钴离子和镍离子用量对电镀硬金层显微硬度和电接触性能的影响

杜岩滨;李卫平;朱立

【摘要】为了在提高零件表面金层硬度的同时不降低表面电接触性能,在普通镀金液中加入0.2 ～ 0.6 g/L钴或0.1 ～ 0.5 g/L镍离子,电镀得到了金黄的Au?Co合金镀层(Co质量分数为0.1% ～ 0.7%)和Au?Ni合金镀层(Ni质量分数为0.2% ～ 1.6%),其显微硬度分别为150 ～ 190 HV和170 ～ 250 HV.2种硬金层都均匀、细致,结合力良好,接触电阻低于2 mΩ.降低黄铜基体的表面粗糙度有利于降低硬金层的接触电阻.%To improve the hardness of a component without reducing its surface electrical contact performance, 0.2-0.6 g/L of cobalt ions or 0.1-0.5 g/L of nickel ions were added to a normal gold electroplating bath, from which an Au?Co alloy coating containing 0.1-0.7wt.% Co or an Au?Ni alloy coating containing 0.2-1.6wt.% Ni in golden color was obtained. The microhardness was 150-190 HV for the former and 170-250 HV for the latter. Both hard gold coatings were uniform and compact with a good adhesion, and a contact resistance 2 mΩ below. The decrease in surface roughness of brass substrate facilitated to reduce the contact resistance of hard gold coatings.

电容手套

【期刊名称】《电镀与涂饰》

【年(卷),期】2019(000)013

【总页数】4页(P637-640)

【关键词】黄铜;电镀;硬金;金−钴合金;金−镍合金;显微硬度;接触电阻

【作者】杜岩滨;李卫平;朱立

【作者单位】信维创科通信技术(北京)有限公司,北京 100176;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083

【正文语种】中文

【中图分类】TQ153.2

金镀层具有接触电阻低、焊接性好、延展性佳，耐腐蚀、耐磨、抗变等优点[1-2]，已成为电子元器件、印制电路板、集成电路、连接器、引线框架、继电器、波导器、高可靠开

关等不可缺少的镀层[3-4]。此外，由于反射性(尤其是红外线反射功能)优良，因此金镀层可用于火箭推进器、人造卫星及火箭追踪系统等航空航天领域[5-6]。

从普通镀金液中获得的纯金层较软，往往通过向其中添加少量锑、钴、镍等金属离子来提高镀金层的硬度[7-9]。一般而言，纯度在99.9%(指Au 的原子分数，下同)的纯金层是晶态结构，其维氏硬度低于90 HV；纯度低于99.8%的硬金层的维氏硬度高于100 HV，属细晶结构；超硬金层的纯度则低于95%，维氏硬度在200 ～ 500 HV 之间，一般为非晶态结构。

槐木可以做防腐木吗对于电连接器、电接插件等的滚动、滑动零件(如滑环)而言，既要求表面有良好的导电性(低接触电阻)，又要求具有高硬度和耐磨性[10-12]。因此，常向镀金液中添加镍离子或钴离子，以获得硬金层来满足上述要求[13-14]。本文探讨了镀金溶液中分别加入不同用量钴离子和镍离子对硬金镀层显微硬度和电接触性能的影响，为推动功能性镀硬金技术在耐磨、低接触电阻等方面的应用打下技术基础。

1 实验

1.1 电镀硬金工艺

基材为H62 黄铜合金圆环，外径30 mm，内径29.4 mm，厚度3 mm。其表面经过机械加工磨光处理，分别控制表面粗糙度Ra 为0.5 μm 和0.8 μm。

考虑到铜合金直接接触金层存在扩散问题，因此先进行普通瓦特镀镍(厚度约1 μm)，然后镀纯金或者硬金。具体工艺流程为：机械磨光→除油→水洗2 道→酸活化→水洗2 道→去离子水洗→预镀镍→水洗2 道→去离子水洗→镀硬金或纯金(纯金镀液中不含钴离子或镍离子)→水洗回收→水洗2 道→吹干。

镀金液组成和工艺条件为：金配合物10 ～ 20 g/L，钴离子0.2 ～ 0.6 g/L 或镍离子0.1 ～ 0.5 g/L，复合配位剂(以柠檬酸为主配位剂)40 ～ 80 g/L，pH 调节剂适量，pH 4.5 ～ 5.5，温度25 ～ 35 °C，电流密度0.1 ～0.3 A/dm2，时间1 h。

线圈电磁铁

1.2 性能检测

采用日本RH-2000 三维视频显微镜观察镀金层的断面并测量厚度。采用JEOL JSM-7500F 扫描电镜(SEM)观察镀层表面形貌，并采用附带的能谱仪(EDS)分析镀层的成分(以质量分数计)。采用日本FM-800 显微硬度计测量镀金层的显微硬度，载荷10 g，加载时间15 s。

