电流密度对电沉积银石墨复合镀层耐蚀和耐磨性能的影响

电流密度对电沉积银石墨复合镀层耐蚀和耐磨性能的影响叶志国;何庆庆;稂耘;陈宜斌;刘磊;陈川;马光
【摘要】使用电沉积方法在铜基表面制备了银石墨复合镀层,研究了沉积电流密度对银石墨复合镀层耐蚀和耐磨性能的影响.研究表明,镀层的石墨面积分数随着沉积电流密度的上升而增大;沉积电流密度对自腐蚀电位的影响不大,沉积电流密度的增加使得自腐蚀电流密度增大;在0.1~0.5 A/dm2范围内,随着电流密度的增加,复合镀层的平均摩擦系数减小,磨损率先减小后增大.当沉积电流密度为0.3 A/dm2、搅拌速度为420 r/min时,复合镀层的磨损率最小,为8.13×10-14 m-3/N?m.该条件下制备的触头触指分合10000次后,在触头的面状低副摩擦中,其镀层厚度迁移量小于2μm;在触指的线状高副摩擦中,其镀层磨损量小于10μm.%In this paper,the silver-graphite composite coatings were prepared on copper substrate by the electro-deposition method.The influence of deposition current density on the corrosion resistance and wear resistance of the silver graphite composite coating was particularly investigated.This study indicated that the area fraction of the coated graphite increased with the rise of deposition current density.The self-corrosion potential was less likely to be affected by deposition current density.However,the increase of deposition current density was to accelerate the self-corrosion current density.In 0.1-0.5 A/dm2 range,the average friction coefficient of compos-ite coating decreased and the wear rate decreased and then increased by the increment of current d
ensity.When the deposition current density was equal to 0.3 A/dm2 and stirring speed to 420 r/min,the wear rate of the coat-ing reached the minimum,nam ely 8.13×10-14 m-3/N?m.After contact
terminal and contact finger prepared in the condition off operation of 10000 times,the migration amount of coating thickness for contact terminal in the planar low vice was less than 2μm and the abrasion loss in the lin ear high vice friction of contact finger was less than 10μm.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2016(047)008
【总页数】5页(P8227-8231)
【关键词】高压开关;电流密度;银石墨复合镀层;耐蚀性;耐磨性
【作者】叶志国;何庆庆;稂耘;陈宜斌;刘磊;陈川;马光
【作者单位】南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌 310063;南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌 310063;南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌 310063;国网温州供电公司,浙江温州 325000;南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌310063;国网智能电网研究院,北京 102211;国网智能电网研究院,北京 102211
【正文语种】中文
【中图分类】TG178
在电力系统中,高压隔离开关是非常重要的电力设备,其运行中主要存在瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热[1]、锈蚀[2]四大问题。其中,导电回路过热是主要问题[3],其原因是由接触表面镀层的磨损、脱落、氧化等引起电接触电阻增大,使得
触头发热[4]。实际上金属的腐蚀也直接或间接引起瓷瓶断裂、操作失灵、导电回
路过热,因此锈蚀也是一个不可忽略的问题[5]。
1840年英国Elkington兄弟首次申请了氰化镀银专利[6],开创了电镀工业的新时
代。目前,对隔离开关触头镀层的处理主要有普通镀银、镀硬银和石墨镀银。德国西门子公司在有氰镀银体系下研发并生产了铜基石墨镀银复合电接触材料[7-8],
与镀银层相比具有更好的耐磨性[9]和更低的接触电阻。2014年杨堃等对普通镀银、镀硬银和石墨镀银的隔离开关触头进行机械操作实验,发现石墨镀银镀层因具有非常好的自润滑性而寿命最长[10]。当前,人们开发出的石墨镀银镀层集合了银的高导电率、低接触电阻和石墨的优良润滑性、高耐磨耐腐蚀性等优点[11-13],所以
