低碳钢表面化学镀银方法分析

范佳臻，田如锦，滕颖丽

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)



低碳钢表面化学镀银方法分析

范佳臻，田如锦，滕颖丽

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

采用置换法和直接还原法在低碳钢表面化学镀银.通过X 射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)研究了镀层的组织结构和表面形貌.结果表明，低碳钢表面均形成了镀银层，接触角明显提高.与置换法相比，直接还原法镀银层更致密均匀，但与基体结合强度略差.

低碳钢；化学镀；涂层；形貌；接触角

0 引言

作为一种面心立方晶体，金属银具有良好的导电性、抗氧化性、化学稳定性和塑性等优点.影响其广泛应用的主要因素是价格昂贵.金属表面镀银不仅能够充分发挥银的作用，还可以利用金属基体的功能，在某些特定情况下可以代替纯银，已经广泛应用于航空航天、光学仪表、电子通讯以及工艺品制作等领域.金属表面镀银的方法主要包括电镀[1]、化学镀[2- 7]、气相沉积法[8]等.尽管电镀可以获得结合良好的致密镀银层，但镀液中常含有氰化物，易引起严重环境污染，不利于大面积推广应用.与之相比，化学镀银工艺设备简单，不受基体材料形状和导电性限制[9].镀银层具有外观光亮、结构致密、厚度均匀等优点.然而，化学镀银时依然存在许多问题，如镀液稳定性差，易发生分解、失效，需要现配现用；难以避免的“银镜反应”；爆炸性的“雷银”事故等.低碳钢为碳含量低于0.25%的碳素钢，具有较高的强度、塑性和可焊接性，因价格低廉得以在冶金和化工等领域使用.但是，不足的耐磨性和耐蚀性在很大程度上限制了其在许多高端领域和特殊环境的应用.本文在保证银镀层与基体紧密结合的前提下，摒弃氰化物、甲醛等有害原料，以AgNO3为主盐，酒石酸钾钠为还原剂在低碳钢表面制备镀银层，探讨置换法和直接还原法对镀银层组织结构及表面形貌等方面的影响.

1 实验方法

实验所用低碳钢为市售20钢，其主要化学成分如表1所示，规格为Φ15 mm×20 mm.20钢试样用240～1 000#砂纸打磨以去表面油污和氧化物，然后机械抛光，并依次用蒸馏水和酒精清洗.

表1 20钢的化学成分 %

实验所用化学试剂为CuSO4·5H2O、酒石酸钾钠(C4H4KNaO6)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA- 2Na)、NiSO4·6H2O、NaOH、NaH2PO2·H2O、 Na2SO3、AgNO3、NH3·H2O(浓度为25%)和二巰基苯并咪唑，均为分析纯.

由于低碳钢本身不具备发生置换反应的条件，需对其表面进行预镀铜.一方面可以实现Ag+和Cu2+之间发生置换反应，另一方面，也有助于提高镀银层与基体间的结合力.镀铜时间为5 min，温度为60℃.直接还原法和置换法镀银温度为20℃，时间为30 min.

X射线衍射仪(D/MAX_Ultima+)用于化学镀银层的组织结构分析，X射线衍射选择Cukα辐射，管电压和管电流分别为40 kV和30 mA，扫描速度为2°/min.利用JSM- 6360LV扫描电子显微镜观察化学镀银低碳钢的表面形貌.接触角采用JC2000C1型接触角测量仪测量.

2 结果与讨论

图1为20钢化学镀银层的X射线衍射谱.显然，(111)、(200)、(220)和(222)4个衍射峰出现在直接还原法和置换法镀银的衍射谱中，经指数化标定均为面心立方结构的单质银，而没有出现铜或低碳钢的衍射峰.这表明X射线并没有穿透镀银层，即镀银层足够厚并将基体材料完全覆盖.同时，也没有检测到银氧化物的衍射峰，说明化学镀银过程中没有发生银氧化的现象.

