CN103903670A - 一种镍基电接插件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种镍基电接插件及其制备方法，其属于电接触元件技术领域。该镍基电接插件，包括镍基电接插件基体，镍基电接插件基体上依次沉积有金属薄膜和金属复合导电层，金属薄膜为镍基电接插件基体和金属复合导电层的连接层，金属复合导电层为碳铬薄膜，其制备方法主要包括采用真空离子镀方法在镍基电接插件上依次沉积金属薄膜和金属导电复合层的制备方法。该表面改性镍基电接插件具有导电、耐蚀、耐磨和疏水等复合性能，其接触电阻在0.8Mpa压紧力下小于等于15mΩ·cm²，抗标准盐雾实验270小时以上，表面显微硬度Hv≧6GPa，水接触角≧90°。该镍基电接插件用绿色环保方法制造，降低了制作成本，解决了镍合金表面容易被腐蚀和钝化而导致电阻增大的问题。

Description

一种镍基电接插件及其制备方法

技术领域

本发明属于电接触元件技术领域，特别涉及一种电接插件，另外还涉及其制备方法。

背景技术

在电气、电子领域，电接触材料主要用作电触点、导电刷、集电环、换向片、整流片和接插件等，是电通断环节中重要的功能性元件。采用电接触元件的电机、电气开关、继电器、接插件等作为基础件在信息工程、家用电子电器、汽车工程等领域大量使用。这些电接触元件的性能直接影响所应用产品及整个系统的可靠性、稳定性、精度及使用寿命。同时，随着各类产品向高精度和微型化发展，对电接触元件的性能提出了更高的要求：具有优良的导电性、小而稳定的接触电阻、高的化学稳定性、耐磨性和抗电弧烧损能力。电接触元件必须在电阻率、接触电阻、密度、硬度、化学成分、抗熔焊性、抗腐蚀性、可焊性等方面可靠地满足应用的要求。电接触材料大都是由含80%～90%(质量百分数)白银的复合材料制成的,世界上银的产量25%左右是用于制造电工和电子仪器所需的电触头元件。银作为贵金属,产量有限且价格昂贵,为了节银,全世界在开展降低电接触材料中银含量的研究的同时,也在进行以廉价金属替代银基材料的研究工作，作为电接触材料的一个重要组成部分，插接件材料也遭遇了类似技术难题，而如何改变镍基电插接件的表面膜结构和导通性，提高镍基电插接件的性能也是一直在研究的一项课题。

合金化可以提高镍基材料的抗氧化和耐腐蚀性能，最常见的是在镍基材料中添加金属元素，如镉、铟、铪、碲和锆等元素。但是直接将该类元素与镍进行合金化很难达到环保要求，且其成本也相对较高。

采用电镀的方法在其表面电镀一层贵金属，如银、金等材料，可在一定程度上提升材料的表面电接触性能及材料稳定性，但电镀技术所带来的对环境方面的负面影响一直备受世界各界人士的关注，因此，随着我国环境保护意识的不断增强电镀技术民用空间的阶段性取代将是必然。并且，以电镀方式虽然从一定程度上降低了成本，但对于贵金属的消耗其成本对于工业应用来说还是相对较高的。因此寻求一种环保低成本制造插接件材料的方法迫在眉睫。

采用真空离子镀方法在镍基插接件表面镀膜，获得的插接件表面膜中的金属元素为零价金属，绿色环保；并且增强镍基电接插件的抗氧化性,能改善其表面膜结构和导通性,这必然将成为这一领域必须深入研究的内容之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基电接插件及采用真空离子镀方法分别沉积金属薄膜和金属复合导电层来制备电接插件的方法，以解决一般镍基电接插件基体与导电层结合力较差、耐磨性能差、且表面容易被氧化的问题，以降低接触电阻。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种镍基电接插件，包括镍基电接插件基体，所述镍基电接插件基体上依次沉积有金属薄膜和金属复合导电层。

所述镍基电接插件基体为镍基金手指、镍基锁紧螺母、镍基簧片、镍同轴线接口、镍插头或镍接线柱等；

所述金属复合导电层是厚度为0.1μm－5μm的碳铬薄膜；

所述碳铬薄膜为在非晶碳基体上分布晶粒尺度为5nm-100nm的金属态零价铬晶体的纳米复合薄膜；

所述金属薄膜为镍基电接插件基体和金属复合导电层的连接层，为0.05μm-0.5μm的零价金属态的铬薄膜。

一种镍基电接插件的制备方法，包括以下步骤：

（1）将镍基电接插件基体经过去毛刺、表面清污工序后，用超声波机进行清洗完毕后烘干；

（2）将镍基电接插件基体随镀膜卡具一同装入增强过滤电弧离子镀设备的真空镀膜室中，在设备阴极弧源位置上的不同位置分别安装金属纯铬靶材和纯石墨靶材；关闭真空室舱门，依次开启初抽泵及分子泵进行真空获得，直至真空到达5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，使真空达到0.3-5Pa，启动脉冲偏压电源，电压设置在500V-1000V，占空比为40%-80%，频率为20KHz-40KHz，持续引发氩气辉光等离子体对镍基电接插件基体表面进行离子溅射清洗1-20min；

