CN104404461A - 基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag-TiC纳米复合涂层 - Google Patents

基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag-TiC纳米复合涂层 Download PDF

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Abstract

一种金属复合材料技术领域的基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，具有纳米尺度且均匀混合的TiC颗粒和Ag晶粒，该复合涂层的硬度为2.5‐4.2GPa，电阻率为3.4‐16μΩcm。本发明制备得到的复合材料不但为可直接镀覆于电器开关元件上的涂层，而且由于组成复合材料的TiC颗粒和Ag晶粒均为极细的纳米尺度，使得复合材料兼具高硬度和高导电率，作为触头材料使用具有接触电阻低，耐磨损和耐电弧烧蚀的优点。

Description

基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag-TiC纳米复合涂层
技术领域
本发明涉及的是一种金属复合材料技术领域的涂层，具体是一种硬度达到2.5Gpa以上且电阻率小于16μΩcm的用于电触头的Ag‐TiC纳米的复合涂层。
背景技术
Ag基材料的高导电性和低接触电阻在现代电器工程的导电开关上作为触头材料得到广泛应用。在电路开关闭合时，触头的两接触面除了承受较大的压力外，还会产生相对运动，使得触头材料在受到电弧烧蚀和加热的同时相互摩擦，这种摩擦是触头失效的主要原因之一，因而提高Ag触头材料的硬度以获得高的耐磨性是提高触点寿命的重要方面。在Ag中加入SnO2等陶瓷颗粒不但可以提高触头材料的硬度和耐磨性，也可因陶瓷颗粒对电弧的分散而延长触头的使用寿命。减小陶瓷颗粒的尺寸和Ag晶粒的尺寸并使其形成均匀弥散的分布是目前提高触头材料使用寿命的重要途径，事实上，这样由陶瓷颗粒增强Ag复合材料不但已得到广泛使用，而且其种类和制备技术也在许多文献上得以公开。
经过对现有技术文献的检索发现，中国专利文献号CN101071687公开(公告)日2007.11.14，公开了一种银‐纳米氧化锡电触头材料及其制备工艺，该方法通过溶胶凝胶技术获得含Cu的Ag‐Sn(OH)4包覆粉，经焙烧后获得平均粒径小于100纳米的氧化锡均匀分布于Ag基体中的电触头材料。
中国专利文献号CN103276235A公开(公告)日2013.09.04，公开了一种高能球磨法制备超细掺杂AgSnO2电触头材料的方法，该技术通过高能球磨湿混法制备出超细的SnO2悬浮液，与不同粒径的银粉混合进行高能球磨处理，得到AgSnO2复合粉，经成型烧结后得到超细掺杂的AgSnO2电触头材料。
中国专利文献号CN102820152A公开(公告)日2012.12.12，公开了一种喷射共沉积制备银氧化锡电触头材料的方法，该技术通过1200‐1400℃的熔态银液与氧化锡粉和添加物粉共同喷射获得银氧化锡沉积坯，并进一步挤压、拉拔或轧制成为触头材料。
中国专利文献号CN104051054A公开(公告)日2014.09.17，公开了一种银、碳化钛基触头材料及其制备方法。其配方按重量百分数配比如下：碳化钛3％‐40，余量为银。或者是碳化钛3％‐40，碳0.01％‐5％，余量为银。或者是碳化钛3％‐40，铁、钴、镍中的一种或几种混合物0.01％‐4％，余量为银。或者是碳化钛3％‐40，碳0.01％‐5％，铁、钴、镍中的一种或几种混合物0.01％‐4％，余量为银。
事实上，作为触头复合材料，减小陶瓷颗粒的尺寸和Ag晶粒的尺寸，并使它们获得均匀弥散的分布有利于提高触头的各项性能和寿命，为获得这样结构的触头材料还有许多其他的方法。然而，现有制备陶瓷/增强Ag复合材料电触头的方法均采用了先得到陶瓷颗粒，再将其掺至金属基体中的技术路线，这样的方法所获得的是一种块体材料，在这样的复合材料中不但难以将陶瓷颗粒的粒径进一步细化至20nm以下，也难将Ag基体的晶粒细化到50nm以下。
经对已公开信息的进一步查找发现，目前尚未公开由直径小于100nm的陶瓷颗粒和直径小于100nm的Ag晶粒组成且具高均匀弥散分布的超细纳米结构触头复合材料。另一方面，现有公开信息中用于触头的Ag基复合材料都属于块体材料而缺乏能够在开关元件接触面上直接镀覆的，以涂层形式存在的触头复合材料。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，该复合材料不但为可直接镀覆于电器开关元件上的涂层，而且由于组成复合材料的TiC颗粒和Ag晶粒均为极细的纳米尺度，使得复合材料兼具高硬度和高导电率，作为触头材料使用具有接触电阻低，耐磨损和耐电弧烧蚀的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，具有纳米尺度且均匀混合的TiC颗粒和Ag晶粒，该复合涂层的硬度为2.5‐4.2GPa，电阻率为3.4‐16μΩcm，涂层的厚度甚至可以达到0.3mm以上。
所述的TiC颗粒的含量为1.0‐6.0at.％，所述的Ag晶粒尺寸小于50nm。
所述的TiC颗粒在复合涂层中形成尺寸小于5nm的聚集态颗粒，并均匀地分布于Ag晶粒之间。
本发明涉及上述Ag‐TiC纳米的复合涂层的制备，采用气相沉积的磁控溅射法得到。
所述的气相沉积的磁控溅射法制备是指：采用磁控溅射技术在Ar气氛中通过直流阴极溅射金属Ag，通过射频阴极溅射TiC，使溅射的两种材料共同沉积于真空室中的基片上形成复合涂层，其中TiC含量通过TiC或Ag阴极的溅射功率进行控制。
所述的基体为金属。
由于本发明的纳米复合涂层中的Ag组分超过90％，而在溅射的制备过程中Ag组分由直流阴极提供，使得这种纳米复合涂层有很高的生产效率。
本发明涉及上述复合涂层在电触头中的应用，通过气相沉积将该涂层直接镀覆于电器开关元件的触点上。
技术效果
本发明提供的Ag‐TiC纳米复合涂层的特点包括：
1)复合膜的硬度高于2.5GPa，最高为4.2GPa，而涂层的电阻率仅为3‐16μΩcm。
2)Ag‐TiC复合涂层具有直径小于50nm的Ag晶粒和粒径小于20nmTiC颗粒的两相均匀混合结构，特别是，涂层中的TiC以微小颗粒的聚集态存在而不固溶于Ag的晶粒中，正是这种“双纳米”(指Ag的晶粒和TiC颗粒均为纳米尺度)的结构，和纳米Ag晶粒中没有固溶的TiC的特征，使得复合涂层在获得高硬度的同时较少损失Ag金属原有的导电能力，并能够使电弧实现充分分散而减少对触头的烧蚀。
3)在本发明的Ag‐TiC复合涂层中，添加物TiC的含量仅为1.0‐6.0at.％，因而这类涂层在采用磁控溅射方法制备时可因Ag材料由直流阴极提供而获得很高的生产效率，使得复合涂层的厚度可容易达0.3mm甚至更厚，满足不同触点应用对涂层厚度的要求。
4)本发明这种纳米复合涂层材料的“涂层”形式，可以采用气相沉积的方法直接镀覆在开关元件的特定位置形成触头，不但制备过程绿色环保，也提供了一种新的触头元件生产方式，并具有节约Ag资源的优点。
与现有技术相比，本发明提供的Ag‐TiC纳米复合涂层同时具有高的硬度和高的导电率，并且制备方法绿色高效，对于现代电器开关制作领域，具有很大的应用价值。采用双靶磁控溅射方法制备而成。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例在双靶磁控溅射仪的真空室中放置金属基片，抽去真空室中的气体达到10‐4Pa的压强后，对真空室充入Ar气并使其保持为0.4‐3Pa的压强，采用直流阴极溅射金属Ag，射频阴极溅射TiC，溅射靶的尺寸均为通过Ag和TiC两种溅射材料的共沉积，在基片上形成Ag‐TiC纳米复合涂层，复合涂层中的TiC通过直流和射频阴极的溅射功率控制。
Ag‐TiC纳米复合涂层中的TiC含量为1.0at.％，余为Ag，复合涂层的硬度为2.5GPa，电阻率为3.4μΩcm。
实施例2
本实施例采用与实施例1类似的操作，Ag‐TiC纳米复合涂层中的TiC含量为3.0at.％，余为Ag，复合涂层的硬度为3.8GPa，电阻率为7.0μΩcm。
实施例3
本实施例采用与实施例1类似的操作，Ag‐TiC纳米复合涂层中的TiC含量为6.0at.％，余为Ag，复合涂层的硬度为4.0GPa，电阻率为16.0μΩcm。。

