一种以Ni-P合金层为界面阻挡层的Cu/Al复合板的制备方法

摘要

本发明公开了一种以Ni‑P合金层为界面阻挡层的Cu/Al复合板的制备方法，该方法是将Al材放置在30‑50℃的碱性水溶液浸渍1‑3 min；然后在酸性出光溶液中处理10‑15 s；取出后立即放置于70‑90℃化学镀Ni‑P溶液中处理25‑35 min；最后在酸性镀Cu溶液中快速电镀Cu，每个步骤之间均用水清洗2‑4次，本发明不仅可实现复杂形状Al材表面电镀包覆厚Cu层，界面结合强度高、环保、毒害少、工艺简单，且可长期高温运行状态下抑制Cu/Al界面原子扩散及反应，保持Cu/Al复合板电力金具界面结构及性能的稳定，实现在输变电线路中长期服役的目标。

说明书

技术领域

本发明技术涉及电力金具的制备技术，具体涉及一种以Ni-P合金层为界面阻挡层 的Cu/Al复合板电力金具的电镀制备方法。

背景技术

电力金具是连接和组合电力系统中各类装置、传递机械、电气负荷及起某种防护 作用的金属附件，在输变电线路运行中起着重要的作用。变电站用金具大多采用Cu、Al材 质。但是Cu资源贫乏，为稀缺金属，属于战略资源，成本高。而Al资源丰富，质轻，价格便宜， 因此，研发一种以Al为基体，复合一层Cu，构成Cu/Al复合层板电力金具，不仅可节约大量的 Cu材，而且便于实现变电站变压器Cu出线端与Al导线的过渡连接，在输变电系统中十分常 用。

目前，Cu/Al复合板电力金具的制备主要采用Cu、Al板直接焊接或采用Sn-Pb钎焊 的方式连接，这些制备方法的不足之处主要有二：1）通常只能实现Cu、Al平板的复合，复杂 形状层板间（如圆弧或异形曲面）复合的难度大，甚至无法实现。2）不论是直接焊接，还是 Sn-Pb钎焊的Cu/Al复合板电力金具在制备及实际服役过程（带电状态下电阻发热）中，Cu/ Al界面或Cu、Al与Sn-Pb钎料间发生界面反应，形成Cu-Al或Cu-Sn金属间化合物层，导致Cu/ Al复合板界面组织结构变化，界面结合强度降低，甚至开裂，同时，界面电阻增大，导致Cu/ Al复合板电力金具在高压运行状态下过热失效，甚至烧毁。孙勇等[孙勇,沈黎,刘兵. 铜-铝层状金属复合材料界面反应研究.中国材料研讨会论文集,2002:1798-1803]研究 表明，经过轧制制备的Cu/Al层状板在300℃保温5min时，在结合界面有CuAl₂相生成，时间 延长以及温度提高，还会形成Cu₉Al₄相，导致界面结合强度降低。汤晓磊等[汤晓磊,陈国 宏,汤文明等.时效对平面接触型Cu/Al设备线夹组织结构及性能的影响.理化检验(物 理分册)，2014，50:169-174]发现，采用Sn-Pb钎料制备的Cu/Al复合板电力金具在150℃时 效过程中，形成了由Cu₆Sn₅及Cu₃Sn构成的金属间化合物层，导致界面脆性增加，电阻率增 大。

电镀技术工艺简单、镀层厚度可以<<1μm到>100μm范围内可调，界面结合强度 高。更重要的是，可在复杂形状金属基底表面形成均匀镀层，制备复杂形状的层状复合材 料，电镀制备Cu/Al复合材料通常采用先在Al基体表面二次浸Zn处理后再二次（碱性镀Cu打 底+酸性镀厚Cu层）电镀Cu工艺制备，不仅工艺复杂，而且在高温条件下，中间Zn层向Cu层中 扩散，导致Zn层逐渐消失，对Cu/Al界面原子扩散的抑制作用减弱并最终消失，从而形成Cu- Al金属间化合物层，致使Cu/Al复合材料的界面结合强度降低，电阻增大，易造成热失效。因 此，开发出一种既可具有复杂形状，也可通过设置稳定中间层，保证在长期高温运行过程中 抑制Cu/Al界面扩散或反应的新型Cu/Al复合板电力金具及其制备方法尤为重要。

发明内容

本发明提供一种新的技术方案，该方案不仅有助于实现复杂形状Al材表面包覆Cu 高，而且界面结合牢固，长期暴露于高温下界面稳定，无明显界面原子扩散及反应，并且环 保、毒害少、工艺简单，提高服役寿命，大大改善Cu/Al复合电力金具的运行状态。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种以Ni-P合金层为界面阻挡层的Cu/Al复合板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将Al材放置在碱性水溶液浸渍处理。所述碱性水溶液为含有Na离子的溶液。所 述碱性水溶液的温度为30-50℃之间，Al材放置在碱性水溶液中的浸渍处理时间在1-3min 之间。

