CN106978586A - 一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，包括制备铜钨合金触头材料作为基底材料；机械抛光、清洗烘干；放入真空腔体中在氩气气氛下利用铬靶、镍靶或钛靶在基体上沉积铬层、镍层或钛层；利用铜靶、钨靶在沉积有铬层、镍层或钛层膜层的基底上继续共沉积铜‑钨镀层，得到具有一定膜厚的铜钨‑钨镀层；在惰性气体与氢气的混合气氛保护中退火，随炉冷却，取出样品，即得铜钨电触头材料表面镀层。这种两相纳米级均匀分布的结构可极大改善烧蚀均匀性和降低烧蚀坑深度，提高使用寿命；同时所具有的纳米晶钨骨架可以提高耐电弧烧蚀能力。本方法设备简单操作方便，效果明显，具有良好的工业化应用前景。

Description

一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法

技术领域

本发明涉及一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，使用磁控溅射分别在铜钨电触头材料基底表面沉积X打底层和铜钨镀层，镀层与基底结合良好，具有纳米级的两相尺寸，且可以降低触头表面粗糙度，显著改善灭弧室用电触头材料的电弧烧蚀均匀性，提高耐电弧寿命，属于材料表面处理和改性技术领域。

背景技术

灭弧室是中高压电力开关的核心部件，其主要作用是灭弧介质优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速的熄弧并抑制电流，从而避免事故和意外的发生。铜钨电触头材料是各类中高压开关灭弧室的核心材料，因其结合了铜在电弧烧蚀作用下的“发汗”现象来吸收电弧能量，降低电弧温度，和钨骨架较高的熔点、高温强硬性及耐电弧侵蚀的能力而广泛应用于各种断路器灭弧室中。灭弧室由于其机械结构复杂、绝缘介质为真空或者保护气，安全性要求较高，因此造价比较昂贵且固定时间就得及时更换保证电网安全。这是由于其中触头材料会直接面对电弧烧蚀，相比于灭弧室的其他部件，一定服役时间后其损耗严重，往往是最早失效的部位，进而造成整个灭弧室的报废，造成极大浪费。因此改善其触头材料表面的电弧烧蚀均匀性、电弧稳定性和耐电弧强度对灭弧室的使用寿命和可靠性至关重要。随着我国“西电东输”战略的实施，高压、特高压输电网络的大规模建设，并且随着电力***规模的扩大和电力市场的发展，对断路器灭弧室的可靠性和稳定性也提出了越来越苛刻的要求，除了发展更好的灭弧室机械结构、绝缘介质及磁吹灭弧结构之外，亟需提升灭弧室的核心——铜钨触头材料的综合性能：即具有良好的电弧烧蚀均匀性、稳定性和高的耐电弧寿命。

而目前灭弧室用铜钨合金的制备方法主要集中在粉末冶金领域，使用铜粉、钨粉及其他添加剂经混粉后通过不同的烧结方法直接进行烧结成型，如热压烧结、冷(热)等静压烧结、脉冲等离子体电火花烧结；工业生产中最常用的是熔渗法，熔渗法工艺相对简单，而且可以得到相对较高的致密度。以上粉末冶金方法制备的灭弧室用铜钨触头材料存在两个问题：1.粉末冶金工艺过程中的粉体质量、粒径、混粉、制粒、烧结均对最终的相组织分布有很大影响，极易在烧结后出现相组织不均匀、某一相聚集过大而直接暴露在灭弧室中的电弧作用之下，导致在前期开断过程中电弧的集中、选择性烧蚀，在局部形成大的烧蚀坑从而进一步恶化材料的稳定性和使用寿命；2.粉末冶金复合材料经机加工后往往会配合机械抛光工艺改善其表面平整度，但经机械抛光后表面粗糙度Ra一般在0.5um以上，这种粗糙的表面在灭弧室中极易引起电弧异常放电、局部烧蚀从而恶化性能，造成材料过早失效，进而导致灭弧室的报废。“一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法”(专利号CN101886237 A)提出使用脉冲电子束对CuW材料表面进行冲击强化处理，可以显著细化组织，增强表面显微硬度和耐磨性；但该方法会恶化材料表面粗糙度且需后续机加工后才可使用，且在机加工引入毛刺及抛光不利的情况都会造成电弧的集中选择性烧蚀导致性能极具恶化，寿命缩短。电子束设备成本高昂且不利于工业化生产。近年来，磁控溅射在工业应用领域如刀具涂层、部分结构件的耐磨防腐涂层方面已有较好的应用效果，但目前还未有人通过磁控溅射的方法在铜钨电触头材料表面制备铜钨镀层来提高灭弧室用电触头材料的耐烧蚀性和寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法。该方法通过磁控溅射技术依次在铜钨电触头材料基底表面沉积打底层及铜钨镀层，配合退火工艺进而获得具有纳米级相尺寸的铜钨镀层。该镀层的纳米级相尺寸分布可大幅提高电弧烧蚀均匀性，避免大烧蚀坑的出现，延长使用寿命；钨骨架的纳米晶结构可提高耐电弧能力，从而进一步提高了触头材料的使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，包括如下步骤：

