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热震对银-铝复合材料组织和性能的影响

2024-07-05 138 上传者：管理员

摘要：采用电镀的方法在铝合金表面制备银镀层，对银-铝复合材料试样进行热震试验。利用金相显微镜、显微硬度计研究热震试验对材料形貌及力学性能的影响。结果表明，热震试验保温时间30 min后，相较于未热震试验的硬度无明显变化，随着保温时间的延长，铝基体和银镀层硬度大幅降低；且加热后空冷银镀层的硬度略高于水冷银镀层的硬度；同时，热震试验190℃、30 min后基体晶粒细化，而热震试验190℃、2 h后晶粒有长大趋势。

关键词：
力学性能
导电性
热震试验
银-铝复合材料
镀层材料
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金属银具有良好的导电性和导热性，因其价格高昂，常作为镀层材料使用[1,2]。银镀层因其附着力强、电阻率低等特点在高压电器产品的接触表面得到了广泛应用[3,4,5,6]。为检测金属基体上金属沉积层的附着力，可以采用摩擦抛光实验、喷丸试验、锉刀试验、弯曲法、热震试验等评价其性能。由于热震试验检测方法无损、灵活且检测结果快速高效，适用于具有不同膨胀系数的涂镀层材料与基体材料的附着力检验。热震试验是将试样在一定温差的环境中进行温度的应变试验，检测镀层经过不同温度环境变化后附着力的变化情况[7,8]。

经热震试验检测后的产品要用于高压电器产品的装配使用，严苛的服役条件要求材料具备适当的硬度以抵御摩擦，而热震试验会在一定程度上改变材料的组织状态和力学性能[9]。目前多数学者将目光聚焦于电镀工艺过程对材料性能的影响[10,11,12,13,14,15,16,17,18]，鲜有学者研究热震对银-铝复合材料的组织形貌及硬度性能的影响。

本文采用电镀的方法以铝合金为基材制备银-铝复合材料，对比不同热震工艺条件下银-铝复合材料的组织和性能，探明热震对银-铝复合材料的影响，为高压电器行业镀层材料的发展提供一定的理论基础。

1、实验

1.1银-铝复合材料的制备

将铝合金试块作为基材，经粗磨、细抛至无痕镜面，经超声波清洗后，风干备用。采用电镀的方法镀银，工艺过程如下：碱浸蚀（温度60℃～70℃，时间30 s～2 min）→酸洗（室温，时间15 s～4 min）→1次浸锌（温度23±3℃，时间1 min）→酸洗（室温，时间30 s～60 s）→二次浸锌（温度23±3℃，时间1 min）→镀铜（温度40℃～50℃，时间10 min，电流密度0.6 A/dm2～1.5 A/dm2）→预镀银（温度20℃～35℃，时间5 s～15 s，电流密度0.8 A/dm2～1.2 A/dm2）→氰化镀银（温度20℃～35℃，电流密度0.4 A/dm2～1.5 A/dm2）→中和（室温，时间5 s～15 s）→热水洗（温度80℃～85℃，时间5 min）。

1.2银-铝复合材料热震试验方法

参考GB/T 5270—82005《金属基体上的金属覆盖层电沉积和化学沉积层附着强度试验方法评述》，利用RGH-9039A型号高温老化试验箱，设置190℃恒温，将铝合金试块分别置于烘箱中加热保温30 min及2 h，取出后迅速置于室温和水中骤冷。热震试验工艺条件如表1所示。

表1热震试验工艺条件

1.3性能测试与结构表征

将试块表面打磨至光滑，采用TMVS-1型显微硬度计检测试块的力学性能。根据试块形态及需要观察的材料，将试块裁剪出1 cm×1 cm的样品，并将样品镶嵌后，打磨抛光至表面平整，清洗干燥后采用Scope.A1型金相显微镜观察试块的形貌和特征。

2、结果与讨论

2.1热震试验检测镀层附着力的原理

当材料经历温度变化时，其膨胀系数也会发生变化。对于镀层材料，附着于不同膨胀系数的基材上，在高温状态下，镀层相对于基材可能会发生膨胀或收缩，形成应变差，镀层附着力不足以承受应变差异发生在宏观尺寸上的变化，可能会导致镀层从基材上剥离或损坏。

