CN108468017B - 一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，包括将铜触点基底材料进行机械抛光、清洗烘干；放入真空腔体中离子清洗后利用磁控溅射共沉积技术在铜触点基底表面直接沉积银石墨复合镀层。此方法得到的复合膜与基底结合良好，膜层厚度、成分均匀，沉积速率快，具有纳米级别的两相尺寸，表面粗糙度低，显著改善了电触点表面接触电阻，提高耐烧蚀性和使用寿命。相较于传统电镀方法，本发明方法工序少、效率高、绿色环保、成分精确可控、镀层结合力好，能满足工业化生产的需要。

Description

一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法

技术领域

本发明涉及一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的方法，使用磁控溅射在铜触点表面沉积银石墨复合镀层，镀层与基底结合良好，成分均匀，石墨以纳米级的相尺寸分布于银基体中，可以显著改善铜触点材料在反复开断过程中的电弧烧蚀均匀性，提高使用寿命，属于材料表面处理和改性技术领域。

背景技术

在低压电器及开关领域，铜金属由于具有高电导率、易加工性及成本低的特点，广泛被用作电接触触点材料，但空气中铜在反复的接通、断开过程中由于电弧的作用会形成氧化铜，极大的降低接触电阻和使用寿命。通过铜触点的表面镀层可以有效地改善铜触点的现有缺点，提升其在空气中的接触性能。银石墨复合镀层是一种特殊的功能材料，因为其良好的抗熔焊性和导电性、低而稳定的接触电阻以及优异的低温升特性，而被广泛的用于塑壳断路器、框架断路器以及家用小型断路器上，以及户外的高压隔离开关上。通过在铜触点基底上沉积一定厚度的银石墨镀层可以成本低廉地获得拥有结合良好、电接触寿命长的触点材料。

而现有的银石墨镀层主要是在含银石墨的复合镀液中进行电镀，例如中国电力科学研究院、上海交通大学、天津大学等研究院校和高校以及一些电镀企业开发了银-石墨复合电镀技术，但存在的问题是制备的镀层表面粗糙、致密度较差和结合力差，导致镀层在使用过程中磨损量大，机械寿命短。而且电镀作为全球三大污染工业之一，将逐步被严格限制，环保成本越来越高，因此新型绿色环保的银石墨镀膜方法亟需开发。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法。该方法通过绿色环保的磁控溅射技术在经过离子清洗的铜触点基底表面共沉积银、石墨，沉积的复合膜与基底结合良好，膜层厚度、成分均匀，沉积速率快，具有纳米级别的两相尺寸，表面粗糙度低，显著改善了电触点表面接触电阻，提高耐烧蚀性和使用寿命。相较于传统电镀方法，本发明方法工序少、效率高、绿色环保、成分精确可控、镀层结合力好，能满足工业化生产的需要。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，包括如下步骤：

1)将铜触点基体表面经机械抛光后、超声波清洗烘干；

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度；同时在溅射腔体中装入银靶与石墨靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空至指定本底真空度；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压，在一定功率下用射频电源辉光清洗触点表面；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压，调节银靶直流电源功率与石墨靶射频电源功率至指定值后，打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银石墨复合薄膜；当薄膜达到一定厚度后关闭银靶与石墨靶，关闭偏压，关闭样品台挡板，取出样品；

5)在氮气气氛下对得到的样品进行退火，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品，最终得到的触点表面的银石墨复合镀层。

进一步，所述步骤1)中，所选取的铜触点材料其致密度在98％以上，将铜触点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，用氮气吹干。

进一步，所述步骤2)中，腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^-3Pa。

进一步，所述步骤3)中，射频辉光清洗的功率为150W～200W，气压为1～2Pa，时间为30～60min。

进一步，所述步骤4)中，氩气气压为0.2～0.5Pa，沉积银-石墨复合薄膜的厚度为10μm～50μm。

进一步，所述步骤4)中，偏压范围为-50～-150V；银靶直流电源功率与石墨靶射频电源功率分别200W、100～200W。

进一步，所述步骤5)中，惰性气体为氮气或氩气，退火温度在200～400℃，退火时间为1～5h。

进一步，所述银石墨复合镀层的碳含量以原子比计为10～50％。

本发明方法利用磁控溅射共溅射方法在离子清洗后的铜触点基底表面上所制备的银石墨复合镀层，具有纳米级两相尺寸，可以形成均匀稳定的纳米级烧蚀区来改善烧蚀均匀性，提高电弧烧蚀寿命；通过调节辉光等离子清洗过程中的工艺条件，可以改善铜触点的表面活性状态，提高基底与复合镀层在纳米级别的冶金结合力；同时可以得到纳米级的表面粗糙度，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烧蚀现象，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、本发明所得到的银石墨复合镀层具有纳米级两相尺寸，可以形成均匀稳定的纳米级烧蚀区来改善烧蚀均匀性，提高电弧烧蚀寿命；同时可以得到纳米级的表面粗糙度，不大于55nm；