1)制备铜钨合金触头材料作为基底材料，该基底材料钨重量百分比范围为60wt％～90wt％；

2)将该铜钨触头材料表面经机械抛光后，清洗烘干；

3)将铜钨合金触头材料置于专用的夹具上，放入真空腔体中并固定在样品台上；装入铜靶、钨靶和X靶，基体表面平行向下，与靶材平面成一定角度放置；对真空腔体抽真空，使腔体达到一定的本底真空度；

4)通入氩气并调节气压，分别打开各个靶位的靶电源，在一定功率下辉光清洗靶材表面；启动样品盘自转并以10～20度每秒匀速旋转；调节偏压，打开X靶电源，调节好功率后打开样品台挡板，开始在基体上沉积X膜层；一定时间后关闭X靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；

5)随后同时打开铜靶与钨靶的直流电源，调节至指定功率配比后，调节气压，调节偏压，打开样品台挡板，开始在沉积有X膜层的基底上继续共沉积铜-钨镀层，一定时间后得到具有一定膜厚的铜-钨镀层；

6)将得到的铜钨镀层在惰性气体与氢气的混合气氛保护中退火操作，随炉冷却，待至温度低于80℃以下取出样品，即得铜钨电触头材料表面镀层。

进一步，所述步骤1)中，选取热压法、机械合金化法、冷热等静压法、PAS烧结法或熔渗法制备的铜钨触头材料作为基底材料，且其致密度在90％以上。

进一步，所述步骤2)中，将铜钨电触头基底表面经机械抛光至表面粗糙度Ra小于0.5um后，放入到酒精溶液中超声5～10min，然后置于丙酮溶液中超声5～10min后，使用电吹风烘干。

进一步，所述步骤3)中，X靶为铬靶、镍靶或钛靶；真空腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^-3Pa。

进一步，所述步骤4)中，沉积X膜层为铬层、镍层或钛层，铬层、镍层或钛层的厚度为30nm～100nm。

进一步，所述步骤5)中，沉积过程为共沉积过程；偏压范围为-50～-90V。

进一步，所述步骤6)中，所述惰性气体为氮气或氩气与氢气按照5:1的流量比进行混合气氛保护退火，退火温度在300～500℃，退火时间为1～5h。

进一步，调节铜靶和钨靶位的直流电源功率比为(60～180):200W；工作气压范围为：0.3～0.67Pa；在沉积有钛或铬或镍打底层的基底上沉积的铜钨镀层膜厚范围为2μm～10um；得到的铜钨镀层膜中铜、钨的原子比为(1～5):(5～9)。