按照GB/T 5270-1985《金属基体上的金属覆盖层(电沉积层和化学沉积层)附着强度试验方法》，采用热震试验法测试镀金层的结合力。将试样置于250 °C 的烘箱保温5 ～ 10 min，再放入室温自来水中，如此循环20 次，镀层无起泡、脱落等现象表示结合力合格，否则为不合格。

采用JK2511 型直流低电阻测试仪检测硬金层与不同镀层材料之间的接触电阻。

2 结果与讨论

2.1 Co2+和Ni2+用量对硬金层性能的影响

2.1.1 硬金层的Co、Ni 含量

在含0.2 ～ 0.6 g/L 钴离子或0.1 ～ 0.5 g/L 镍离子的硬金镀液中电镀1 h 就可在黄铜片表面获得厚度为3 ～ 5 μm 的Au-Co 或Au-Ni 合金镀层，外观均匀、细致，呈金黄。从表1 可知，随镀液中钴离子或镍离子含量升高，镀层的镍含量或钴含量均升高。

表1 Co2+和Ni2+用量不同时硬金层的钴或镍含量Table 1 Cobalt and nickel contents in har

d gold coatings prepared at different dosages of Co2+ and Ni2+Au-Co 合金 Au-Ni 合金ρ(Co2+)/ (g·L-1) w(Co)/ % ρ(Ni2+)/ (g·L-1) w(Ni)/ %0.2 0.07 ～ 0.11 0.1 0.22 ～ 0.25 0.4 0.36 ～ 0.38 0.3 1.30 ～ 1.32 0.6 0.65 ～ 0.69 0.5 1.59 ～ 1.61

2.1.2 硬金层的显微硬度

从表2 可以看出，随镀液中Co2+的质量浓度从0.2 g/L 升至0.6 g/L，Au-Co 合金镀层的显微硬度从150 HV 增大到180 HV 左右。Au-Ni 合金镀层的显微硬度比Au-Co 合金镀层高一些，这对提高耐磨性有利。应根据使用环境来选择Au-Co 或者Au-Ni 合金镀层。

表2 Co2+和Ni2+用量不同时硬金层的显微硬度Table 2 Microhardness of hard gold coatings prepared at different dosages of Co2+ and Ni2+Au-Co 合金 Au-Ni 合金ρ(Co2+)/ (g·L-1) 显微硬度/ HV ρ(Ni2+)/ (g·L-1) 显微硬度/ HV 0.2 147 ～ 152 0.1 174 ～ 193 0.4 157 ～ 163 0.3 204 ～ 210 0.6 165 ～ 190 0.5 241 ～ 247

丙烯运输2.1.3 硬金层的微观形貌

从图1 可以看出，随镀金液中钴离子或镍离子质量浓度增大，所得Au-Co 合金镀层和Au-Ni

合金镀层的结晶变得更细致，这有利于提高镀层的表面硬度。

2.2 预镀镍/电镀硬金组合镀层的结合力

按照GB/T 5270-1985，分别对从含0.4 g/L 钴离子或0.2 g/L 镍离子的镀液中所得Au-Co 合金(Co 的质量分数为0.36% ～ 0.38%)和Au-Ni合金(Ni的质量分数为0.46% ～ 0.52%)镀层进行20次热震循环试验。结果显示，零件表面的镀层无起泡、脱落等现象。从图2 也可以看出，经20 次热震循环之后Ni/Au-Co组合镀层之间依旧结合得非常牢固，说明镀层的结合力良好。

图1 Co2+和Ni2+用量不同时所得硬金层的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of hard gold coatings prepared at different dosages of Ni2+ and Ni2+

图2 Ni/Au-Co 组合镀层经20 次热震循环试验后的断面形貌Figure 2 Cross-sectional morphology Ni/Au-Co composite coating after thermal shock test for 20 cycles

2.3 电镀硬金的电接触性能

搅拌头

烘干炉文献[15]指出，纯金层与Au-Co、Au-Ni 合金镀层除了显微硬度不同外，电阻率和表面接触电阻也有差异。纯金镀层的电阻率为2.4 μΩ·cm，接触电阻为0.3 mΩ；含钴0.5%的金钴合金的电阻率为15 μΩ·cm，接触电阻为0.6 mΩ；含镍0.7%的金镍合金的电阻率为11 μΩ·cm，接触电阻为0.3 mΩ。

表3 是本文测试得到的接触电阻结果，Au-Co 合金和Au-Ni 合金镀层与黄铜基体和纯金镀层之间都具有低的表面接触电阻，都满足铜合金零件表面镀金合金层接触电阻低于2 mΩ 的使用性能要求。

从表4 可以看出，黄铜基体表面的粗糙度较大时，其表面与硬金层的接触电阻也较大。可见，尽管黄铜基体表面预镀了一层薄镍(1 μm 左右)，但黄铜基体的表面粗糙度仍然会影响硬金层的表面电接触。

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