厚度與粗糙度對紫銅鍍銀層溫升的影響

陳 婧

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，貴州貴陽550008）

紫銅，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性與塑性，易于加工成型，大量用于制造電線與電纜等導(dǎo)電類產(chǎn)品。為提高其導(dǎo)電性能，開合電流位置一般對零部件均采用鍍銀處理，且保證鍍銀層為單質(zhì)成分，鍍銀層與基體材料之間良好結(jié)合，利用銀單質(zhì)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可以降低零部件之間接觸電阻，提高其導(dǎo)電性能，降低導(dǎo)電過程中的發(fā)熱與溫升，滿足設(shè)計與生產(chǎn)的需要［1］。在生產(chǎn)上為保證鍍銀層的導(dǎo)電性能，技術(shù)人員從工藝流程、工裝設(shè)備與技術(shù)參數(shù)等方面做了大量的研究，獲得了理想的研究成果［2-4］。結(jié)果表明：厚度是影響銀層導(dǎo)電性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，影響著線路的接觸電阻與導(dǎo)電性能，在比較重要的工作環(huán)境，銀層較厚，一般工作環(huán)境，銀層較薄。但實際上在工程應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，需鍍銀的工作面銀層厚度影響著其粗糙度大小，而粗糙度同樣是影響鍍銀層導(dǎo)電性的重要因素。粗糙度數(shù)值過大在應(yīng)用或者試驗過程中與其它零部件有效接觸面積過小，對導(dǎo)電性能會有不利影響，通電過程中溫升會比較高。粗糙度數(shù)值越小在應(yīng)用或者試驗過程中與其它零部件有效接觸面積較大，對導(dǎo)電性能會有有利影響，通電過程中溫升會比較低［5-6］。但是針對紫銅材料在應(yīng)用過程中定量鍍銀層厚度與粗糙度對導(dǎo)電性能的研究并不多見，生產(chǎn)上一直追求較大的鍍銀層厚度與較小的粗糙度，但是追求過大的銀層厚度，生產(chǎn)成本較高，且鍍層厚度比較大時并不容易獲得較小的粗糙度，急需開展鍍銀厚度對粗糙度與導(dǎo)電率的影響研究，用于指導(dǎo)設(shè)計與生產(chǎn)。

為此本文選擇紫銅作為基體材料系統(tǒng)分析鍍銀層厚度對粗糙度的影響、粗糙度對導(dǎo)電性能與溫升的影響，在保證鍍銀層導(dǎo)電性能前提下優(yōu)化最佳鍍銀層厚度與粗糙度，為生產(chǎn)與工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 基材

基材為紫銅長×寬×厚=50 mm×35 mm×1 mm，原始粗糙度約為1.6μm。

鍍 銀 液 組 成 為：KCN 145～155 g/L，AgCN 41～45 g/L，K2CO316～20 g/L，光亮劑約20 mL/L。

1.2 工藝過程

NAOH除油堿洗→水洗→硝酸酸洗→水洗→浸鋅→水洗→鍍銅→水洗→預(yù)鍍銀→水洗→鍍銀→水洗。電鍍工藝條件：室溫，電流密度1.0 A/dm2，鍍銀層厚度要求分別為12μm、18μm、30μm與5μm，電 鍍 時 間 依 次 約 為25 min、40 min、60 min與100 min。每種厚度制備5件試樣。

1.3 性能檢測

鍍銀層厚度采用Oxford CMI900膜厚測試儀進行檢測。粗糙度采用Mitutoyo SJ210便捷式表面粗糙度測試儀進行測量。

鍍銀層結(jié)合力采用熱振法進行檢測，試樣放入普通加熱爐內(nèi)，溫升速率為8℃/min，至235±10℃，保溫2 h，隨爐冷卻至室溫，觀察鍍銀層氣泡與變色狀況。

鍍銀層導(dǎo)電率采用GE AutoSigma 3000電導(dǎo)率儀進行測試，每種名義粗糙度試樣的各種性能都測5個樣品。其中電導(dǎo)率以與國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS）相比的百分?jǐn)?shù)表示。

采用試驗設(shè)備為HTHL-100A開關(guān)回路電阻測試儀，取電流值為100 A，試驗電路如圖1所示。測試設(shè)計鍍銀層厚度分別為12μm、18μm、30μm與50μm試樣的溫升高低，每一組厚度的試樣各兩件，分別為RX1與RX2，串聯(lián)，自行進行對接接觸，保持接觸預(yù)緊力矩均為50 N·m，溫升時間約為1 h，待溫度穩(wěn)定，即每個位置溫升波動在1 K時視為穩(wěn)定，然后測試溫升數(shù)據(jù)，溫升數(shù)據(jù)不超過65 K±0.5 K，滿足設(shè)計要求。