图1 20钢镀银层的X射线衍射谱

表面形貌和缺陷是影响化学镀镀层的重要因素.良好的化学镀层应该表面均匀，没有麻点、裂纹、起皮等缺陷.直接还原法镀银后，20钢表面完全被镀银层均匀覆盖，没有观察到裂纹等缺陷，也不存在漏镀现象，如图2(a)所示.与直接还原法相比，置换法镀银层的表面形貌存在明显不同，如图2(b)所示.图中银晶粒不断长大，以球状沉积在20钢表面.值得注意的是，这些球状银晶粒按照一定的取向均匀排列.球状晶粒的特殊性导致镀银层结构不够致密，在某些局部微区存在漏镀的现象.但漏镀的区域非常少，以致于镀银层的X射线衍射谱中没有检测到铜或低碳钢的衍射峰.

(a)直接还原法 (b)置换法

Ag的电极电位为+0.799 V，与还原剂之间存在较大的电位差， 这说明Ag+更易于从镀液中还原为Ag.在本文中，酒石酸钾钠做为还原剂进行直接还原法镀银.由于轴向生长速度缓慢，镀银层以径向生长方式为主，形成叠层[5].这种生长方式直接决定镀银层与基体的良好结合和平整度.上述镀银层的表面形貌恰好对此进行了验证.Cu的电极电位为+0.344 V，比Ag的电极电位低.当预镀铜的20钢放入镀银液中，表面的铜和镀液中的银离子发生置换反应，即

由于镀银液对Cu2+十分敏感，易加速镀银液分解，最终导致其镀银层质量不及直接还原法.

图3为20钢直接还原法和置换法镀银的横截面.显然，直接还原法镀银层的厚度约为10μm.而置换法镀银时，20钢表面的预镀铜并没有全部被置换，最终形成的镀银层仅约为3μm.虽然两种方法所制备的镀层均与20钢基体间存在清晰的界面，但从结合强度上看，置换法镀银更好地实现了与20钢基体间的良好结合.

(a)直接还原法 (b)置换法

材料表面的浸润能力通常采用接触角进行表征.表面能越高，接触角越小，材料表现为亲水性；表面能越低，接触角越大，则表现为疏水性.20钢的接触角约为75.5°，如图4所示.图5为直接还原法和置换法化学镀银层的接触角.从图中可以看出，化学镀银后接触角明显增加，分别约为101°和105°.这意味着镀银层具有良好的疏水性，水分子难以被镀银层所吸附，可以有效抑制电化学腐蚀发生.

图4 20钢的接触角

(a)直接还原法 (b)置换法

综上所述，尽管直接还原法和置换法均可以实现在20钢表面化学镀银，但两种方法各有不足之处.为了获得良好的镀层表面质量和结合力，仍需对其镀制工艺参数不断调整，以实现其协同优化的目的.

3 结论

采用直接还原法和置换法均成功地实现20钢表面化学镀银，镀银层厚度分别约为10μm和3μm，并显著提高了20钢的接触角.从镀银层厚度和表面质量上看，直接还原法占据明显优势；相反，置换法镀银则在结合强度上略胜一筹，这是由其制备工艺特点所决定的.为获得质量和性能优良的镀银层，将对其镀制工艺参数进一步调整和优化.

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[9]钱苗根,姚寿山,张少宗.现代表面技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

Electroless Silver Plating on Low Carbon Steel

FAN Jiazhen,TIAN Rujin,TENG Yingli

(School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Ag coating is electroless plated by reduction and substitution methods,and the microstructure and surface morphology are analyzed by XRD and SEM.The results show that the Ag coatings are successfully deposited on the surface of low carbon steel.The contact angle of Ag coating with water is markedly increased.Especially,more dense and uniform Ag coating is prepared by reduction method,whereas the Ag coating prepared by substitution method is closely integrated with the low carbon steel.

low carbon steel;electroless silver plating;coating;morphology;contact angle

1673- 9590(2016)02- 0111- 03

2015- 08- 25

范佳臻(1989-)，男，硕士研究生;田如锦(1972-)，女，副教授，博士，主要从事燃料电池、金属腐蚀与防护、表面工程等研究E-mail:trj@djtu.edu.cn.

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