CN111074209A

CN111074209A - 一种真空灭弧室触头材料表面镀层及其处理方法

Info

Publication number: CN111074209A
Application number: CN201911381450.9A
Authority: CN
Inventors: 宋忠孝; 李玉楼; 崔笑千; 张娜; 李雁淮; 朱晓东
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111074209B

Abstract

本发明公开了一种真空灭弧室触头材料表面镀层及其处理方法，该方法采用金属铜铬钼靶材在CuCr合金触头材料基底上形成CuCrMo合金膜，其中按质量百分数，CuCrMo合金膜中Cr含量25％～55％，Mo含量5％～9％，其余为Cu，具体的，包括：步骤1：对CuCr合金触头材料基底进行打磨和抛光处理；步骤2：将打磨和抛光处理后的CuCr合金触头材料基底进行清洗、吹干；步骤3：在清洗、吹干后的CuCr合金触头材料基底表面采用磁控溅射的方法镀覆CuCrMo合金膜，最终获得生长有CuCrMo合金膜的CuCr合金触头材料基片。该处理方法制备得到的镀层，其厚度为1μm～20μm。本发明得到的CuCrMo合金膜相比CuCr35具有更高的耐电压强度，更低的截流值和更长的燃弧时间。

Description

一种真空灭弧室触头材料表面镀层及其处理方法

技术领域

本发明属于溅射法镀覆技术领域，具体涉及一种真空灭弧室触头材料表面镀层及其处理方法。

背景技术

真空断路器是电力系统中分段电流，保护电力设备的重要组件，其真空灭弧室向小型化、大容量、高电压方向发展的趋势对其关键部件电触头的性能提出了更高的要求。传统的触头材料制备工艺生产的电触头已经不能满足电力系统中日益增长的性能要求，因此，制备出抗电弧烧蚀性能更强，使用寿命更长的电触头材料成为真空断路器发展急需解决的关键技术和核心问题之一。

对于广泛应用于真空断路器中的CuCr合金触头材料来说，Cu相具有良好的导电、导热性能和延展性，而Cr相熔点和机械强度较高，能促使合金基体晶粒细化，有利于形成均匀弥散分布的强化相，使材料具有较高的力学性能、耐电压强度和抗熔焊性等。Cu良好的导电导热性能有利于真空断路器的电流开断能力，Cr的高熔点和机械强度有利于保证其优良的耐电压、抗熔焊及抗电弧烧蚀等性能。Cr在Cu中的溶解度随着温度升高而增大，在高温电弧作用下，触头表面局部区域熔化成液态，部分Cr溶解在液态Cu中，在后续快速冷却时，Cr从Cu中析出形成弥散分布、细小均匀的Cr颗粒，可作为液态Cu形核中心，加快液态Cu的凝固过程。此外，Cr对氧的亲和力较大，在每次开断过程中可以吸气以保证灭弧室较高的真空度，从而延长其工作寿命。CuCr触头材料的微观组织与性能具有密切关系。减少Cu和Cr相尺寸，提高二者的均匀分布，可以提高硬度和耐电压强度，减小电导率和截流值。纳米晶CuCr材料，可以使电弧阴极斑点表面光滑地连续运动，未发生局部的集中烧蚀。

但是传统CuCr合金制备工艺往往存在致密性较低，Cr相尺寸较大且分布不均匀，较为严重的成分偏析等问题，采用合金化或者掺杂的方法可以在一定程度上改善组织成分均匀性，细化相的尺寸。

磁控溅射沉积薄膜是分子、原子级别的沉积过程，通过控制工艺参数可以制备出致密性高、膜基结合良好、成分均匀且精确可控的CuCr合金膜。通过调控工艺参数易得纳米结构薄膜，且保证Cr在Cu相中均匀分布，结合热处理可有效控制薄膜内部微观组织结构，得到纳米多相复合材料。磁控溅射法制备的CuCr合金薄膜有细小的纳米晶，可以降低功函数、提高硬度等性能特点，且其表面毛刺和污染物较少，在稳定真空首次击穿性能和异常烧蚀方向有重要意义。借助触头表面CuCr覆层细化均匀的组织，可对电弧阴极斑点的运动产生引导作用，从而对真空电弧烧蚀的均匀性，为发展新型长寿命、耐烧蚀CuCr触头提供新的思路。

