金刚石颗粒强化银基复合镀层①余火昆施智祥（东南大学材料科学与工程系，南京210096）在制备银基金刚石颗粒复合镀层的基础上，研宄了复合镀层的力学性能和电接触性能，以及电镀工艺对镀层结构的影响。结果表明，金刚石粉末能够提高银镀层的硬度，降低其电磨损率，从而提高电触头的寿命及耐大电流的能力。金刚石粒径越小、浓度越高（在一定的范围内）强化效果越好。影响复合镀层结构的因素有很多，各因素必须相互协调，才可得到与衬底结合牢固的、颗粒均匀分布的结晶致密的复合镀层。镀液中金刚石含量不很高时，其最优化工艺与常规镀银相仿，使用适量的分散剂并加以搅拌有利于金刚石粉末在镀层中的均匀分布。

　　复合镀层；电接触材料，金刚石微粉；金刚石颗粒强化①江苏省自然科学基金资助项目1999一09 7作考简介余C1火工学硕士1复合镀层是把一种或多种固体微粒均匀分散于镀液中，用电镀或化学镀方法，使微粒与金属共沉积而得到的镀层。按其功能和用途，可分为耐磨减摩镀层、自润滑镀层、分散强化合金镀层、耐腐蚀镀层、特殊装饰镀层及其他功能性镀层。复合镀层具有制备工艺简单、成本低廉、产品多样、表面性能优越等特点，己引起人们的广泛关注~3.电接触材料是电力、自控、信息传递等领域常用的关键材料之一。电接触现象是一种十分复杂的物理现象，这对电接触材料提出了许多苛刻的、甚至是矛盾的要求，譬如高电导、低接触电阻、高热导、高耐磨、耐蚀、抗焊、抗冲击等特性。传统的电接触材料是贵金属（Ag，Au，Pt等）合金及其复合材料5q，成本较高；而普通金属表面镀Au，Ag等，使用寿命则较短。人们用MoS2，WC，SiC，La2O3等为颗粒相，以Au，Ag等贵金属为基制备的复合镀层电接触性能有明显的提高：7~9.金刚石硬度最高、又具备良好的导热性和耐高温、耐磨、耐蚀等特点，以金刚石微粒制造电接触材料的复合镀层，己见报道123，但国内尚无这方面的研究工作。

　　复合镀层的性质主要由镀层的金属基体和其中的固相颗粒所决定。制备工艺决定复合镀层的结构特征，从而影响到它的功能特性7‘8.本文作者探讨金刚石颗粒强银基复合镀层的制备方法，研究制备工艺对复合镀层结构的影响，并对其力学、电接触性能进行研究，为制备高性能金刚石银基复合镀层提供了优化工艺。

　　1样品制备与测试方案1金刚石粉末选用沈阳金刚石厂人工爆炸冲击合成的金刚石微粉，其粒径为1~7m.所示为金刚石微粉的X射线衍射图谱。可以看到，金刚石立方晶体的（111）面和（220）面（晶面距为0.）和六方晶的（1010），（0002），（1120）面（晶面距分别为126nm）的衍射峰，说明所用的是两种结构并存的金刚石。图中X射线衍射峰的宽度表明金刚石颗粒中的亚晶是很小的，在考虑仪器因素导致的衍射峰宽化效应之后，由谢乐公式估计亚晶尺寸约余火昆，等：金刚石颗粒强化银基复合镀层为几十个纳米。

　　12银基复合镀层样品制备样品以电触头常用的H62黄铜为衬底材料。镀液成分如表1所示。

　　表1复合电镀镀液成分（/L）金刚石粒度越小，表面能越大，其聚成团的能力也越强。分散剂是一种表面活性剂，是复合电镀镀液中的主要添加剂。由于它的加入，使得金刚石微粒在镀液中处于分散状态。在比较了几种常用的分散剂（阿拉伯树胶、丹柠酸、硅酸钠和甘油）后，选用甘油作为金刚石微粒的分散剂。

　　采用常规的氰化电镀工艺流程。典型的电镀工艺参数为：电镀温度25工电镀时间30min，电流密度1.5A/cm2.复合电镀过程中，搅拌有着重要的作用，它不仅能对金刚石微粒的分散起一定的作用，而且使微粒在镀液中均匀悬浮以及向阴极表面输送。