圖1 溫升試驗電路Fig.1 The test circuit of temperature rise

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗樣品鍍銀層的厚度

試驗中對每一種鍍銀厚度的5件試樣進行詳細(xì)測試，記錄試驗結(jié)果并取平均值作為標(biāo)準(zhǔn)評判鍍層厚度，結(jié)果如表1所示。設(shè)計鍍銀層厚度為12μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度分別為11.7μm、11.9μm、12.5μm、12.4μm與11.8μm，實際厚度均值為12.1μm，略大于設(shè)計厚度。同樣，設(shè)計鍍銀層厚度為18μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度介于17.7μm～18.4μm之間，均值為18.1μm，與設(shè)計厚度相差不大。設(shè)計鍍銀層厚度為30μm與50μm，其5件試樣實際鍍銀層厚度均值分別為30.0μm與50.1μm。生產(chǎn)中鍍銀層厚度上下限控制為：設(shè)計厚度±3μm，所有試樣實際鍍銀層厚度均可滿足設(shè)計要求。

表1 鍍銀層厚度Tab.1 The thickness of the silver plating layer

2.2 鍍銀后粗糙度變化

試驗中仍選擇表1每種鍍銀層厚度的5件試樣測試粗糙度，記錄試驗結(jié)果并取平均值作為標(biāo)準(zhǔn)評判鍍層粗糙度，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，鍍銀層厚度越大其基體試樣表面粗化越厲害，即其粗糙度值越大。設(shè)計鍍銀層厚度為12μm的5件試樣，粗糙度平均值為1.68μm。設(shè)計鍍銀層厚度為18μm、30μm與50μm時，對應(yīng)鍍銀層厚度平均值分別為18.06μm、29.98μm與50.12μm，實際粗糙度平均值分別為1.73μm、2.16μm與2.46μm。

表2 鍍銀層粗糙度Tab.2 The roughness of the silver coating

鍍銀后試樣表面粗糙度的變化與金屬材料的結(jié)晶長大方式有著直接關(guān)系。電鍍過程基本上均屬于表面粗化過程，金屬材料在電鍍過程中是按照一定的方式結(jié)晶生長，伴隨著晶粒的形核與長大逐漸形成鍍層。首先，形核具有一定的選擇性，在滿足形核條件的局部區(qū)域首先形成晶核，晶粒從這些區(qū)域開始生長，并且在生長過程中晶粒還會具有方向的選擇性，故沿著一定的方向晶粒快速長大，宏觀狀況就表現(xiàn)為晶粒生長的方向性，試樣表面粗化，粗糙度數(shù)值變大。鍍層厚度越小，沿著一定方向晶粒長大越薄，試樣表面粗糙度數(shù)值就越小。鍍層厚度越大，沿著一定方向晶粒長大越多，試樣表面粗糙度數(shù)值越大。如表2中設(shè)計鍍銀層厚度為12μm，其形成的鍍銀層粗糙度均值為1.68μm。當(dāng)設(shè)計鍍銀層厚度為18μm時，其形成的鍍銀層粗糙度均值略有增加，為1.73μm。當(dāng)設(shè)計鍍銀層厚度為30μm與50μm時，其形成的鍍銀層粗糙度均值已經(jīng)分別達到2.16μm與2.46μm。

2.3 鍍銀層結(jié)合力

經(jīng)過235±10℃的高溫測試后，鍍銀層結(jié)合力測試結(jié)果如表3所示，鍍銀層厚度較薄其表面狀況較好，表明其鍍層結(jié)合力越好，鍍銀層厚度較厚，其表面狀況較差，表明其鍍層結(jié)合力越差。如鍍銀層厚度約12μm，5件試樣表面泛黃，其中1件樣品出現(xiàn)黑色細(xì)小斑點，均無氣泡。鍍銀層厚度約18μm，5件試樣表面泛黃，局部發(fā)黑，其中2件樣品出現(xiàn)黑色斑點，變色情況較前者明顯加重，均無氣泡。鍍銀層厚度約30μm，2件試樣表面泛黃，3件試樣表面局部發(fā)黑嚴(yán)重且出現(xiàn)黑色斑點，1件樣品出現(xiàn)氣泡。鍍銀層厚度約50μm，2件試樣表面均勻泛黃，3件試樣表面局部發(fā)黑嚴(yán)重且出現(xiàn)黑色斑點，2件樣品出現(xiàn)氣泡。

表3 鍍銀層結(jié)合力Tab.3 The adhesion of the silver plating layer

從測試結(jié)果可以看出鍍銀層厚度越小，其表面呈現(xiàn)均勻泛黃，如12μm時，5件試樣均無出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象，但在50μm時，已經(jīng)有3件試樣表面局部發(fā)黑嚴(yán)重且出現(xiàn)黑色斑點，2件樣品出現(xiàn)氣泡。實際上鍍銀層表面狀況反映了其內(nèi)部的組織狀況，鍍銀層比較薄時鍍層內(nèi)部所包含的缺陷位置較少，在受到熱應(yīng)力時其組織仍舊保持著良好的狀況，鍍銀層比較厚時鍍層內(nèi)部所包含的缺陷位置較多，在受到熱應(yīng)力時其組織很容易從局部位置發(fā)生破壞。因此在設(shè)計階段如果能夠滿足摩擦磨損性能的前提下盡量減薄鍍層厚度。