发明内容

本发明针对CuCr触头材料的电流开段能力、耐电压强度和抗熔焊性能，提供了一种真空灭弧室触头材料表面镀层及其处理方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，该方法采用金属铜铬钼靶材在CuCr合金触头材料基底上形成CuCrMo合金膜，其中按质量百分数，CuCrMo合金膜中Cr含量25％～55％，Mo含量5％～9％，其余为Cu，具体包括以下步骤：

步骤1：对CuCr合金触头材料基底进行打磨和抛光处理；

步骤2：将打磨和抛光处理后的CuCr合金触头材料基底进行清洗、吹干；

步骤3：在清洗、吹干后的CuCr合金触头材料基底表面采用磁控溅射的方法镀覆CuCrMo合金膜，最终获得生长有CuCrMo合金膜的CuCr合金触头材料基片。

本发明进一步的改进在于，在步骤2中，将打磨和抛光处理后的CuCr合金触头材料使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗10～15min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干。

本发明进一步的改进在于，在步骤3中，同时采用直流磁控溅射方法溅射Cu靶材，溅射功率60～100W，采用直流磁控溅射方法溅射Cr靶材，溅射功率80～150W，采用射频磁控溅射方法溅射Mo靶材，溅射功率100～170W。

本发明进一步的改进在于，在步骤3中，进行磁控溅射的溅射气压在0.3Pa～0.7Pa之间。

本发明进一步的改进在于，在步骤3中，将靶材放置在旋转基片架上，使靶材均匀旋转防止靶材受损，其中旋转速度ω在9r/min～11r/min范围内，合金膜的镀覆厚度通过调整靶材挡板的开关时间来控制；具体步骤为，同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材并沉积在基体上，形成1μm～20μm的沉积层。

一种真空灭弧室触头材料表面镀层，其特征在于，采用上述一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法的制备得到，该镀层的厚度为1μm～20μm。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，采用磁控共溅射的方法镀覆CuCrMo合金膜，磁控溅射沉积薄膜是分子、原子级别的沉积过程，通过控制工艺参数(溅射功率、时间)可以制备出致密性高、膜基结合良好、成分均匀且精确可控的CuCrMo合金膜。如图6所示，Mo的加入可以强化Cr相，起到分散阴极斑点的目的，有利于消除集中侵蚀。

本发明提供的一种真空灭弧室触头材料表面镀层，与CuCr35比较，CuCrMo柱状晶尺寸减小，薄膜内部元素分布均匀。Mo元素的功函数低于Cu和Cr，在电场强度下更容易释放电子，而且CuCrMo的电阻率低于CuCr35，Mo的加入可以降低截流值，提高耐电压强度。

综上所述，本发明针对电触头材料在电力系统中日益增长的性能要求，真空断路器的发展所需要的抗电弧烧蚀性能及耐电压性能等，提供了一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法。可以实现以下技术效果：CuCrMo合金膜相比CuCr35具有更高的耐电压强度，更低的截流值和更长的燃弧时间。Mo的固溶会强化CuCr薄膜，有助于提高其耐电压强度。Mo元素较低的功函数和CuCrMo合金膜较低的电阻率有利于降低截流值。退火后薄膜真空电弧烧蚀面积增大，烧蚀深度减小，截流值几乎都下降为原来的一半。退火后薄膜晶粒细化、电阻率下降以及表面“蚀坑”和富Cu颗粒有助于降低截流值。