（3）降低脉冲偏压幅值至100-500V，占空比为30%-60%，频率为20KHz-40KHz，调整工作气压，使得真空达到0.4-1Pa，开启铬阴极弧，使得铬靶材弧电流在60-150A，持续沉积制备金属薄膜连接层1-10min；

（4）在不关闭铬阴极弧的条件下，开启碳阴极弧，同时调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在1/4-2/1，持续沉积制备金属复合导电层10-60min；

（5）依次进行停阴极弧、偏压、工作气体，维持真空炉冷却30min后，开启真空室取出镍基电接插件。

上述方法中增强过滤电弧离子镀设备属于大连理工常州研究院有限公司的专利产品，该设备的专利号为ZL2006100457205。

本发明的镍基电接插件具有导电、耐蚀、耐磨和疏水等复合性能，其接触电阻在0.8Mpa压紧力下小于等于15mΩ·cm²，抗标准盐雾实验270小时以上，表面显微硬度Hv≧6GPa，水接触角≧90°。

本发明方法的有益效果是：可以通过该方法在该镍基电接插件基体表面依次沉积得到结合力较强的金属薄膜和金属复合导电层，两层之间由于过渡型结构的连接，增加了层间的结合力，增强了整个电接插件的耐磨性能，提高了其使用寿命。该镍基电接插件用绿色环保方法制造，且降低了制作成本，解决了镍表面容易被腐蚀钝化的问题，并且将接触电阻降低到了15mΩ·cm²以下。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是一种镍基电接插件的结构示意图。

图中：1、镍基电接插件基体，2、金属薄膜，3、金属复合导电层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示的一种镍基电接插件，包括镍基电接插件基体1，镍基电接插件基体1上依次沉积有金属薄膜2和金属复合导电层3，金属薄膜2为镍基电接插件基体1和金属复合导电层3的连接层。

镍基电接插件基体为镍基金手指，金属薄膜2为0.2μm的零价金属态的铬薄膜，金属复合导电层3为碳铬薄膜，其厚度为3μm。碳铬薄膜是在非晶碳基体上分布晶粒尺度为50nm的金属态零价铬晶体的纳米复合薄膜。

实施例2

一种镍基金手指的制备方法，具体步骤如下：

（1）将镍基金手指经过去毛刺、表面清污工序后，用超声波机进行清洗完毕后烘干；

（2）将镍基金手指随镀膜卡具一同装入真空镀膜室中，在设备阴极弧源位置上的不同位置分别安装金属纯铬靶材和纯石墨靶材；关闭真空室舱门，依次开启初抽泵及分子泵进行真空获得，直至真空到达5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，使真空达到5Pa，启动偏压电源，电压设置在1000V，占空比为40%，频率为40KHz，持续引发氩气辉光等离子体对镍基金手指表面进行离子溅射清洗10min；

（3）降低偏压至500V，占空比为60%，频率为20KHz，调整工作气压，使得真空达到1Pa，开启铬阴极弧，使得铬靶材弧电流在80A，持续沉积制备金属薄膜连接层5min；

（4）在不关闭铬阴极弧的条件下，开启碳阴极弧，同时调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在1/4，持续沉积制备金属复合导电层40min

（5）依次进行停阴极弧、偏压、工作气体，维持真空炉冷却30min后，开启真空室取出镍基金手指。

在镍基金手指表面沉积出厚度为3.5μm的铬碳元素含量随膜层厚度交替变化的复合导电涂层，使得镍基金手指的接触电阻≦15mΩ·cm²（0.8Mpa压紧力下），水接触角≧90°，表面显微硬度Hk≧6GPa，膜/基结合力≧70N。

实施例3

一种镍基插头的制备方法，具体步骤如下：

（1）将镍基插头经过去毛刺、表面清污工序后，用超声波机进行清洗完毕后烘干；

（2）将镍基插头随镀膜卡具一同装入真空镀膜室中，在设备阴极弧源位置上的不同位置分别安装金属纯铬靶材和纯石墨靶材；关闭真空室舱门，依次开启初抽泵及分子泵进行真空获得，直至真空到达5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，使真空达到3Pa，启动偏压电源，电压设置在500V，占空比为60%，频率为20KHz，持续引发氩气辉光等离子体对镍基插头表面进行离子溅射清洗20min；

（3）降低偏压至100V，占空比为40%，频率为40KHz，调整工作气压，使得真空达到0.4Pa，开启铬阴极弧，使得铬靶材弧电流在150A，持续在镍基插头表面沉积制备金属薄膜1min；

（4）在不关闭铬阴极弧的条件下，开启碳阴极弧，同时调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在1/2，持续在金属薄膜表面沉积制备金属复合导电层10min；