2.4 鍍銀層導(dǎo)電率

仍采用以上述試驗中獲得的樣品進行鍍銀層導(dǎo)電性能測試，測試前對試樣不進行任何處理，結(jié)果如表4所示。隨著鍍銀層厚度增加試樣表面粗糙度數(shù)值增加，試樣導(dǎo)電率逐漸變差。如設(shè)計鍍銀層厚度為12μm，鍍銀層厚度平均值為12.06μm，其粗糙度平均值為1.68μm，其5件試樣導(dǎo)電率實際測試結(jié)果依次為95.6 IACS、93.7 IACS、93.7 IACS、94.6 IACS與95.8 IACS，其導(dǎo)電率均值為94.7 IACS。設(shè)計鍍銀層厚度為18μm時，鍍銀層實際粗糙度均值增加至1.73μm，其導(dǎo)電率均值有所下降，約為94.7 IACS。隨設(shè)計鍍銀層厚度繼續(xù)增加，為30μm與50μm時，鍍銀層實際粗糙度均值依次增加至2.16μm與2.46μm，其導(dǎo)電率均值下降比較明顯，分別為91.7 IACS與89.3 IACS。

表4 導(dǎo)電率測試值（相對于IACS）Tab.4 The conductivity test values（relative to IACS）

盡管測試方式相同，同是鍍銀層，其導(dǎo)電性能卻存在明顯的差別，其鍍銀層最大的區(qū)別在于厚度與粗糙度不同，粗糙度不同試樣鍍銀層與測試設(shè)備實際接觸面積不同，最終均反映在導(dǎo)電率上。設(shè)計鍍銀層厚度12μm時，鍍銀層粗糙度均值為1.68μm，鍍銀層與設(shè)備接觸面積比較大，測試結(jié)果導(dǎo)電率比較大，鍍銀層實際導(dǎo)電率均值94.7 IACS。隨著鍍銀層厚度增加，鍍銀層粗糙度數(shù)值變大，鍍銀層與設(shè)備接觸面積比較小，鍍銀層實際導(dǎo)電率數(shù)值變小，導(dǎo)電能力變差。另外值得注意的是受鍍銀層厚度的影響，鍍銀層較薄時其內(nèi)部缺陷是比較少的，因此其鍍層保持著較好狀況，氣泡起皮較少，導(dǎo)電性能優(yōu)良。相反，如果鍍銀層較厚可能會影響到其導(dǎo)電性能［7-9］。

2.5 鍍銀層溫升

鍍銀層溫升試驗結(jié)果如表5所示，隨著設(shè)計厚度增加，鍍銀層粗糙度增加，導(dǎo)電率逐步下降的同時，其溫升數(shù)據(jù)逐漸增加。當(dāng)鍍銀層厚度設(shè)計為12μm時，鍍銀層實際粗糙度均值為1.68μm，鍍銀層實際導(dǎo)電率均值94.7 IACS，溫升數(shù)據(jù)為65 K±0.21 K。當(dāng)鍍銀層設(shè)計厚度為18μm、30μm與50μm時，其 溫 升數(shù) 據(jù) 分別 為65 K±0.41 K、66 K±0.40 K與67 K±0.47 K。

表5 鍍銀層溫升Tab.5 The temperature rise of the silver plating layer

溫升數(shù)據(jù)較高與導(dǎo)電率有著密切的關(guān)系，設(shè)計厚度小，獲得的鍍銀層粗糙度小，導(dǎo)電率高，在同樣的加緊力矩情況下，其接觸狀況較好，零部件通流能力比較強，所以其溫升比較低。從試驗數(shù)據(jù)看，設(shè)計厚度12μm與18μm，均可以滿足使用要求。

3 結(jié)論

本文以紫銅為基體材料，制備了12μm、18μm、30μm與50μm的鍍銀層，并測試了鍍層的厚度、粗糙度、結(jié)合力與導(dǎo)電性能，獲得試驗結(jié)果如下：

（1）鍍銀層厚度越大，其表面的粗糙度數(shù)值越大，鍍銀層厚度越小，其表面的粗糙度數(shù)值越小，鍍銀層厚度約為12～18μm時，其粗糙度數(shù)值為1.68～1.73μm，電導(dǎo)率為94.7 IACS～93.8 IACS，溫升65 K±0.21 K～65 K±0.41 K，滿足設(shè)計要求；

（2）鍍銀層厚度約為30～50μm時，其粗糙度數(shù)值為2.16～2.46μm，電導(dǎo)率為91.7 IACS～89.3 IACS，溫升66 K±0.40 K～67 K±0.47 K，超過設(shè)計要求。

基于以上研究結(jié)果，對于用于導(dǎo)電作用的紫銅鍍銀設(shè)計，應(yīng)當(dāng)考慮鍍層厚度、粗糙度與導(dǎo)電性能的關(guān)系，適當(dāng)降低鍍層厚度，從而保證導(dǎo)電性能。