步骤2：将由步骤1获得的经过碱性水溶液处理的产物，用水清洗2-4次后，放入酸 性出光溶液中处理10-15s，获得经过酸性出光溶液处理的产物。

步骤3：将由步骤2获得的经过酸性出光溶液处理的产物，用水清洗2-4次后，立即 放置于化学镀Ni-P溶液中处理，获得经过化学镀Ni-P溶液处理的产物。

所述化学镀Ni-P溶液为含有Ni离子和P离子的溶液。

所述化学镀Ni-P溶液的温度为70-90℃之间，放置在化学镀Ni-P溶液中的反应时 间在25-35min之间。

步骤4：将由步骤3获得的经过化学镀Ni-P溶液处理的产物，用水清洗2-4次后，放 在酸性镀Cu溶液中快速电镀Cu，最终获得成品。

进一步说，其特征在于，在步骤1中，所述的Al材为市售工业纯Al或Al合金。

进一步说，在步骤1中，所述的碱性水溶液的成分为NaOH与Na₂CO₃的混合溶液。

在每升水溶液中，含有NaOH5-15g，Na₂CO₃2-7g。优选的方案是：在每升水溶液 中，含有NaOH10g，Na₂CO₃3g。

进一步说，在步骤2中，所述的酸性出光溶液的成分为HNO₃的水溶液。在每升水溶 液中，含有HNO₃400-600ml。优选的方案是：在每升水溶液中，含有HNO₃500ml。

进一步说，在步骤3中，所述的化学镀Ni-P溶液的组分为NiSO₄?6H₂O、NaH₂PO₂?H₂O、 Na₃C₆H₅O₇?2H₂O40-60g/L的混合溶液。

在每升水溶液中，含有NiSO₄?6H₂O25-35g，NaH₂PO₂?H₂O15-25g，Na₃C₆H₅O₇?2H₂O 40-60g。优选的方案是：在每升水溶液中，含有NiSO₄?6H₂O30g，NaH₂PO₂?H₂O20g， Na₃C₆H₅O₇?2H₂O50g。

所述的化学镀Ni-P溶液的pH值为4-6。

进一步说，在步骤4中，所述的酸性镀Cu溶液的组分为CuSO₄?5H₂O、浓硫酸、浓盐 酸、开缸剂、填平剂、光亮剂的混合溶液。

在每升水溶液中，含有CuSO₄?5H₂O200-220g，98%的浓硫酸50-60g，37%的浓盐酸 80-90mg，开缸剂8-10ml，填平剂0.4-0.5ml，光亮剂0.2-0.3ml。优选的方案是：在每升 水溶液中，含有CuSO₄?5H₂O200g，98%的浓硫酸50g，37%的浓盐酸80mg，开缸剂8ml，填平 剂0.4ml，光亮剂0.2ml。

所述浓硫酸的浓度为98%，浓盐酸的浓度为37%。

进一步说，开缸剂牌号为CUSPIRIT^?的STAR-680C，填平剂牌号为CUSPIRIT^?的 STAR-680A，光亮剂牌号为CUSPIRIT^?的STAR-680B。

进一步说，在步骤4中，以磷铜、或无氧铜的板或球为酸性镀Cu溶液的阳极。阳极电 流密度为4-6A/dm²。

进一步说，所述的水洗是采用去离子水、纯净水或蒸馏水中的一种或几种清洗2-4 次。水洗的温度为60-80℃或常温。

进一步说，本Cu/Al复合板的制备方法能够实现平板复合、圆弧或异形曲层板间的 复合。

电镀Cu层的厚度为0.2~100.0μm，电阻率为1.0×10^-8~3.10×10^-8Ω·m。

本发明的有益效果

本发明提出了采用在Al材表面电镀厚Cu层，并在Cu/Al界面构建Ni-P合金层为界面阻 挡层，解决了采用传统工艺的Cu/Al复合电力金具在制备、使用过程中遇到的难题。

本发明提出一种新的技术方案，在Al材表面电镀Cu层，可实现复杂形状的Al材表 面包覆Cu，且界面结合强度高、环保、毒害少、工艺简单。本方案以Ni-P合金层为界面阻挡 层，完全抑制Cu/Al复合板电力金具长期暴露于高温下的界面原子扩散及反应，改善电力金 具的运行状态，提高服役寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1中电镀法制备Cu/Al复合板截面照片。