附图说明

图1为所镀覆CuCrMo9合金膜的XRD图；

图2为所镀覆CuCrMo9合金膜的形貌图；

图3为所镀覆CuCrMo9合金膜的截面图；

图4为薄膜电阻率随成分的变化图；

图5为CuCr35一次击穿后的形貌图；

图6为CuCrMo9合金膜一次真空击穿后的形貌图；

图7为CuCrMo9薄膜五次真空击穿的截流值分布图；

图8为退火态薄膜一次真空击穿后的表面形貌。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

本发明提供了一种以CuCr合金触头材料为基底的CuCrMo合金膜(所选Cu、Cr、Mo元素的功函数如表1所示)，由表可知Mo元素的功函数低于Cu和Cr，原子半径略大于Cr，因此，向CuCr薄膜中掺入Mo元素，可在最大程度地保证电导率和细化组织的同时，使Mo相成为场发射的优先相，进而分散和引导电弧的烧蚀。该薄膜是以CuCr合金触头材料为基底。所镀覆的CuCrMo合金膜的最终厚度在1μm～20μm范围内，具体实施案例如下：

表1所示为Cu、Cr、Mo元素的功函数

实施例1

本发明提供的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，包括以下步骤：

1)对CuCr合金触头材料衬底进行清洗、烘干，对设备进行清洁。

2)在CuCr合金触头材料表面上利用磁控溅射方法溅射CuCrMo合金膜，最终获得生长有CuCrMo合金膜的基片。

具体来说，在步骤1)中，依次使用无水乙醇和去离子水对基底进行超声清洗10min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干，对JPG-450a型双室磁控溅射设备首先利用吸尘设备除去腔体内的灰尘，然后利用无水乙醇擦洗腔体内壁。

步骤2)中采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射CuCrMo合金膜。将靶材放置在旋转基片架上，其中旋转速度ω＝10r/min。靶材为纯Cu靶(99.95％)，纯Cr靶(99.99％)，纯Mo靶(99.99％)，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率分别为90W、130W、150W，氩气流量30sccm，工作气压为0.5Pa；；预溅射时间为10min以除去靶材表层物质。

在CuCr合金触头材料基底上镀覆CuCrMo合金膜。具体步骤为：

同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材60min并沉积在CuCr基底上，形成1320nm左右厚度的沉积层。所得到CuCrMo9合金膜的XRD如图1所示，CuCrMo9合金膜的扫描图如图2所示，CuCrMo9合金膜的截面图如图3所示。从图1可以看出，Mo的掺入导致晶面间距比CuCr35的晶面间距大，原因是Mo的原子半径比Cr的原子半径大。从图2可以看出，CuCrMo9薄膜表面较为光滑平整，无明显大颗粒存在。从图3可以看出，薄膜呈柱状结构。图4为薄膜电阻率随成分的变化，可以看出随着Mo原子的加入，晶格畸变增加，同时Mo原子固溶会细化晶粒，晶界增多会使电阻率增大。

将本发明的CuCrMo9薄膜应用于真空击穿实验，可以得出，相比于CuCr35，CuCrMo9具有更高的耐电压强度，更低的截流值和更长的燃弧时间。Mo元素的功函数小于Cu和Cr，在电场强度下更容易释放电子，加之CuCrMo9薄膜的电阻率低于CuCr35薄膜，Mo的加入可以降低CuCr薄膜的截流值。图5、图6、分别是CuCr35一次击穿，CuCrMo一次真空击穿后的形貌。可以看出，一次击穿后，CuCrMo9击穿深度略小，烧蚀面积更大，说明Mo的加入有利于电弧阴极斑点的运动。图7为CuCrMo9薄膜五次真空击穿的截流值分布，可以得出，Mo的加入对降低截流值，改善电弧烧蚀有积极作用。图8为退火态薄膜一次真空击穿后的表面形貌，整体而言，退火后电弧烧蚀面积增大，烧蚀深度减小。这表明经过退火处理后真空电弧可以在触头表面更广泛的区域运动，进而减少在局部区域集中烧蚀的发生。

实施例2

具体来说，在步骤1)中，依次使用无水乙醇和去离子水对基底进行超声清洗15min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干，对JPG-450a型双室磁控溅射设备首先利用吸尘设备除去腔体内的灰尘，然后利用无水乙醇擦洗腔体内壁。

