CN101353781A - 一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，是将纯铜表面抛光除油处理，晾干后装炉；抽真空，通氩气，接通直流电源，在纯铜件与真空室壳体之间加上负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行预处理，清除表面的油膜、氧化膜；接通弧光电源，引弧钩与Cu－Cr合金靶材之间产生弧光放电，磁控电弧蒸发出的靶材粒子沉积在纯铜表面，形成均匀镀覆的合金层；关闭弧光电源和直流电源，在氩气保护下降温，出炉后抛光。采用该方法，可在纯铜表面获得耐磨抗电蚀好的合金层，其心部保持纯铜优良的导电性能，而表面充分展现Cu－Cr合金高的电流分断能力、高的承受电压能力、良好的抗熔焊性能、低的电弧烧损率和低的触头磨损等性能特点。
Description
技术领域：
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法。
背景技术：
纯铜具备优良的导电性和导热性，在导电元器件、热交换器传热元件等零部件中得到广泛的应用。但在某些应用场合，特别是要求耐磨抗电蚀的场合，纯铜明显表现出自身的不足。
以导电元器件电触头为例。电触头是真空断路器的关键元件，理想的电触头材料应具有以下性能：①高的电流分断能力；②高的承受电压能力；③高的导电率和导热率；④抗熔焊性能好；⑤低的电弧烧损率；⑥低的触头磨损；⑦低的截流值；⑧良好的加工性能。由于这些性能之间是相互矛盾的，在实际应用过程中，往往受到各种因素的影响，而不能同时满足以上各项指标。
按照电触头材料的性能要求，纯铜具备高的导电率、导热率和良好的加工性能，但力学强度低，抗磨损、抗电蚀和抗熔焊性差，因此纯铜现在很少用于触头材料。为了提高纯铜的抗磨损、抗电蚀和抗熔焊性及力学强度，人们通过合金化方法来改善其性能，其中用作电触头材料的主要有W-Cu，Cu-Bi和Cu-Cr系列合金。近年来随着大功率真空高压开关技术的发展，Cu-Cr系列的合金触头以其众多的优越性能大有取代W-Cu，Cu-Bi系列的合金触头材料之势。Cu-Cr合金触头材料的优势在于Cu和Cr之间具有很小的互溶度，由Cu-Cr合金相图可见，Cr在Cu中的固溶度1080℃时仅有0.7％，600℃时几乎不溶，从而使Cu和Cr都充分保留各自良好的性能，即：具有较低熔点、高导电率和热导率的Cu组元，有利于提高真空开关的分断能力；Cr组元具有较高的熔点，能促使合金基体晶粒细化，有利于形成均匀、弥散分布的稳定的强化相，既能保持材料的高导电性，又能提高其开断能力以及力学性能，且不易产生热电子发射。这种材料能够保证真空开关具有良好的耐电压、抗烧损、抗熔焊和低截流等特性。
然而，由于Cu-Cr合金属于难混溶系列的合金，从而采用普通熔炼方法制备的Cu-Cr合金宏观偏析严重。为了解决这一问题，世界各国制备Cu-Cr合金主要采用粉末冶金法、熔渗法和真空电弧熔炼法。虽然这些方法制备的Cu-Cr系列合金已被用于触头材料，但都存在自身的缺点和不足。其中粉末冶金法的主要缺点是Cr粒子之间的尺寸和间距过大，材料的组织均匀性较低，氧和氮含量过高，降低了触头电流的分断能力。熔渗法的缺点是生产效率低，铬粒子相对比较粗大，且铬含量必须达到相当的比例，这严重降低了导电率。而电弧熔炼法生产成本较高，而且很多工艺参数需要进一步摸索和完善。总而言之，铜中Cr元素的加入在提高触头部分性能的同时，必然削弱其它性能，即以降低导电能力为代价的。
发明内容：
本发明的目的是针对整体纯铜和Cu-Cr合金的优点和不足，而研制一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，具体地说，是在纯铜表面制备耐磨抗电蚀合金，离子镀Cu-Cr合金的方法，即以纯铜为基础材料，以Cu-Cr合金为镀材制成弧靶，采用离子镀手段，在真空条件下，Cu-Cr合金靶材磁控电弧蒸发沉积在纯铜基材表面上，形成纯铜/Cu-Cr合金。采用这种方法，可在纯铜表面获得耐磨抗电蚀好的合金层，其心部保持纯铜优良的导电性能，而表面充分展现Cu-Cr合金高的电流分断能力、高的承受电压能力、良好的抗熔焊性能、低的电弧烧损率和低的触头磨损等性能特点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，包括以下步骤：
第一步、对纯铜表面进行抛光、除油处理，晾干后装炉；
第二步、抽真空至5×10-2-100Pa，通氩气至15-30Pa，接通直流电源，在纯铜与真空室壳体之间加上300-500伏负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行净化、活化预处理，清除纯铜表面的油膜、氧化膜，时间4-10min；
第三步、接通弧光电源，引弧钩与Cu-Cr合金靶材之间产生弧光放电，单靶工作电流为30-60A，磁控电弧蒸发出的靶材粒子沉积在纯铜表面，形成均匀的镀覆层，时间60-180min，由镀层厚度而定；
第四步、关闭弧光电源，关闭直流电源，在氩气保护下降温，出炉后进行抛光处理。
所述的步骤(1)抛光处理是指，对纯铜表面待镀部位用棉布轮或1000-1200目砂布轮进行抛光，以便使表面光洁有利于施镀，并为镀后抛光做前期准备。
所述的步骤(1)除油处理是指用酒精或丙酮擦洗，达到初步除油的目的。
所述的步骤(2)和(3)的工艺参数优选：抽真空至0.05-1Pa，充氩后真空度20-25Pa，负偏压350-450伏，轰击时间5-8min，单靶工作电流为35-55A。