　　在薄铝片上进行短暂的复合电镀，然后，用盐酸将铝基底溶解可以获得极薄的金刚石/银复合镀层的膜片，在进一步的减薄之后，可用作透射电镜样品观察镀层的显微结构。

　　13性能测试1外观外观包括表面的色泽、粗糙度等，靠人眼观察。电镀层的外观检测是最基本的，其表面必须光洁，色泽均匀，没有针孔、麻点、起瘤、起皮、起泡、脱落、斑点、烧焦、暗影等瑕疵。外观检测不合格者，无必要进行其它测试。

　　2镀层结构镀层结构包括镀层中的微粒形状、结构及其分布、基体结构以及复合镀层与基体的界面情况。

　　镀层结构的检测使用了OLYMPUS光学显微、EM-2000EX型透射电镜、X-650型扫描电镜。

　　1.3.3力学性能测试评定镀层与基体金属的结合力，采用通常的定性方法，即弯曲试验、锉刀试验和划痕试验法。

　　采用静压挠曲试验法。将片状样品放在曲率半径为1cm的弯头上加m令样）品产生挠曲变形直1至产生裂纹，镀层开始产生裂纹时的挠曲值作为衡量脆性的指标，挠曲值越大，脆性越小。

　　采用HX200型硬度计测定镀层的显微硬度，从而判断金刚石颗粒对复合镀层的强化效果。

　　样品去油污后放在落砂试验机上，砂子自600mm高度自由落下，以45入射角冲击样品镀层表面，直至露出基体金属，以所落下砂子的质量衡量镀层的耐磨性。

　　1.3.4电接触性能测试电接触性能测试主要包括接触电阻、电磨损率。

　　采用十字交叉法测接触电阻，其工作原理如所示。电流I从一样品流向另一样品，测出电压降V，从而得到接触电阻R=V//.电磨损率，并观测电磨损后的表面形貌。

　　2结果与讨论2.1镀层结构及其界面镀液中金刚石微粒浓度、分散剂含量、电镀时间、电流密度、电镀温度对复合镀层的外观色泽都有一定的影响。

　　镀液中金刚石微粒浓度低于9g/L的复合镀层，其外观与纯银镀层没有太大的区别，呈银白色，当金刚石微粒浓度高于9g/L时，复合镀层表面逐渐由光亮变为暗淡。

　　复合电镀时加入分散剂（甘油）的含量对于外观色泽有一定的影响。当甘油浓度低于5mL/L时，复合镀层与纯银镀层在外观光泽上没有区别，当高于5mL/L时，复合镀层表面趋向于乳白色。

　　电镀时间延长（在电镀电流密度为1.大于60min）可以使复合镀层表面光泽暗淡。

　　电镀电流密度过大（电镀60min电流密度大于1.5A/dm2）时，复合镀层表面光泽开始暗淡。

　　~50C），复合镀层表面光泽暗淡。

　　2.1.2金刚石颗粒的分布未加入分散剂的复合镀层中金刚石微粒的分布存在团聚现象。

　　经搅拌制备的复合镀层不仅比未搅拌所制备的复合镀层金刚石微粒分布均匀，而且金刚石微粒在复合镀层中的含量也较高。金刚石微粒在复合镀层中的分布如所示。

　　金刚石微粒的浓度越大，复合镀层中金刚石微粒的含量越高。但是，金刚石微粒浓度高，团聚程度越大，所需的分散剂含量越多，这将导致复合镀液性能变坏。

　　银基金刚石微粒复合镀层的TEM照片如所示。可以看到银镀层中金刚石微粒的分布情况及其衍射图谱。

　　将电子衍射谱与立方和六方的标准衍射花样对照，以及根据己知的相机常数，可以判断它是立方金刚石晶带的衍射花样或是立方金刚石晶带的衍射花样。

　　204nm，故立方金刚石的（111）晶面或是六方金刚石的（100）晶面的衍射斑点落在银的衍射环上。

　　由于Ag与金刚石的X射线衍射主峰重合，用衍射法难以确定镀层中金刚石微粒的准确含量。只能认为，镀液中含量越高，则镀层中含量也越高。

　　2.1.3基体组织经试验认为如下复合电镀工艺为佳：金刚石微粒颗粒度W2.0，浓度6g/L，甘油浓度5mL/L，电镀时间30min，电镀电流密度1.5A/dm2，电镀温度25C，结合适当地搅拌，可得到致密的颗粒分布均匀的复合镀层。这时，复合电镀层基体的结晶较好。当电镀温度、电镀电流密度和甘油浓度过高以及电镀时间过长时，复合镀层有产生树枝状结晶的倾向，或产生海绵状形貌，如所示。