进一步，所得铜钨镀层铜的晶粒大小在10～30nm之间，钨的晶粒大小在40～80nm之间。

进一步，所述铜钨电触头材料表面镀层电阻率不大于120×10^-8Ω·m，硬度不小于6.5Gpa，表面粗糙度在60nm以下，烧蚀坑深度不大于800nm。

以上所述铜钨电触头材料表面镀层在断路器灭弧室的电触头材料中应用。

本发明方法在铜钨电触头材料基底表面上所制备的铜钨镀层，由于具有纳米级相尺寸，可以形成均匀稳定的纳米级烧蚀区来引导电弧对基体的烧蚀，改善电弧选择性集中烧蚀问题；具有纳米晶结构的钨骨架具有良好的强硬度与耐电弧能力，可以降低烧蚀坑深度，显著提高铜钨电触头材料的使用寿命；同时铜钨镀层还可以降低表面粗糙度至纳米级别，改善电触头材料在使用过程中由于表面凹凸不平而造成的异常击穿放电现象，进而稳定使用寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1、本发明所得到的铜钨镀层具有均匀分布的纳米级两相尺寸，可以显著改善传统铜钨触头表面相分布不均匀、相聚集过大而导致的电弧选择性集中烧蚀，形成大烧蚀坑，造成电触头材料过早报废；且具有纳米晶结构的钨骨架能进一步提升铜钨材料整体的强硬度与耐电弧能力，降低烧蚀坑深度；

2、本发明在铜钨电触头材料基底上分别沉积打底层与铜钨镀层，可以得到结合良好的镀层，有效保持原有铜钨材料优异的理化性能，在不降低材料整体电导率的同时提升烧蚀均匀性和耐电弧能力，还可以改善表面粗糙度，进而有效延长灭弧室中触头材料的寿命，节约资源和成本；

3、本发明采用的物理气象沉积技术中的磁控溅射技术配合退火工艺，简单可控、设备操作方便、效率高、可靠性高、成本低，无需后续机加工，适合规模化连续生产，具有良好的工业化应用前景。

附图说明

图1为CuW60镀层材料的平面透射照片；

图2(a)为经熔渗法制备的CuW80基底材料金相照片；(b)为在该基底材料上沉积2μm的CuW80镀层后的金相照片；

图3(a)为熔渗法制备的CuW80基底材料的电弧烧蚀照片及真空击穿电流变化曲线；(b)为CuW80镀层的电弧烧蚀照片及真空击穿电流变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，包括以下步骤：

选取熔渗法制备的致密度为92％的CuW60电触头材料作为基底材料，将该CuW60触头材料经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，放入到酒精溶液中超声10min，然后置于丙酮溶液中超声10min进行超声清洗，最后用去离子水冲洗干净后使用电吹风进行烘干；然后将CuW60基底置于专用的夹具并固定在磁控溅射真空腔体中的样品台上，装入铜靶、钨靶和铬靶，让触头材料基底表面平行向下，与铜靶、钨靶及铬靶靶平面均成45°放置；对真空腔体进行抽真空操作，使腔体本底真空度达到5×10^-5Pa后通入惰性气体Ar气，调节气压至1.0Pa，打开铜靶、钨靶和铬靶的靶电源，在各自功率100W的条件下辉光清洗靶材表面15min后关闭所有靶位电源；启动样品盘自转并以10度每秒匀速旋转，调节偏压50V，打开铬靶位射频电源，调节功率为80W，打开样品台挡板，开始在基体上沉积铬膜层，5min后关闭铬靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；随后同时打开铜靶与钨靶的直流电源，调节铜靶与钨靶的功率比为150:200W，调节气压0.3Pa，调节偏压-90V，打开样品挡板开始在沉积有铬层的基底上继续共沉积铜-钨镀层，沉积5h后关闭各个靶电源和设备，取出样品；随后在H₂：N₂比为1:5的气体流量比下进行气氛退火5h，退火温度为300℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的灭弧室用铜钨表面镀层，铬打底层厚度为30nm，铜钨镀层为10μm，原子比为4:6，且铜钨镀层中铜的晶粒大小为30nm，钨的晶粒大小为50nm，铜钨镀层电阻率为61×10^-8Ω·m，硬度为6.5GPa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为61nm，经真空电弧一次烧蚀实验后表面平均烧蚀坑深度为500～800nm，明显小于同等条件下，未经表面镀层处理CuW60的平均1～2μm蚀坑深度。见图1所示。