所述的引弧钩由直径为5mm的纯钨棒制成，Cu-Cr合金靶材成分以重量百分比计为：Cu 70-85％、Cr 15-30％。
所述的镀覆层为Cu-Cr合金，其成分以重量百分比计为：Cu 70-85％、Cr15-30％。
本发明的积极效果是：
1、本发明的镀材经电弧蒸发出的粒子沉积在纯铜表面，镀层中Cr粒子分布进一步弥散细化，克服了镀材原始组织成分均匀性差的不足。
2、本发明的镀覆层为Cu-Cr合金，主要成分为铜，与基材纯铜有相近的物理参数，亲和力高，且施镀前离子轰击净化活化效果好，镀层附着力强。
3、本发明制作的电触头，心部保持纯铜优良的导电性能，表面具备Cu-Cr合金高的电流分断能力、高的承受电压能力、良好的抗熔焊性能、低的电弧烧损率和低的磨损率等综合性能，还能节省价格相对较高的铬资源。
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
厚度为2mm的纯铜板材，长、宽尺寸为10mm×20mm，在其表面离子镀一层耐磨抗电蚀合金，工艺步骤为：
第一步、将纯铜表面进行抛光、除油处理后装炉，；
第二步、抽真空至约5×10-2Pa，通氩气至20Pa，接通直流电源，在纯铜件与真空室壳体之间加上350V负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行净化、活化预处理，清除纯铜表面的油膜、氧化膜，时间8min；
第三步、接通弧光电源，引弧钩与合金靶材Cu-Cr(20％wt)之间产生弧光放电，单靶工作电流为35A，时间180min，磁控电弧蒸发出的靶材粒子沉积在纯铜表面，形成均匀镀覆层，镀覆层为Cu-Cr合金，其成份与靶材成份一致；
第四步、关闭弧光电源，关闭直流电源，在氩气保护下降温，出炉后进行抛光处理。
实施例2：
厚度为5mm的纯铜板材，长、宽尺寸为12mm×25mm，在其表面离子镀一层耐磨抗电蚀合金，工艺步骤同上，具体参数是：
将纯铜表面抛光、除油处理后装炉；抽真空至约10-1Pa，通氩气至25Pa；接通直流电源，在纯铜件与真空室壳体之间加上400V负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行净化、活化预处理，清除纯铜表面的油膜、氧化膜，时间6min；然后接通弧光电源，引弧钩与合金靶材Cu-Cr(25％wt)之间产生弧光放电，单靶工作电流为40A，时间120min，磁控电弧蒸发出的靶材粒子沉积在纯铜表面，形成均匀镀覆的Cu-Cr合金层，其成份与靶材成份一致；关闭弧光电源，关闭直流电源，在氩气保护下降温，出炉后进行抛光处理。
实施例3：
厚度为8mm的纯铜板材，长、宽尺寸为15mm×30mm，在其表面离子镀一层耐磨抗电蚀合金，工艺步骤同上，具体参数是：
将纯铜表面抛光、除油处理后装炉；抽真空至约1Pa，通氩气至25Pa，接通直流电源，在纯铜件与真空室壳体之间加上450V负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行净化、活化预处理，清除纯铜表面的油膜、氧化膜，时间5min；然后接通弧光电源，引弧钩与合金靶材Cu-Cr(30％wt)之间产生弧光放电，单靶工作电流为55A，时间60min，在纯铜表面形成均匀镀覆的Cu-Cr合金层，其成份与靶材成份一致；关闭弧光电源，关闭直流电源，在氩气保护下降温，出炉后进行抛光处理。
Claims (6)
1、一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步、对纯铜表面进行抛光、除油处理，晾干后装炉；
第二步、抽真空至5×10-2—10°Pa，通氩气至15-30Pa，接通直流电源，在纯铜与真空室壳体之间加上300—500伏负偏压，通过辉光离子轰击对纯铜表面进行净化、活化预处理，清除纯铜表面的油膜、氧化膜，时间4—10min；
第三步、接通弧光电源，引弧钩与Cu-Cr合金靶材之间产生弧光放电，单靶工作电流为30-60A，磁控电弧蒸发出的靶材粒子沉积在纯铜表面，形成均匀的镀覆层，时间60-180min，由镀层厚度而定；
第四步、关闭弧光电源，关闭直流电源，在氩气保护下降温，出炉后进行抛光处理。
2、根据权利要求1所述的一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：所述的抛光处理是指，对纯铜表面待镀部位用棉布轮或1000-1200目砂布轮进行抛光，以便使表面光洁有利于施镀，并为镀后抛光做前期准备。
3、根据权利要求1所述的一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：所述的除油处理是指，用酒精或丙酮擦洗。
4、根据权利要求1所述的一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：所述的抽真空至0.05-1Pa，充氩后真空度20-25Pa，负偏压350-450伏，轰击时间5-8min，单靶工作电流为35-55A。
5、根据权利要求1所述的一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：所述的引弧钩由直径为5mm的纯钨棒制成，Cu-Cr合金靶材成分以重量百分比计为：Cu 70-85％、Cr 15-30％。
6、根据权利要求1所述的一种纯铜表面离子镀耐磨抗电蚀合金的方法，其特征在于：所述的镀覆层为Cu-Cr合金，其成分以重量百分比计为：Cu 70-85％、Cr 15-30％。
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