Claims (9)

1.一种基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，其特征在于，具有纳米尺度且均匀混合的TiC颗粒和Ag晶粒，该复合涂层的硬度为2.5‐4.2GPa，电阻率为3.4‐16μΩcm。
2.根据权利要求1所述的基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，其特征是，所述的TiC颗粒的含量为1.0‐6.0at.％。
3.根据权利要求1所述的基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，其特征是，所述的Ag晶粒尺寸小于50nm。
4.根据权利要求1所述的基于磁控溅射共沉积技术的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层，其特征是，所述的TiC颗粒在复合涂层中形成尺寸小于5nm的聚集态颗粒，并均匀地分布于Ag晶粒之间。
5.一种根据上述任一权利要求所述的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，采用气相沉积的磁控溅射方法得到。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的磁控溅射方法是指：采用磁控溅射技术在Ar气氛中通过直流阴极溅射金属Ag，通过射频阴极溅射TiC，使溅射的两种材料共同沉积于真空室中的基片上形成复合涂层，其中TiC含量通过TiC或Ag阴极的溅射功率进行控制。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的基体为金属。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的磁控溅射方法具体为：在双靶磁控溅射仪的真空室中放置金属基片，抽去真空室中的气体达到10‐4Pa的压强后，对真空室充入Ar气并使其保持为0.4‐3Pa的压强，采用直流阴极溅射金属Ag，射频阴极溅射TiC，溅射靶的尺寸均为通过Ag和TiC两种溅射材料的共沉积，在基片上形成Ag‐TiC纳米复合涂层，复合涂层中的TiC通过直流和射频阴极的溅射功率控制。
9.一种上述任一权利要求中所述的电触头Ag‐TiC纳米复合涂层的应用，其特征在于，通过气相沉积将该涂层直接镀覆于电器开关元件的触点上。
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