盤微電極(直徑60 μm)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。Pt 絲先用5%(體積分數)的稀硝酸浸泡5 s，再依次在丙酮、蒸餾水中超聲波清洗；工作電極先用1#～6#的金相砂紙打磨，再依次在丙酮、蒸餾水中超聲波清洗5 min；飽和甘汞電極通過鹽橋與電解液相連。實驗前電解液先通氮氣15 min 除氧；循環(huán)伏安曲線和線性伏安掃描曲線的掃描速率分別為20 mV/s 和1 mV/s。

表1 鍍液組成及工藝參數Table 1 Plating bath composition and process parameters

1.3.2 成分和結構分析

采用X’Pert Pro MRD 型X 射線自動衍射儀(荷蘭帕納科公司)分析鍍層的相組成和結構。采用Venus200型X 射線熒光光譜分析儀(荷蘭帕納科公司)測定鍍層的化學成分。

1.3.3 厚度測量

采用OLYMPUS GX51金相顯微鏡(北京中儀光科科技發(fā)展有限公司)測定鍍層厚度。

1.3.4 結合力測試

參考ASTM B571-84 Standard Test Methods for Adhesion of Metallic Coatings，采用鋒銳的刀尖在試樣表面劃多條平行線或矩形網格，并運用足夠的力量使刀尖劃到基體，根據平行線或網格間是否有鍍層脫落或開裂來判定鍍層結合力的好壞。

1.3.5 顯微硬度測定

按GB/T 4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》，用HV-5 型小負荷維氏硬度計(濟南方圓試驗儀器有限公司)測定顯微硬度，載荷為5 g，加載時間為10 s，分別在試樣表面中心和4 個邊部測定，取平均值。

1.3.6 電導率測定

電導率測定采用FQR7501 型渦流電導率儀(西安唯信檢測設備有限公司)，分別對試樣中心和4 個邊部進行測定，取平均值。要求試樣表面光潔無氧化物且測試面要平整，測試材料的導電率(%)按國際退火銅標準計算，具體公式為：

式中，σ 為被測試樣的電導率(Ω·mm2/m)，σCu為密度8.89 g/cm3、長1 m、重1 g、電阻為0.153 28 Ω 的退火銅線電導率，在20 °C 時，取值為1.72 × 10-2Ω·mm2/m。

2 結果與討論

2.1 不同配位體系鍍液的電化學行為

2.1.1 循環(huán)伏安曲線

圖1為不同配位體系Cu-Cr鍍液的循環(huán)伏安曲線。

圖1 不同配位體系鍍液的循環(huán)伏安曲線Figure 1 Cyclic voltammograms for plating baths with different complexing agents

氨基乙酸配位體系鍍液的循環(huán)伏安曲線(圖1a)中，在-0.28 V 和-0.52 V 電位附近各有一個凸起的還原峰，說明這2 個電位附近陰極表面有新物質生成，即有金屬的沉積；隨循環(huán)次數增加，相同電壓下的電流增大，這就說明電極板表面不斷有金屬沉積；同時，隨循環(huán)次數增加，銅的還原峰不斷負移，銅和鉻的還原峰將重合在一起，在電位為-0.7 V 時Cu-Cr 發(fā)生共沉積。圖1b中，曲線在-0.31 V 和-0.37 V 附近也有2 個還原峰，且較接近，即抗壞血酸配位體系電鍍液沉積Cu-Cr 合金效果也較好。從圖1c和圖1d可知，硫脲和檸檬酸三鈉配位體系鍍液的循環(huán)伏安曲線上雖然有峰但不明顯。根據循環(huán)伏安曲線可推測，氨基乙酸或抗壞血酸體系的電鍍效果好于硫脲或檸檬酸三鈉體系。

2.1.2 線性掃描曲線

圖2為不同配位體系鍍液的線性掃描曲線。

圖2 不同配位體系鍍液的線性掃描曲線Figure 2 Linear scanning voltammograms for plating baths with different complexing agents

從圖2可知，氨基乙酸、抗壞血酸、檸檬酸三鈉和硫脲體系電鍍液的析氫電勢分別為-0.47、-0.55、-0.41 和-0.74 V，說明氨基乙酸的抑氫作用僅次于檸檬酸三鈉；氨基乙酸體系鍍液的還原峰較大，曲線向橫坐標傾斜但不平行于橫坐標，具有較大的陰極極化度，這有利于鍍層質量的提高。綜合循環(huán)伏安曲線和線性掃描曲線結果可知，氨基乙酸配位體系電鍍液比較適用于電鍍銅鉻合金。

2.2 Cu-Cr 合金鍍層性能

2.2.1 成分

表2為采用不同配位體系電鍍所得合金鍍層中Cu、Cr 的質量分數。從表2可知，氨基乙酸體系電鍍所得Cu-Cr 合金中的Cr 含量達18.63%，如此高的Cr含量是一般的熔煉技術所無法達到的，可見氨基乙酸體系電鍍液很適合用于制備Cu-Cr 合金。因此，后續(xù)選用氨基乙酸體系鍍液制備Cu-Cr 合金。

表2 不同配位體系鍍液所得Cu-Cr 合金鍍層的組成Table 2 Composition of Cu-Cr alloy coatings prepared from plating baths with different complexing agents

2.2.2 XRD 譜圖

圖3為從氨基乙酸體系鍍液中所得Cu-Cr 合金的XRD 譜圖。從圖3可知，2θ 為44.371°、43.316°處分別出現明顯的Cr 特征峰和Cu 的特征峰，且?guī)缀鯖]有雜質峰，說明該鍍層以Cr 和Cu 為主，純度很高，幾乎不含其他雜質元素。由此可說明，該方法制備的Cu-Cr 合金除Cr 含量較高外，還具有高純的特點。另外，從外觀上看，該鍍層呈光亮的金黃色，表面平整，測得厚度為25 μm。

圖3 Cu-Cr 合金鍍層的XRD 譜圖Figure 3 XRD pattern for Cu-Cr alloy coating

2.2.3 其他性能

網格試驗表明，從氨基乙酸體系鍍液中所得Cu-Cr 合金鍍層無剝離或脫落，結合力合格。Cu-Cr合金鍍層和基體鎳板的顯微硬度和導電性見表3。

表3 Cu-Cr 合金鍍層的顯微硬度和導電性Table 3 Microhardness and conductivity of Cu-Cr alloy coating

從表3可知，Cu-Cr 合金鍍層的顯微硬度與基體相近，兩者的匹配性較好。一般要求觸頭的導電率在42%以上，本實驗制備的Cu-Cr 合金鍍層的電阻率為2.52 × 102Ω·mm2/m，導電率為68.2%，已基本滿足觸頭材料要求。

3 結論

(1) 4 種配位體系電鍍液中，氨基乙酸體系最適用于制備Cu-Cr 合金。采用氨基乙酸電鍍液制得的Cu-Cr 合金中的Cr 含量最高，達18.63%，且鍍層純度高，除主元素Cu、Cr 外，幾乎不含其他雜質元素。

(2) 采用氨基乙酸體系電鍍液制得的Cu-Cr 合金表面平整，呈光亮的金黃色，結合力好，顯微硬度與基體相近，導電率達68.2%，導電性基本滿足觸頭材料要求。

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