实施例2

一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，包括以下步骤：

选取PAS法烧结制备的致密度为90％的CuW80电触头材料作为基底材料，将该CuW80触头材料经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，放入到酒精溶液中超声5min，然后置于丙酮溶液中超声5min进行超声清洗，最后用去离子水冲洗干净后使用电吹风进行烘干；然后将CuW80基底置于专用的夹具并固定在磁控溅射真空腔体中的样品台上，装入铜靶、钨靶和钛靶，让触头材料基底表面平行向下，与铜靶、钨靶及钛靶靶平面均成45°放置；对真空腔体进行抽真空操作，使腔体本底真空度达到1×10^-3Pa后通入惰性气体Ar气，调节气压至1.0Pa，打开铜靶、钨靶和钛靶的靶电源，在各自功率100W的条件下辉光清洗靶材表面15min后关闭所有靶位电源；启动样品盘自转并以15度每秒匀速旋转，调节偏压-50V，打开钛靶位射频电源，调节功率为90W，打开样品台挡板，开始在基体上沉积钛膜层，5min后关闭钛靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；随后同时打开铜靶与钨靶的直流电源，调节至功率比为90:200W，调节气压0.45Pa，调节偏压-70V，打开样品挡板开始在沉积有铬层的基底上继续共沉积铜-钨镀层，沉积1h后关闭各个靶电源和设备，取出样品；随后在H₂：N₂比为1:5的气体流量比下进行气氛退火2h，退火温度为400℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。得到钛打底层厚度为50nm，铜钨镀层厚度为1μm，原子比为2:8，铜钨镀层中铜的晶粒大小为20nm，钨的晶粒大小为80nm，沉积态铜钨镀层电阻率为102×10^-8Ω·m,硬度为11.5GPa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为49nm，经真空电弧一次烧蚀实验后表面平均烧蚀坑深度为300～600nm，明显小于同等条件下，未经表面镀层处理CuW80的平均0.9～1.5μm蚀坑深度；且对于铜钨镀层而言，插图所示的真空放电截流值(2A)、电弧寿命(21ms)及电弧稳定性(曲线平滑度)，明显优于同等条件下，未经表面镀层处理的CuW80的真空放电截流值(8A)、电弧寿命(18ms)及电弧稳定性(曲线平滑度)；见图2(a)、图2(b)所示。

实施例3

一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，包括以下步骤：

选取熔渗法制备的致密度为93％的CuW90电触头材料作为基底材料，将该CuW90触头材料经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，放入到酒精溶液中超声10min，然后置于丙酮溶液中超声10min进行超声清洗，最后用去离子水冲洗干净后使用电吹风进行烘干；然后将CuW90基底置于专用的夹具并固定在磁控溅射真空腔体中的样品台上，装入铜靶、钨靶和镍靶，让触头材料基底表面平行向下，与铜靶、钨靶及镍靶靶平面均成45°放置；对真空腔体进行抽真空操作，使腔体本底真空度达到5×10^-4Pa后通入惰性气体Ar气，调节气压至1.0Pa，打开铜靶、钨靶和镍靶的靶电源，在各自功率100W的条件下辉光清洗靶材表面15min后关闭所有靶位电源；启动样品盘自转并以20度每秒匀速旋转，调节偏压-50V，打开镍靶位射频电源，调节功率为100W，打开样品台挡板，开始在基体上沉积镍膜层，5min后关闭镍靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；随后同时打开铜靶与钨靶的直流电源，调节至功率比为60:200W，调节气压0.67Pa，调节偏压-90V，打开样品挡板开始在沉积有铬层的基底上继续共沉积铜-钨镀层，沉积3h后关闭各个靶电源和设备，取出样品；随后在H₂：N₂比为1:5的气体流量比下进行气氛退火1h，退火温度为500℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。得到铬打底层厚度为100nm，铜钨镀层厚度为5μm，原子比为1:9，铜钨镀层中铜的晶粒大小为10nm，钨的晶粒大小为40nm，沉积态铜钨镀层电阻率为120×10^-8Ω·m,硬度为16Gpa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为35nm，经真空电弧一次烧蚀实验后表面平均烧蚀坑深度为300～500nm，明显小于同等条件下，未经表面镀层处理CuW90的平均0.6～1.1μm蚀坑深度。

