摘要：文章利用直流电沉积制备了均质纳米结构Cu-3Ag合金，旨在研究不同低温退火温度对其摩擦磨损性能的影响。结果表明，退火后晶体有序度提高，且相较沉积态的NG Cu-3Ag，退火后的试样主要为磨粒磨损，具有更低磨损率及摩擦系数，其中以300℃退火后综合抗磨表现为最优，磨损率可达0.98×10-6mm3/Nm，有望对高强度电气电子领域的发展提供支撑。

　　关键词：退火温度；耐磨性；电沉积；Cu合金

　　铜（Cu）由于具有良好的导电导热特性，在电气电子领域备受关注，但由于其耐磨性的不足导致了在特殊工况下的应用受限。目前，通过合金化，加入其他金属元素成为提高其强度和耐磨性的有效途径［1］，基于现有研究成果，添加银（Ag）元素能够在合金中产生固溶强化效应，提高整体的强度和硬度。此外，Ag的润滑作用能有效降低摩擦系数，促进表面形成氧化膜，改善黏着与磨粒磨损的发生［2］。

　　为提高Cu合金的综合性能，常通过冷轧［3］、机械研磨［4］等工艺作用于合金，形成纳米结构，使其具备优异的力学性能。Fang等人［5］利用塑性变形在纯铜上形成梯度纳米晶层，发现具有该层的试样屈服强度提高了近一倍。Chen等人［2］利用表面机械研磨处理成功在Cu-Ag中制备出梯度纳米结构层，并在30000多周的摩损过程中保持摩擦系数一直处于较低水平。然而，纳米结构Cu-Ag合金性质常受限于Ag析出物、晶粒大小及杂质等特征，尽管利用塑性变形法制成的纳米结构Cu-Ag表现出优异性能，但制备出平均厚度小于100μm的薄箔状纳米结构Cu-Ag合金仍存在一定的技术难度，这无疑限制了其在电气电子领域的更深拓展。

　　电沉积作为常用的合金制备手段之一，因工艺简单、结构可控而受到重视，封旭佳等人［6］用脉冲电沉积制备出致密Cu-WC复合镀层，表现出良好的抗摩擦磨损性能。因此，可以通过灵活调整电流密度与沉积时间来获得具有致密纳米结构层的Cu合金，再通过合适的低温退火处理，使合金发生固相转变且均匀性得到改善，在一定程度上提高合金耐磨性能。文章主要采用直流电沉积加低温真空退火的方式制备不同温度的小晶粒尺寸Cu-Ag合金，表征其物相性质并讨论了不同退火温度对小晶粒尺寸Cu-Ag合金耐磨性能的影响。

　　1实验部分

　　1.1试样制备

　　文章制备纳米结构Cu-Ag主要用单槽电沉积技术制备，其所用电沉积装置如图1所示，主要由直流电源、恒温磁力搅拌器及电镀槽三部分组成，其中槽体为500mL的烧杯，恒温磁力搅拌器保持转速为0rpm，温度恒定在50℃,实验过程保证直流恒定供电。

　　1.1.1准备工作

　　（1）电极：切出尺寸为5mm×50mm×140mm的铜板作阳极，1mm×30mm×30mm的镍板作阴极，进行表面打磨且超声清洗后晾干。再将阳极以无纺布包裹并于短边侧焊接铜导线，阴极则经冷镶后进行细磨至无划痕后冲洗备用，且两电极用前需再经稀硫酸清洗。

　　（2）电镀溶液：先溶解KI、KNO3、AgNO3，后溶解K4P2O7和CuSO4·5H2O，共配制500mL电镀溶液最后加入硫脲（TU）。

　　1.1.2沉积实验

　　镀液中置入处理好的阴阳极，以10mA/cm2的电流密度沉积2h，用以获得文章所述均质纳米结构Cu-Ag合金镀层。

　　1.1.3低温真空退火

　　为防止所得Cu-Ag在低温退火过程发生氧化，将试样装入石英管通氩气后用火焰熔封机密封，并置入科晶智达公司OTF-1200X型管式炉中以200℃、250℃、300℃下进行60min等时退火。

　　1.2实验方法

　　文章采用日立公司SU8010扫描电镜（SEM）配备的X射线能谱仪Oxford，表征电沉积Cu-Ag合金的Ag含量，设置1.4nA为电流，15kV为加速电压，试样选5块不同区域测试并取均值；用理学公司的Rigaka D/MAX 2400X的X衍射分析仪进行物相分析；用FEI公司的Talos F200X型透射电镜（TEM）观察晶粒。

　　摩擦磨损实验采用美国RTEC BMT-5000型试验机进行，先将试样切割为10mm×10mm小块，经清洗晾干后用502胶水固定于Φ30mm圆形金属板心。对磨副使用Φ6mm的Wc-Co小球，并以2Hz频率，10N载荷，3mm的摩擦半径干摩擦1h，实验中摩擦系数由试验机自行记录，实验结束用实验机配置的三维白光干涉仪及日立公司SU8010扫描电镜拍摄磨损形貌。

