工藝條件對電沉積Cu-SiO2復合鍍層形貌與硬度的影響

周言敏， 李建芳

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

工藝條件對電沉積Cu-SiO2復合鍍層形貌與硬度的影響

周言敏， 李建芳

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

采用電沉積方法制備Cu-SiO2復合鍍層，并研究了攪拌速率、電流密度和電流施加方式對其形貌與硬度的影響。結果顯示：隨著攪拌速率的提高，復合鍍層的形貌先趨好后變差，硬度先升高后降低；而隨著電流密度的增加，復合鍍層的形貌呈現逐漸變差的趨勢，硬度近似線性降低；在同等條件下，電流以脈沖形式施加有利于改善復合鍍層的形貌，密實組織結構，提高硬度。

形貌；硬度；Cu-SiO2復合鍍層；工藝條件

0 前言

銅基復合鍍層既具有銅優良的導電、導熱性能，又展現出較高的屈服強度及較好的耐磨、耐高溫性能，因而受到廣泛關注。王金東等［1］和謝蘭清等［2］均采用超聲波攪拌－電沉積法制備出Cu-SiC復合鍍層，并分別對其性能進行了考察。陳勁松等［3］利用噴射電沉積工藝制得Cu-Al2O3納米復合鍍層，并對影響其硬度的因素進行了分析。基于復合電沉積工藝，朱建華等［4］同樣制備出Cu-Al2O3納米復合鍍層，并對其拉伸性能、磨損性能及導電性能進行了研究。除此之外，王文芳等［5］、Xu X Q 等［6］和芮世軒［7］還分別研究了電沉積 Cu-TiO2復合鍍層、Cu-液體微膠囊復合鍍層和Cu-MoS2復合鍍層的結構與性能。

SiO2微粒具有耐腐蝕、耐磨損和硬度高等優點。將其作為增強相與基相銅離子共沉積，有望制備出疊加各相優勢性能的銅基復合鍍層。然而截至目前，關于Cu-SiO2復合鍍層的制備工藝及性能研究僅有為數不多的文獻報道［8－9］。鑒于此，本文采用電沉積工藝制備Cu-SiO2復合鍍層，并探討了工藝條件對復合鍍層形貌與硬度的影響。

1 實驗

1.1 材料和方法

鍍液配方為：硫酸銅220g/L，硫酸50g/L，氯化鈉適量。陽極為鍍銅專用的磷銅板，陰極為不銹鋼板。共沉積惰性不溶微粒選用經表面改性處理的高純度SiO2，粒徑約為2μm，添加量為15g/L。

電鍍前，嚴格按照規范流程分別對陽極和陰極進行預處理，同時施加高頻超聲波振蕩攪拌鍍液，對微粒進行解聚分散處理。電鍍中，電流分別以直流形式和脈沖形式施加。設定直流電流密度為3～11 A/dm2。脈沖電流密度為5A/dm2，占空比為0.2。鍍液采用磁力攪拌，攪拌速率為50～450r/min，溫度控制在30℃。

1.2 分析測定

Cu-SiO2復合鍍層經相關處理后，采用KYKY－2800B型掃描電鏡觀察其形貌，并利用HV-1000型顯微維氏硬度計測定其硬度。測定硬度時，施加載荷為50g，保壓10s，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 復合鍍層的形貌

電流以直流形式施加，并保持電流密度在5 A/dm2，僅研究攪拌速率對Cu-SiO2復合鍍層形貌的影響，結果如圖1所示。

圖1 攪拌速率對Cu-SiO2復合鍍層形貌的影響

由圖1可知：攪拌速率為50r/min時，復合鍍層的晶粒較粗且尺寸不一，晶界明顯導致存在孔洞，呈現疏松多孔狀結構。低速攪拌難以促使尺度較大的微粒懸浮于鍍液中，故微粒與基質金屬離子共沉積的幾率小，復合鍍層中微粒的質量分數低，未能有效發揮作用。隨著攪拌速率的提高，復合鍍層的晶粒細化，晶間縫隙彌合，結構趨于致密，見圖1（b）。此后，復合鍍層呈現出類似圖1（a）所示的粗大胞狀晶粒、疏松多孔狀結構，見圖1（c）。根據物理學理論，鍍液攪拌速率越高，微粒所受離心力越大。換言之，微粒黏附于沉積表面越牢靠，因而越容易與基質金屬離子共沉積，發揮改善復合鍍層形貌的作用。

鑒于攪拌速率為350r/min時制備的Cu-SiO2復合鍍層的形貌質量最好，保持350r/min恒定，轉而研究電流密度對復合鍍層形貌的影響，結果如圖2所示。由圖2可知：復合鍍層的形貌隨電流密度的增加呈現逐漸變差的趨勢。