2、本发明通过调节离子清洗过程，可以改变铜基底的表面活性状态，实现基底与银石墨镀层在纳米级别的冶金结合，提高膜基结合力；

3、本发明采用的磁控溅射共沉积技术，工艺简单、操作方便，且可以精确调控银、石墨的比例成分，可靠性高；

4、本发明避免了污染严重、被严重限制的电镀工艺，采用绿色环保的磁控溅射技术，效率高、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。

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。

本发明的在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，包括下述步骤：

1)选取铜触点基体材料其致密度在98％以上，将铜触点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，用氮气吹干；

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度1×10^-5Pa～1×10^-3Pa；同时在溅射腔体中装入银靶与石墨靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空至指定本底真空度1×10^-5Pa～1×10^-3Pa；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压为1～2Pa，在150W～200W功率下用射频电源辉光清洗触点表面30～60min；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压为0.2～0.5Pa，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压-50～-150V，调节银靶直流电源功率与石墨靶射频电源功率分别至200W、100～200W后，打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银-石墨复合薄膜，沉积银-石墨复合薄膜的厚度为10μm～50μm；一定时间后，关闭银靶与石墨靶，关闭偏压，关闭样品台挡板，取出样品；

5)在氮气气氛下对得到的样品进行退火，温度在200～400℃，退火时间为1～5h，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品，最终得到的触点表面的银石墨复合镀层。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇中分别超声波清洗10min后、去离子水洗涤取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-3Pa；同时在溅射腔体中装入两块银靶与两块石墨靶，调节各个靶的倾斜角度至30度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到5×10^-4Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至2Pa，接入射频电源并调节其功率至150W辉光清洗触点表面30min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.3Pa，启动样品盘自转并以5度每秒匀速旋转；调节偏压至-100V，调节两个银靶直流电源功率至200W，两个石墨靶射频电源功率至100W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银石墨复合薄膜；沉积1h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火2h，退火温度为300℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银石墨复合镀层的厚度约为10μm，碳含量(原子比)约为15.5％，表面粗糙度为25nm。

实施例2

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇中分别超声波清洗5min后、去离子水洗涤取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-4Pa；同时在溅射腔体中装入四块银靶，调节各个靶的倾斜角度至45度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到1×10^-5Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至1Pa，接入射频电源并调节其功率至200W辉光清洗触点表面60min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.2Pa，启动样品盘自转并以10度每秒匀速旋转；调节偏压至-50V，调节两个银靶直流电源功率至200W，两个石墨靶射频电源功率至150W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银石墨复合薄膜；沉积2h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火5h，退火温度为200℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银石墨复合镀层的厚度约为35μm，碳含量(原子比)约为22.0％，表面粗糙度为35nm。

实施例3

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇中分别超声波清洗5min后、去离子水洗涤取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-4Pa；同时在溅射腔体中装入四块银靶，调节各个靶的倾斜角度至45度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到1×10^-5Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至1Pa，接入射频电源并调节其功率至200W辉光清洗触点表面40min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.5Pa，启动样品盘自转并以15度每秒匀速旋转；调节偏压至-150V，调节两个银靶直流电源功率至200W，两个石墨靶射频电源功率至200W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银石墨复合薄膜；沉积2h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火1h，退火温度为400℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银石墨复合镀层的厚度约为50μm，碳含量(原子比)约为41.0％,表面粗糙度为55nm。

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 (5)

1.一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)将铜触点基体表面经机械抛光后，超声波清洗烘干；

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度；同时在溅射腔体中装入银靶与石墨靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空至指定本底真空度；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压，在一定功率下用射频电源辉光清洗触点表面；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压，调节银靶直流电源功率与石墨靶射频电源功率至指定值后，打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银-石墨复合薄膜；当薄膜达到一定厚度后关闭银靶与石墨靶，关闭偏压，关闭样品台挡板，取出样品；

5)在氮气气氛下对得到的样品进行退火，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品，最终得到的触点表面的银石墨复合镀层；

所述步骤4)中，偏压范围为-50～-150V；银靶直流电源功率与石墨靶射频电源功率分别为200W、100～200W；

所述步骤5)中，惰性气体为氮气或氩气，退火温度在200～400℃，退火时间为1～5h；

所述银-石墨复合薄膜的碳含量按照原子比计为10～50％，表面粗糙度不小于55nm。

2.根据权利要求1所述的一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤1)中，所选取的铜触点基体材料其致密度在98％以上，将铜触点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，用氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤2)中，腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤3)中，射频辉光清洗的功率为150W～200W，气压为1～2Pa，时间为30～60min。

5.根据权利要求1所述的一种在铜触点表面制备银石墨复合镀层的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤4)中，氩气气压为0.2～0.5Pa，沉积银-石墨复合薄膜的厚度为10μm～50μm。