　　2结果与讨论

　　2.1能谱与物相分析

　　使用能谱仪对电沉积制备的纳米结构Cu-Ag合金镀层成分分析，结果如图2所示。图2中含有两类元素，其中Cu峰强度高为主要元素，Ag特征峰较弱，含量读出值为3%。该试样为焦硫酸钠镀液中添加0.1M的25mL/L硝酸银时通过直流电沉积所得，说明了控制镀液中硝酸银可以调控Ag含量。

　　对前文所述试样进行XRD测试，结果如图3所示，沉积态及不同温度退火后的纳米结构Cu-3Ag合金均具有面心立方晶体结构，对比可知，其（111）与（220）晶面对应的衍射峰强度升高、半高宽变窄，说明在退火中发生了晶体取向的择优生长，晶体有序度提升，同时伴随晶粒长大现象，且该现象在300℃退火条件下最为显著，推测合金中可能形成了富Ag第二相与富Cu基体共存的组织。TEM观测结果如图4所示，电沉积态Cu-3Ag合金呈现多晶性，其选区电子衍射（SAED）图谱中出现较弱的Ag（111）晶面衍射环。经统计计算，电沉积纳米结构Cu-3Ag晶粒均值尺寸约为3.8nm，如图5所示。根据上述结论，下文将电沉积所得的纳米结构Cu-Ag记为NG Cu-3Ag，图注中统一简写为Cu-3Ag。不同温度退火后的试样则直接以退火温度命名，如200℃退火后即命名为200℃。

　　2.2摩擦磨损性能分析

　　对文章中的沉积态与不同温度退火的NG Cu-3Ag进行摩擦磨损测试，如图6所示，在10N载荷、120rpm转速条件下，退火后的NG Cu-3Ag平均摩擦系数与磨损率均低于沉积态NG Cu-3Ag，这可能由于退火析出较多分散富Ag相，这部分富Ag颗粒会由摩擦之初逐渐转移至摩擦界面，形成Ag润滑膜对干摩擦起到积极作用，其中300℃退火后磨损率最低，为0.98×10-6mm3/Nm，且摩擦系数于3000周次之前保持最低水准达0.22左右，之后逐渐增加，与200℃、250℃退火试样干磨时系数表现规律类似，这可能与摩擦周次的增加导致富Ag相剥落有关。

　　如图7所示，低温退火后NG Cu-3Ag相较于退火前试样，在磨痕深宽中均表现较为优异，且磨痕沟壑光滑，说明耐磨性得到了改善。为进一步探究磨损机理，进行SEM观察发现NG Cu-3Ag表面伴随部分磨屑堆积，且同时存在较大的局部剥落与梨沟，主要发生了磨粒磨损与剥层磨损，退火后试样耐磨性能改善，主要表现为大剥落层及磨坑消失，少部分磨粒于试样表面形成塑性梨沟，且250℃、300℃相比200℃试样梨沟深度明显变浅，磨粒减少，耐磨性能更好。

　　3结论

　　综上所述，文章利用直流电沉积通过调控镀液中硝酸银的含量，成功制备出均质的纳米结构Cu-3Ag合金；将上述制备中的试样进行200℃、250℃、300℃的退火后发现试样发生了晶体取向的择优生长，使晶体有序度提高。同时，探究了退火温度对摩擦的影响。结果表明，低温退火后的试样干摩擦主要为磨粒磨损的机制，耐磨性能提高，拥有更低的磨损率及摩擦系数，300℃退火试样磨损率可达0.98×10-6mm3/Nm。

参考文献

　　［1］张县委，方梅，肖柱，等.高强耐磨Cu-Ni-Sn合金的应用和发展趋势［J］.中国有色金属，2024（15）：64-65.

　　［2］Chen X，Han Z，Li X，et al.Friction of stable gradient nano-grained metals［J］.Scripta Materialia，2020（185）：82-87.

　　［3］马映璇，贾淑果，张朝民，等.时效对冷轧态Cu-Cr-（Sc）合金组织和性能的影响［J］.材料热处理学报，2023，44（7）：74-81.

　　［4］韩忠，卢柯.纯铜纳米晶表层摩擦磨损性能研究［J］.中国科学（G辑：物理学力学天文学），2008（11）：1477-1487.

　　［5］Fang HT，Li L W，Tao R N，et al.Revealing Extraordinary Intrin-sic Tensile Plasticity in Gradient Nano-Grained Copper［J］.Sci-ence，2011，331（6024）：1587-1590.

　　［6］封旭佳，孙浩，高晨静，等.钛合金脉冲电沉积Cu-WC复合镀层的硬度与摩擦磨损性能［J］.电镀与精饰，2024，46（11）：58-66.