在加热初期，表面镀层比心部基材升温快，因此镀层的膨胀大于基材的膨胀，此时镀层受压应力而基材受张应力；在冷却阶段，表面镀层比心部基材更易感知温度变化，镀层冷却速度快，基材冷却速度慢，因此镀层受张应力而基材受压应力[19,20,21]。加热及冷却阶段，镀层与基材之间形成温度梯度，不均一的加热/冷却速率使镀层与基材间产生应变，以此检验镀层与基材的结合力。

图1热震试验受力图

2.2热震试验对材料硬度的影响

表2为铝合金试块在不同热震条件下硬度。铝合金基体硬度为65 HV，表面银镀层硬度达122HV；经热震试验（190℃、30 min），随即空冷和水冷至室温，测定铝基体硬度均为60 HV，银镀层的硬度分别为121 HV、112 HV；经热震试验（190℃、2 h），随即空冷和水冷至室温，测定铝基体硬度分别为33HV、32 HV，银镀层的硬度分别为97 HV、90 HV。由表2可以看出，基体与镀层的硬度随保温时间的增加而减小，这是因为随着保温时间的延长，材料中的应力得到了松弛，硬度随之降低。保温时间达到既定时间后，采用空冷或水冷的冷却方式对基体硬度的影响无明显变化，而空冷后镀层硬度略大于水冷后镀层硬度。

表2试块在不同热震条件下硬度

2.3热震试验对材料组织的影响

图2为不同热震条件下银-铝复合材料截面的金相图。图2(a）为无镀层铝合金基体截面图，基体表面平整光滑；图2(b）为未经热震处理的银-铝复合材料，从图中可以看出，银层紧密沉积在铝合金机体表面；图2(c)～2(f）分别为热震试验190℃、30 min和190℃、2 h，随即空冷和水冷至室温后的组织状态，热震处理后表面银镀层状态无明显差别。

图2不同热震条件下材料垂直截面的金相图

图3为不同热震条件下铝合金基材的金相图。图3(a)～3(b）为无热震处理的基材组织，从图中可以看出，晶粒呈分散粒子状分布；图3(c)～3(d）分别为热震试验190℃、30 min，随即空冷和水冷至室温后的组织，由图可知，晶粒形态仍然呈现出分散粒子状，但晶粒大小有所减小且分布密度增加，这是由于铝合金基材在加热条件下，基材中杂质形核继而形成细小晶粒；图3(e)～3(f）分别为热震试验190℃、2 h，随即空冷和水冷至室温后的组织，由图可知，晶粒形态仍未改变，但晶粒有长大的趋势，这是因为随着加热时间的延长，原本细小晶粒在加热时间的影响下而长大。

图3不同热震条件下铝合金基材的金相图

2.4讨论和分析

由表2可知，相较于无热震处理的铝合金试样，热震试验190℃、30 min后空冷和水冷后表面银镀层的硬度存在差别，铝合金基体的硬度无明显变化。加热保温处理后，试样整体保持较高温度，将其置于空气下冷却，空气自然通过对流来散热的方式不会使材料温度急剧下降，有助于维持原有力学性能；而水冷是通过液体流动来散热，可以在短时间内将材料温度降低至较低水平，从而导致材料力学性能有所下降；因此，在热震试验后，采用空冷方式的材料的硬度高于水冷方式的材料的硬度。由图3可知，热震试验190℃、30 min后，基体组织晶粒细小且多，这部分细小且多的晶粒相较于原始粗大的晶粒来说，会使材料获得更高的强度和硬度；同时，由于加热的作用，材料中残存的应力得到了松弛，强度和硬度随之减小；在应力松弛和细晶强化的作用下，铝基体的硬度并没有明显变化。热震试验190℃、2 h后，铝基体和表面银镀层的硬度大幅下降，由图3可以看出，保温2 h后，基体组织由原本细小晶粒转变为较为粗大的晶粒，基体材料的强度和硬度降低；保温时间的延长使材料中的应力得到了充分的释放，因此导致了材料整体硬度的下降。

3、结论

(1）随着保温时间的延长，铝基体和银镀层硬度大幅降低；加热后空冷银镀层的硬度略高于水冷后银镀层的硬度。

(2）热震试验190℃、30 min后，铝基体晶粒细化；而热震试验190℃、2 h后，晶粒有长大趋势。

参考文献:

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