步骤2)中采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射CuCrMo合金膜。将靶材放置在旋转基片架上，其中旋转速度ω＝10r/min。靶材为纯Cu靶(99.95％)，纯Cr靶(99.99％)，纯Mo靶(99.99％)，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率分别为90W、130W、100W，氩气流量30sccm，工作气压为0.5Pa；；预溅射时间为10min以除去靶材表层物质。

在CuCr合金触头材料基底上镀覆CuCrMo合金膜。具体步骤为：

同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材70min并沉积在CuCr基底上，形成1210nm左右厚度的沉积层，所得到的合金膜成分为CuCrMo5。

实施例3

具体来说，在步骤1)中，依次使用无水乙醇和去离子水对基底进行超声清洗12min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干，对JPG-450a型双室磁控溅射设备首先利用吸尘设备除去腔体内的灰尘，然后利用无水乙醇擦洗腔体内壁。

步骤2)中采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射CuCrMo合金膜。将靶材放置在旋转基片架上，其中旋转速度ω＝9r/min。靶材为纯Cu靶(99.95％)，纯Cr靶(99.99％)，纯Mo靶(99.99％)，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率分别为60W、150W、140W，氩气流量30sccm，工作气压为0.3Pa；；预溅射时间为10min以除去靶材表层物质。

在CuCr合金触头材料基底上镀覆CuCrMo合金膜。具体步骤为：

同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材75min并沉积在CuCr基底上，形成1370nm左右厚度的沉积层，所得到的合金膜成分为CuCr55Mo。

实施例4

具体来说，在步骤1)中，依次使用无水乙醇和去离子水对基底进行超声清洗13min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干，对JPG-450a型双室磁控溅射设备首先利用吸尘设备除去腔体内的灰尘，然后利用无水乙醇擦洗腔体内壁。

步骤2)中采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射CuCrMo合金膜。将靶材放置在旋转基片架上，其中旋转速度ω＝11r/min。靶材为纯Cu靶(99.95％)，纯Cr靶(99.99％)，纯Mo靶(99.99％)，通入纯度为99.99％的氩气；溅射功率分别为100W、80W、170W，氩气流量30sccm，工作气压为0.7Pa；；预溅射时间为10min以除去靶材表层物质。

在CuCr合金触头材料基底上镀覆CuCrMo合金膜。具体步骤为：

同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材100min并沉积在CuCr基底上，形成1670nm左右厚度的沉积层，所得到的合金膜成分为CuCr25Mo。

Claims

1.一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，其特征在于，该方法采用金属铜铬钼靶材在CuCr合金触头材料基底上形成CuCrMo合金膜，其中按质量百分数，CuCrMo合金膜中Cr含量25％～55％，Mo含量5％～9％，其余为Cu，具体包括以下步骤：

步骤1：对CuCr合金触头材料基底进行打磨和抛光处理；

2.根据权利要求1所述的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，其特征在于，在步骤2中，将打磨和抛光处理后的CuCr合金触头材料使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗10～15min，之后用纯度为99.99％的高纯氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，其特征在于，在步骤3中，同时采用直流磁控溅射方法溅射Cu靶材，溅射功率60～100W，采用直流磁控溅射方法溅射Cr靶材，溅射功率80～150W，采用射频磁控溅射方法溅射Mo靶材，溅射功率100～170W。

4.根据权利要求1所述的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，其特征在于，在步骤3中，进行磁控溅射的溅射气压在0.3Pa～0.7Pa之间。

5.根据权利要求1所述的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法，其特征在于，在步骤3中，将靶材放置在旋转基片架上，使靶材均匀旋转防止靶材受损，其中旋转速度ω在9r/min～11r/min范围内，合金膜的镀覆厚度通过调整靶材挡板的开关时间来控制；具体步骤为，同时打开Cu靶、Cr靶和Mo靶前方的挡板，采用等离子体轰击靶材并沉积在基体上，形成1μm～20μm的沉积层。

6.一种真空灭弧室触头材料表面镀层，其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述的一种真空灭弧室触头材料表面镀层处理方法的制备得到，该镀层的厚度为1μm～20μm。