　　2.1.4复合镀层与基体的结合状况弯曲试验：将样品夹在台钳中，反复弯曲样品，直至基体断裂，镀层与基体之间不分离。

　　锉刀试验：将镀件夹在台钳中，用锉刀锉镀层的边缘。锉刀与镀层表面夹角大于45由基体金属向镀层方向锉，镀层无揭起或脱落。

　　划痕试验：在被试验的零件表面上，用小刀纵横交错划，直至基体金属。划痕交叉处没有镀层脱落。

　　光学显微镜观测镀层与基体的结合状况如所示。

　　上述结果说明，复合镀层与基体的结合是很好的。试验也表明，镀层的结合程度不好，多数情况是由于镀前处理不当所致。

　　2.2镀层力学性能和电接触性能2.2.1镀层脆性静压挠曲试验测量结果如表2所示。可以看出，复合镀层与纯银镀层的挠曲度几无差异。

　　2.2.2显微硬度镀层与基体的界面状况金刚石颗粒的复合镀层有着明显的强化作用，使其显微硬度大。显示了金刚石微粒的粒径、浓度及镀层厚度对镀层显微硬度的影响。可见，显微硬度随镀层厚度的加呈下降趋势。这是由于镀层越厚，镀层变得疏松，但金刚石颗粒越细，含量越高，这种下降的趋势越缓慢。在同一厚度下，金刚石粒度越细，含量越高，显微硬度越大，强化效果越好。金刚石浓度达到一定数量后，其显微硬度加趋于缓和。

　　2.2.3耐磨性说明镀液中金刚石微粒浓度对复合镀层耐表2复合镀层的脆性测定数据Table2磨性的影响。金刚石浓度越高，镀层越耐磨。

　　2.2.4接触电阻0是含不同粒度、不同浓度的金刚石微粒的镀层接触电阻随接触压力、接触时间变化的曲线。接触电阻随金刚石微粒浓度的大而大，但随接触压力的大，接触时间的延长而下降。

　　镀层中金刚石颗粒含量越高，接触电阻越大，是因为：1）金刚石颗粒的存在减少了触头的真实接触面积；2）金刚石使Ag基强化，从而减小其真实接触面积。

　　2.2.5电磨损率复合镀层中金刚石的粒度和浓度对其电磨损率影响很大。如1所示，粒度越小，电磨损率越小。接触电流较大时粒径的影响尤为明显。

　　电磨损率随镀层中金刚石浓度的加明显减小。但当浓度达到一定数值以后，电磨损率变化很缓慢，而且对接触电流不敏感。说明减小金刚石粒度，提高其在镀层中的浓度，可有效地提高镀层耐大接触电流的能力。

　　电触头磨损主要包括机械磨损和电磨损，两者共同作用而影响电接点的使用寿命。金刚石颗粒降低镀层的电磨损率从而提高其使用寿命，可能是因为下列原因：1）金刚石使镀层强化，显微硬度大，耐磨性提高，因而机械磨损减小；2）弥散的金刚石颗粒使粗大的电弧分散成细小的电弧，从而避免了较大面积的电烧损。接触电流较大时，金刚石的作用越明显，因而提高了耐大接触电流的能力。

　　2所示的是电触头表面的二次电子像。

　　3结论金刚石粉末加入银镀层后，能够提高镀层的硬度，明显降低镀层的电磨损率，从而提高接触头的寿命及耐大电流的能力。

　　复合镀层中金刚石含量不是很高时，对接触电阻影响不是太大；在此前提下，复合镀层中金刚石颗粒含量越高，粒径越小，对镀层的强化效果越好，电磨损越小。

　　搅拌有利于金刚石粉末的均匀分布。适量的分散剂有利于微粒分布均匀，但甘油浓度过高会影响镀液性能，并影响Ag结晶形貌。

　　影响复合镀层结构的因素很多，这些因素2电触头表面的二次电子像（分合15万次后）不是独自作用，而是相互联系，相互制约。各因素之间必须相互协调，才能得到最优化工艺。实际上，镀液中金刚石微粒含量不很高时，参照常规的镀银工艺，结合适当的搅拌，可以得到与衬底结合牢固的、颗粒均匀分布的结晶致密的复合镀层。

　　1 CHEChengrhuanC车承焕）。复合镀层技术的发展和应QIANXiaerfang（钱晓芳）。Ag-MoS2共沉积过程的研宄层特性D-wei（褚德威）。银-氢氧化铈胶体复合电镀新工艺的研宄N-Al23复合电镀工艺9XIEZ-neng（谢自能）。贵金属颗粒复合材料（编辑袁赛前）