圖2 電流密度對Cu-SiO2復合鍍層形貌的影響

綜上所述，采用過低/過高的攪拌速率及較高的電流密度，所得Cu-SiO2復合鍍層的形貌質量不盡理想。將電流以脈沖形式施加，對比不同電流施加方式下所得Cu-SiO2復合鍍層的形貌，結果如圖3所示。由圖3可知：脈沖復合鍍層的形貌有所改善，表面趨于平整，晶粒尺寸較小且組織致密程度提高。這歸因于脈沖電流導通期間，高瞬時電流密度使電化學極化作用增強，提高成核幾率并減小結晶晶粒臨界尺寸，加之輔助微粒的作用，實現晶粒細化。

圖3 不同電流施加方式下所得Cu-SiO2復合鍍層的形貌

2.2 復合鍍層的硬度

圖4和圖5分別為僅改變單一因素情況下制備的Cu-SiO2復合鍍層的硬度變化曲線。可以看出：復合鍍層的硬度隨攪拌速率的提高先從861MPa增至1 117MPa，然后降至1 039MPa；而隨電流密度的增加從1 168MPa直降至889MPa。

圖4 Cu-SiO2復合鍍層的硬度隨攪拌速率的變化曲線 （直流電流密度5A/dm2）

圖5 Cu-SiO2復合鍍層的硬度隨電流密度的變化曲線 （攪拌速率350r/min）

根據文獻［10］中推導出的復合鍍層的硬度與其中微粒質量分數的定性關系，并結合上文分析，不難作出解釋：采用適宜攪拌速率和較低電流密度，均有助于促進微粒與基質金屬銅離子共沉積，提高復合鍍層中微粒的質量分數。而微粒的質量分數越高，所發揮的細晶強化作用和彌散強化作用越明顯，自然復合鍍層的結構較致密，硬度較高。

同樣，電流以脈沖形式施加，也有利于提高微粒的質量分數、細化晶粒，因而制備的Cu-SiO2復合鍍層的硬度偏高。以電流密度5A/dm2，攪拌速率450r/min條件下制得的兩種Cu-SiO2復合鍍層為例，測定結果顯示：電流以脈沖形式施加，硬度提高約13.6%。

3 結論

采用電沉積方法制得Cu-SiO2復合鍍層，并進一步研究了攪拌速率、電流密度和電流施加方式對其形貌與硬度的影響。得出結論：（1）隨著攪拌速率的提高，復合鍍層的形貌先趨好后變差，硬度先升高后降低；而隨著電流密度的增加，復合鍍層的形貌呈現逐漸變差的趨勢，硬度近似線性降低。（2）在同等條件下，電流以脈沖形式施加有利于改善復合鍍層的形貌，密實組織結構，提高硬度。

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［1］王金東，谷碩，夏法鋒.Cu-SiC復合鍍層制備工藝及表征研究［J］.兵器材料科學與工程，2012，35（6）：11-13.

［2］謝蘭清，王彩霞.輔助超聲振蕩電沉積Cu-SiC復合鍍層的結構與性能［J］.兵器材料科學與工程，2013，36（2）：72-76.

［3］陳勁松，黃因慧，劉志東，等.噴射電沉積Cu-Al2O3復合電鑄層性能研究［J］.材料科學與工藝，2008，16（5）：638-641.

［4］朱建華，劉磊，趙海軍，等.電鑄nano-Al2O3/Cu復合材料的組織與性能［J］.復合材料學報，2006，23（4）：65-71.

［5］王文芳，吳玉程，鄭玉春，等.銅－納米金屬氧化物復合鍍層的制備及組織性能研究［J］.稀有金屬，2004，28（2）：301-303.

［6］XU X Q，ZHU L Q，LI W P，et al.Microstructure and deposition mechanism of electrodeposited Cu/liquid microcapsule composite［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21（10）：2 210-2 215.

［7］芮世軒.MoS2/Cu復合刷鍍層制備及真空摩擦性能［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［8］王莉萍.電沉積鎳基/銅基納米復合鍍層制備、組織結構與性能研究［D］.合肥：合肥工業大學，2005.

［9］王文芳，吳玉程，鄭玉春，等.納米SiO2/Cu復合鍍層的制備和組織性能研究［J］.材料保護，2004，37（2）：15-16.

［10］王玉林，趙乃勤，董剛，等.Al2O3顆粒粒徑和含量對α-Al2O3/Cu復合鍍層性能的影響［J］.復合材料學報，1998，15（1）：78-82.

Effects of Process Conditions on Morphology and Hardness of Electrodeposited Cu-SiO2Composite Coating

ZHOU Yan-min， LⅠ Jian-fang
（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

The Cu-SiO2composite coating was prepared by electrodeposition，and the effects of agitation rate，current density and current applying way on its morphology and hardness were investigated.The results show that with the increasing of agitation rate，the morphology of the composite coating is improved first and then becomes worse，and the hardness increases first and then decreases；with the increasing of current density，the morphology of the composite coating shows a gradually worsening trend，and the hardness reduces almost linearly；under the same conditions，the current applied in pulse form is better for improving the morphology，compacting the structure and increasing the hardness of the composite coating.

morphology；hardness；Cu-SiO2composite coating；process condition

TQ 153

A

1000-4742（2014）05-0001-03

2014-04-16