表1

从上述实施例的对比可以看出，经本发明方法所得铜钨镀层铜晶粒大小在10～30nm之间，钨晶粒大小在30～50nm之间，电阻率不大于120×10^-8Ω·m，硬度不小于6.5Gpa，表面粗糙度在60nm以下，烧蚀坑深度不大于800nm；且这种分布均匀、相尺寸极小的结构可以极大地改善电弧的烧蚀均匀性，蚀坑浅而分布均匀；稳定电弧电流，提高电触头材料的使用寿命和综合性能，如图3(a)、3(b)所示。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)制备铜钨合金触头材料作为基底材料，该基底材料钨重量百分比范围为60wt％～90wt％；

2)将该铜钨触头材料表面经机械抛光后，清洗烘干；

3)将铜钨合金触头材料置于专用的夹具上，放入真空腔体中并固定在样品台上；装入铜靶、钨靶和X靶，基体表面平行向下，与靶材平面成一定角度放置；对真空腔体抽真空，使腔体达到一定的本底真空度；

4)通入氩气并调节气压，分别打开各个靶位的靶电源，在一定功率下辉光清洗靶材表面；启动样品盘自转并以10～20度每秒匀速旋转；调节偏压，打开X靶电源，调节好功率后打开样品台挡板，开始在基体上沉积X膜层；一定时间后关闭X靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；

5)随后同时打开铜靶与钨靶的直流电源，调节至指定功率配比后，调节气压，调节偏压，打开样品台挡板，开始在沉积有X膜层的基底上继续共沉积铜-钨镀层，一定时间后得到具有一定膜厚的铜钨-钨镀层；

6)将得到的铜钨镀层在惰性气体与氢气的混合气氛保护中退火，随炉冷却，待至温度低于80℃以下取出样品，即得铜钨电触头材料表面镀层。

2.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤1)中，选取热压法、机械合金化法、冷热等静压法、PAS烧结法或熔渗法制备的铜钨触头材料作为基底材料，且其致密度在90％以上。

3.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤2)中，将铜钨电触头基底表面经机械抛光至表面粗糙度Ra小于0.5μm后，放入到酒精溶液中超声5～10min，然后置于丙酮溶液中超声5～10min后，使用电吹风烘干。

4.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤3)中，X靶为铬靶、镍靶或钛靶；真空腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^{- 3}Pa。

5.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤4)中，沉积X膜层为铬层、镍层或钛层，铬层、镍层或钛层的厚度为30nm～100nm。

6.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤5)中，沉积过程为共沉积过程；偏压范围为-50～-90V。

7.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述步骤6)中，惰性气体为氮气或氩气与氢气按照5:1的流量比进行混合气氛保护退火，退火温度在300～500℃，退火时间为1～5h。

8.根据权利要求1所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，调节铜靶和钨靶位的直流电源功率比为(60～180):200W；工作气压范围为：0.3～0.67Pa；在沉积有钛、铬或镍打底层的基底上沉积的铜钨镀层膜厚范围为1μm～10um；得到的铜钨镀层膜中铜、钨的原子比为(1～5):(5～9)。

9.根据权利要求8所述的一种灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所得铜钨镀层铜的晶粒大小分布在10～30nm之间，钨的晶粒大小分布在30～50nm之间。

10.根据权利要求1-9任一项所述的灭弧室用铜钨电触头材料的表面镀层处理方法，其特征在于，所述铜钨电触头材料表面镀层电阻率不大于120×10^-8Ω·m，硬度不小于6.5Gpa，表面粗糙度在60nm以下，烧蚀坑深度不大于800nm。