图2为本发明实施例2中Cu/Al界面的BSE-SEM图像。

图3为本发明实施例2各成分的线扫描谱图。

具体实施方式

一种以Ni-P合金层为界面阻挡层的Cu/Al复合板的制备方法，该方法是将Al材放 置在30-50℃的碱性水溶液浸渍1-3min。然后在酸性出光溶液中处理10-15s。取出后立即 放置于70-90℃化学镀Ni-P溶液中处理25-35min。最后在酸性镀Cu溶液中快速电镀Cu，每 个步骤之间均用水清洗2-4次。所述的Al材为纯Al或Al合金。所述的碱性水溶液的成分为 NaOH5-15g/L，Na₂CO₃2-7g/L。所述的酸性出光溶液为40-60vol%HNO₃水溶液。所述的化 学镀Ni-P合金溶液的组分为NiSO₄?6H₂O25-35g/L，NaH₂PO₂?H₂O15-25g/L，Na₃C₆H₅O₇? 2H₂O40-60g/L。溶液的pH值为5-6。所述的酸性镀Cu溶液的成分为CuSO₄?5H₂O200-220g/ L，98%的浓硫酸50-60g/L，37%的浓盐酸80-90mg/L，开缸剂8-10ml/L，填平剂0.4-0.5 ml/L，光亮剂0.2-0.3ml/L。酸性镀Cu以以磷铜、或无氧铜的板或球为阳极，阳极电流密度 为4-6A/dm²。所述的水洗是采用60-80℃或常温的去离子水、纯净水或蒸馏水中的一种或 几种清洗2-4次。所述的Cu/Al复合板可实现平板复合或复杂形状层板间（如圆弧或异形曲 面）的复合。

实施例1：

1)Al材成分：0.35%Fe，0.25%Si，0.05%Cu，0.03%Mg，0.05%Zn，0.03%Mn，0.03%Ti，0.05% V，Al余量。

2)Al材表面处理：Al板线切割成尺寸为40mm×15mm×3mm，用SiC砂纸从280目 打磨至600目后抛光，抛光液选用Al₂O₃悬浮液。然后用无水乙醇超声清洗10min。

3)Al材表面碱蚀出光处理：NaOH1g和Na₂CO₃0.5g添加入100ml的去离子水中配 制成碱蚀溶液，然后放置在水浴锅中恒温至40℃。取30ml69vol%的浓硝酸与20ml去离 子水混合配制成酸性出光溶液。将2）清洗后的Al片浸渍在40℃的碱蚀液中1min，取出后先 用80℃的热水洗再用室温去离子水清洗，然后置于室温下的酸性出光溶液中10s，此时，取 出的Al片表面呈金属光泽，继续用2次去离子清洗。

4)Al材表面化学镀：分别取NiSO₄?6H₂O3g，NaH₂PO₂?H₂O2g，Na₃C₆H₅O₇?2H₂O3 g，加入到100ml的去离子水中搅拌溶解，然后用10%的H₂SO₄溶液调节其pH值至5，配制成化 学镀Ni-P溶液，放置于85℃的水浴锅中恒温处理。将3）处理后的Al片放置于化学镀Ni-P溶 液中浸渍25min，此时，Ni-P合金厚度约为3μm，取出后2次离子水清洗。

5)Al材表面电镀Cu：取CuSO₄?5H₂O55g于250ml的去离子水中搅拌溶解，然后滴入 98%的浓硫酸8.15ml，37%的浓盐酸0.05ml，开缸剂2.5ml，填平剂0.1ml和光亮剂0.05 ml，配制成酸性镀Cu溶液，然后放置在磁力搅拌器上，室温下转速为1000r/min。将4）处理 后的试样夹持在电镀整流器的阴极，阳极为磷铜板，带电操作将阴阳极同时浸渍在Cu溶液 中，电流密度为4A/dm²，时间1h。

6)制备的Cu/Al复合板表面Cu层的厚度为110μm，电阻率为2.9×10^-8Ω·m。

实施例2

本实施例是将实施例1制备出的Cu/Al复合板放置于OTF-1200X型管式炉中，在200℃下 保温360h，热处理过程在流动的H₂气氛保护下进行，气体流速为100mlmin^-1，保温结束后 随炉冷至室温。Cu/Al复合板取出后将将其沿垂直于Cu/Al界面的方向切开，研磨、抛光后， 采用HitachiSU8020场发射扫描电子显微镜观察其背散射电子像(BSE)，评价其界面状态。 长时间热处理后Cu/Al复合板的Cu/Ni-P/Al界面清晰可可辨，未见Cu-Al金属间化合物形 成。且界面处各成分的线扫描成分分布测试表明，Ni-P合金层保持完好，无Cu、Al互扩散现 象发生。

经过200℃下保温360h热处理的Cu/Al复合板电阻率为3.1×10^-8Ω·m。