bpr石墨镀银层比普通镀银、镀硬银层具有更好的耐磨性、自润滑性以及自清洁能力。但随着输电线向特高压、超高压发展以及户外高压开关因长期裸露在大气环境中受恶劣环境和气候的影响[14-15],对镀层的耐蚀、耐磨等性能要求越来越高。因此,研究石墨银镀层的耐磨性和耐蚀性具有重大意义。
本文在有氰镀银体系下探究了电流密度对银石墨镀层耐磨性和耐蚀性的影响。通过改变电流密度来测试镀层性能,探究出最佳的复合镀电流密度,使银石墨复合镀层集合银和石墨的优良性能并达到最佳效果。
为了保证镀层的质量,本实验采用的是氰化镀银体系。本实验所用的石墨为德国施洛特公司生产的天然鳞片石墨,平均颗粒尺寸<5 μm。电镀阳极板为99.99%(质
量分数)的纯银板。镀液中使用的石墨分散剂为德国施洛特公司生产的VP06-122
与VP06-123,其中VP06-123起辅助分散作用。使用99.99%无氧纯铜作为银石墨复合镀层基体材料。
使用砂纸对铜基体进行打磨,并置于NaOH、Na2CO3·10H2O、Na2O·nSiO2和Na3PO4·12H2O的混合碱液中除油1 min,除油温度60 ℃,电流密度3 A/dm2;再将试片放入HNO3、H2SO4、NaCl的混合液中3 s除去试片表面的氧化皮,随后放入125 g/L的H2SO4中活化试片表面。会计科目使用说明
将预处理完的试片带电放入预镀银槽中进行预镀银。镀银工序结束后,可以得到厚度大致为11~12 μ
m的纯银镀层,再将试片放入银石墨复合镀槽施镀,预镀银、
镀银和石墨镀银槽液都为中航工业洪都热表处理厂提供,其中石墨镀银槽液是在镀银槽液基础上加入石墨、VP06-122和VP06-123添加剂制得。
腓特烈大帝
为了表征石墨的面积分数,使用立体显微镜对石墨表面进行表面观察,使用Image-ProPlus软件识别石墨并计算石墨所占的表面积百分数[16]。
使用Parstat 2273电化学测试系统测定镀层的Tafel曲线,采用三电极测量体系,饱和甘汞电极为参比电极,20 mm×20 mm×1 mm的铜基镀层试片为工作电极,铂电极为辅助电极,测量温度为25 ℃,扫描速度为0.5 mV/s,腐蚀介质为1 M
H2SO4溶液。
为了研究银石墨复合镀层在一定载荷下的磨损机理及耐磨性能,本文使用HT-1000 型球盘式高温摩擦磨损实验机在260 g载荷下对20 m m×25 mm×1 mm
的铜基镀层试片进行摩擦磨损实验[17]。
在山东泰开隔离开关有限公司进行触头镀银石墨寿命测试,安装在GW4-40.5隔
离开关,在夹紧力500 N下做机械分合,①②③为机械分合过程(如图1所示)。
图2为电沉积电流密度与复合镀层石墨面积分数的关系图。
图2表明在镀层表面,石墨的面积分数随着电流密度的上升而增大,这与Gugleilmi的两步吸附模型相吻合[18]。当搅拌速度大到能将镀液里的石墨充分输送到阴极表面时,强吸附步骤为电沉积控制步骤,电化学反应步骤控制的稳态电化学反应中,阴极电流密度越大则阴极过电位越大,根据Gugleilmi吸附模型,阴
极表面的过电位越大,镀层中石墨的体积分数越大,进而镀层中的石墨面积分数也越大。当电流密度大于0.5 A/dm2时,镀层出现烧焦、表面粗糙和疏松结构,致
使镀层的耐磨耐蚀性较差[16]。
图3为不同电流密度下制得复合镀层的Tafel曲线图,表1列出了使用软件拟合的复合镀层的自腐蚀电流与自腐蚀电位。随着电沉积电流密度的增大,自腐蚀电位的变化不大并且没有呈现出特定的规律,0.5 A/dm2的镀层电流密度对应的自腐蚀
电位最大。0.1~0.4 A/dm2下制得镀层自腐蚀电流密度变化呈略微增大趋势,但0.5 A/dm2的镀层自腐蚀电流密度突变增大至1.11×10-5 A/dm2。随着电沉积
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心动心如电流密度的增大,表面石墨的含量增多,银的含量减少,表面银的阳极溶解反应的减少,自腐蚀电流减小,同时沉积电流密度的增大使得镀层的孔隙率可能增加,因此硫酸溶液可以进入镀层内部,这增加了真实的反应面积致使自腐蚀电流增大,在这两个因素的作用下,镀层的自腐蚀电流变化不大,自腐蚀电流密度较为稳定。
图4为在260 g载荷下不同电流密度下制得复合镀层摩擦系数随磨损时间的变化
曲线,图5为沉积电流密度与镀层的平均摩擦系数、磨损量的关系图。
图4中镀层摩擦系数随时间增加均呈现下降的趋势,0.2 A/dm2的摩擦系数波动
幅度较大,在图6(b)中可以看出镀层有一部分被磨穿,导致了磨损过程的不稳定,其它电流密度的镀层摩擦系数相对稳定。图5显示随着沉积电流的增大,复合镀
mediaringtalk层摩擦系数减小,这与镀层中石墨含量的增大有关,磨损率则先减小后增大,0.3 A/dm2对应的镀层磨损率最小为8.13×10-14 m-3/N·m,石墨含量的增加可以减小摩擦系数,在磨面形成自润滑石墨膜,但是镀层孔隙率可能随着沉积电流密度的增大而升高,导致镀层强度下降,这两个因素综合作用使得镀层的耐磨性能先增强后减弱,因此0.3 A/dm2为最佳电流密度。
图6为各电流密度制镀层的磨痕显微照片,结合图2和图6发现0.3 A/dm2镀层磨面上的石墨最多磨痕中
有明显的石墨划痕。镀层石墨含量较低时,无法在整个磨损过程中维持润滑膜的完整性,因此磨面石墨消耗殆尽,磨痕处大部分为白的银如图6(a)所示,0.4与0.5 A/dm2对应的镀层虽然有足够的石墨储备,但是由于
镀层孔隙率有所上升,镀层强度下降,磨球与镀层接触面积增大,石墨的消耗加剧而导致镀层磨损的加剧,磨痕表面残留少量的石墨(如图6(d)和(e)所示)。
图7为触头触指银石墨镀层寿命测试前后的宏观照片。a为测试前的宏观照片,b 为测试10 000次后的宏观照片。据2014年杨堃等[10]对普通镀银、镀硬银的隔

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