（5）依次进行停阴极弧、偏压、工作气体，维持真空炉冷却30min后，开启真空室取出镍基插头。

在镍基插头表面沉积出厚度为0.1μm的铬碳元素含量随膜层厚度交替变化的复合导电涂层，使得镍基插头接触电阻≦15mΩ·cm2（0.8Mpa压紧力下），水接触角≧90°，表面显微硬度Hk≧6GPa，膜/基结合力≧70N。

实施例4

一种镍同轴线接口的制备方法，具体步骤如下：

（1）将镍同轴线接口经过去毛刺、表面清污工序后，用超声波机进行清洗完毕后烘干；

（2）将镍同轴线接口随镀膜卡具一同装入真空镀膜室中，在设备阴极弧源位置上的不同位置分别安装金属纯铬靶材和纯石墨靶材；关闭真空室舱门，依次开启初抽泵及分子泵进行真空获得，直至真空到达5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，使真空达到0.3Pa，启动偏压电源，电压设置在500V，占空比为80%，频率为20KHz，持续引发氩气辉光等离子体对镍同轴线接口表面进行离子溅射清洗1min；

（3）降低偏压至100V，占空比为30%，频率为20KHz，调整工作气压，使得真空达到1Pa，开启铬阴极弧，使得铬靶材弧电流在60A，持续沉积制备金属薄膜10min；

（4）在不关闭铬阴极弧时，开启碳阴极弧，调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在2/1，持续在金属薄膜上沉积制备金属导电复合层60min；

（5）依次进行停阴极弧、偏压、工作气体，维持真空炉冷却30min后，开启真空室取出镍同轴线接口。

在镍同轴线接口表面沉积出厚度为5μm的铬碳元素含量随膜层厚度交替变化的复合导电涂层，使得镍同轴线接口的接触电阻≦15mΩ·cm²（0.8Mpa压紧力下），水接触角≧90°，表面显微硬度Hk≧6GPa，膜/基结合力≧70N。

Claims (9)

1.一种镍基电接插件，包括镍基电接插件基体（1），其特征在于：所述镍基电接插件基体（1）上依次沉积有金属薄膜（2）和金属复合导电层（3），所述金属薄膜（2）为镍基电接插件基体（1）和金属复合导电层（3）的连接层。

2.根据权利要求1所述的一种镍基电接插件，其特征在于：所述镍基电接插件基体（1）为镍基金手指、镍基锁紧螺母、镍基簧片、镍同轴线接口、镍插头或镍接线柱。

3.根据权利要求1所述的一种镍基电接插件，其特征在于：所述金属薄膜（2）为0.05μm-0.5μm的零价金属态的铬薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种镍基电接插件，其特征在于：所述金属复合导电层（3）为碳铬薄膜，其厚度为0.1μm－5μm。

5.根据权利要求4所述的一种镍基电接插件，其特征在于：所述碳铬薄膜为在非晶碳基体上分布晶粒尺度为5nm-100nm的金属态零价铬晶体的纳米复合薄膜。

6.一种镍基电接插件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）前处理：

将镍基电插接件基体经过去毛刺、表面清污工序后，用超声波机进行清洗完毕后烘干；

（2）装料：

将步骤（1）处理后的镍基电插接件基体随镀膜卡具一同装入增强过滤电弧离子镀设备的真空镀膜室中，在设备阴极弧源位置上的不同位置分别安装金属纯铬靶材和纯石墨靶材；

（3）离子溅射清洗：

关闭真空室舱门，抽真空至5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，启动脉冲偏压电源，持续引发氩气辉光等离子体对镍基电接插件基体表面进行离子溅射清洗；

（4）制备金属薄膜连接层：

降低脉冲偏压幅值，调整工作气压，开启铬阴极弧，在镍基电接插件基体表面持续沉积制备金属薄膜的连接层；

（5）制备金属复合导电层：

开启碳阴极弧，调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在1/4-2/1之间，在金属薄膜的连接层上沉积制备金属复合导电层，即得到镍基电接插件。

7.根据权利要求6所述的一种镍基电接插件的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）离子溅射清洗的具体步骤及参数为：关闭真空室舱门，依次开启初抽泵及分子泵进行真空获得，直至真空到达5×10^-3Pa后，通入惰性气体氩气，使真空达到0.3-5Pa，启动脉冲偏压电源，电压设置在500V-1000V，占空比为40%-80%，频率为20KHz-40KHz，持续引发氩气辉光等离子体对镍基电接插件基体表面进行离子溅射清洗1-20min。

8.根据权利要求6所述的一种镍基电接插件的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）制备金属薄膜连接层的具体步骤及参数为：降低脉冲偏压幅值至100-500V，占空比为30%-60%，频率为20KHz-40KHz，调整工作气压，使得真空达到0.4-1Pa，开启铬阴极弧，使得铬靶材弧电流在60-150A，持续沉积制备金属薄膜连接层，沉积时间为1-10min。

9.根据权利要求6所述的一种镍基电接插件的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）制备金属复合导电层的具体步骤及参数为：开启碳阴极弧，调整碳靶弧电流与铬靶弧电流比值在1/4-2/1之间，持续沉积制备金属复合导电层，沉积时间为10-60min。

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