CN112126898B - 一种真空断路器用触头及其制备方法，真空断路器、真空断路器触头用合金镀层材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空断路器用触头及其制备方法，真空断路器、真空断路器触头用合金镀层材料。该真空断路器用触头包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18‑25％，Mo 5‑10％，Ta 20‑30％，余量为Cu。本发明提供的真空断路器用触头，经磁控溅射镀覆Cu、Cr、Mo、Ta元素分布均匀的合金膜，Cu、Cr、Mo、Ta元素形成多组分稳定相结构，在高温下未发现明显相分离与扩散。经真空击穿实验表明，其可使电弧在触头表面更广泛的区域运动，减少集中侵蚀，具有优异的抗电弧烧蚀性能及耐电压性能。

Description

一种真空断路器用触头及其制备方法，真空断路器、真空断路器触头用合金镀层材料

技术领域

本发明属于触头材料领域，具体涉及一种真空断路器用触头及其制备方法，真空断路器、真空断路器触头用合金镀层材料。

背景技术

目前在126kV真空断路器中的触头材料，大多采用整体制造的CuCr合金(如CN105761956A等)，其制造技术经过多年的发展、吸收消化、推广应用等，已经形成熟的制造工艺体系。触头材料的寿命决定真空断路器的寿命，在真空灭弧室中作用至关重要。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。

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。申请公布号为CN111074209A的中国发明专利申请公开了一种真空灭弧室触头材料表面镀层及处理方法，其是磁控溅射沉积方式制备CuCrMo合金膜，其中Cr含量为25-55％，Mo含量5-9％，其余为Cu。磁控溅射沉积薄膜是分子、原子级别的沉积过程，通过磁控溅射形成的CuCrMo合金膜，其能够在一定程度上起到分散阴极斑点的目的，有利于消除集中侵蚀；可以降低截流值，提高耐电压强度。以上CuCrMo合金膜的优异性能与磁控溅射形成的微观结构具有重要关系。

当前真空断路器CuCr合金触头在使用前，需通过钎焊工艺，将触头与触头杆在800℃下经4-8h焊接到一起，而CuCrMo薄膜经过800℃退火后，由于CuCr两相不互溶，自发分离，形成两相结构，两相固溶析出过程中，Cu相熔点低，故在表面优先析出，导致薄膜表面形貌改变，且电烧蚀性能由于低熔点的Cu相析出而降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空断路器用触头，其在高温下的微观结构稳定，无相分离和扩散的发生；而且具有优异的抗电弧烧蚀性能及耐电压性能。

本发明还提供了上述真空断路器用触头的制备方法以及使用上述触头的真空断路器、真空断路器触头用合金镀层材料。

为实现上述目的，本发明的真空断路器用触头的技术方案是：

一种真空断路器用触头，包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta 20-30％，余量为Cu。

本发明提供的真空断路器用触头，经磁控溅射镀覆Cu、Cr、Mo、Ta元素分布均匀的合金膜，Cu、Cr、Mo、Ta元素形成多组分稳定相结构，可极大增加Cu元素扩散的阻力，降低800℃-900℃退火时Cu相的析出，维持了薄膜微观结构的稳定，维持了薄膜的耐电烧蚀性能。经真空击穿实验表明，其可使电弧在触头表面更广泛的区域运动，减少集中侵蚀，具有优异的抗电弧烧蚀性能及耐电压性能。

触头基底可选择铜或铜铬合金，铜铬合金中铬的质量分数为10-50％。

优选的，所述表面镀层的厚度为1-20μm。进一步优选为1-10μm，考虑在真空断路器工作过程中，因电烧蚀和磨损，导致触头表面镀层损耗，最优选为3-8μm。

本发明的真空断路器用触头的制备方法的技术方案是：

一种真空断路器用触头的制备方法，包括以下步骤：以氩气为工作气体，纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶为靶材，在触头基底表面进行磁控共溅射沉积。

本发明的真空断路器用触头的制备方法，通过磁控溅射方式制备CuCrMoTa合金膜，经退火处理后形成细化均匀的组织，可对电弧阴极斑点的运动产生引导作用，同时，由于各种金属元素特殊的组合形式形成高熵合金。该高熵合金呈现一种扩散迟缓效应，具有很好的抗高温原子扩散能力，经高温热处理后具有稳定的微观结构，可以提高真空电弧烧蚀的均匀性，可进一步增加CuCr触头的寿命和耐烧蚀性能。

CuCrMoTa合金膜具有较高的耐电压强度，更低的截流值和更长的燃弧时间。Mo、Ta、Cu、Cr的合用有助于提高其耐电压强度。Mo和Ta较低的功函数和CuCrMoTa合金膜较低的电阻率有利于降低截流值。真空击穿实验表明，CuCrMoTa合金膜可使真空电弧烧蚀面积增大，烧蚀深度减小，截流值几乎下降为原来的一半。

优选的，所述工作气体的流量为25-35sccm，工作气压为0.3-0.7Pa。纯Cu靶的溅射功率为80-100W，纯Ta靶的溅射功率为60-120W，纯Cr靶的溅射功率为50-130W，纯Mo靶的溅射功率为120-150W；共溅射的时间为60-90min。纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶的纯度越高越好，一般而言，纯Cu靶的纯度达到99.95％(质量百分比)、纯Ta靶的纯度达到99.95％、纯Cr靶的纯度达到99.99％、纯Mo靶的纯度达到99.99％即可达到良好的沉积效果。

本发明的真空断路器的技术方案是：

一种真空断路器，包括触头，所述触头包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta 20-30％，余量为Cu。

本发明的真空断路器，所使用的触头材料可分散和引导电弧的烧蚀，提高真空电弧烧蚀的均匀性，提高触头的使用寿命，进而提高真空断路器的使用寿命和稳定性。

优选的，所述表面镀层的厚度为1-20μm。

本发明的真空断路器触头用合金镀层材料的技术方案是：

一种真空断路器触头用合金镀层材料，所述合金镀层材料由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta 20-30％，余量为Cu。

本发明的真空断路器触头用合金镀层材料，可极大增加Cu元素扩散的阻力，降低800℃-900℃退火时Cu相的析出，维持了薄膜微观结构的稳定，维持了薄膜的耐电烧蚀性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的表面镀层的表面形貌图；

图2为本发明实施例1制得的表面镀层的截面图；

图3为CuCr基体一次真空击穿后的形貌图；

图4为CuCrMoTa膜退火后一次真空击穿后的形貌图；

图5为CuCrMo薄膜800℃退火前形貌图；

图6为CuCrMo薄膜800℃退火前形貌图；

图7为本发明实施例1制得的表面镀层在退火前的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。

以下实施例中，触头基底的质量百分比组成为：Cr 50％，Cu 50％。磁控溅射设备为JPG-450a型双室磁控溅射设备。

一、本发明的真空断路器用触头及其制备方法的具体实施例

实施例1

本实施例的真空断路器用触头的制备方法，采用以下步骤：

1)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。

2)将基底放置旋转基片架上，旋转速度ω＝10r/min。通入纯度为99.99％的氩气，氩气流量30sccm，工作气压为0.5Pa，先对基底表面预溅射10min以除去靶材表层物质(等离子清洗)。在步骤中，旋转极片架的设置并非为必须，可根据实际使用的磁控溅射沉积设备进行确定。

靶材选择纯Cu靶(99.95％)，纯Ta靶(99.95％)，纯Cr靶(99.99％)，纯Mo靶(99.99％)，溅射功率分别为90W、60W、130W、150W；同时打开各靶材前方的挡板，采用等离子体轰击靶材60min并沉积在CuCr基底上，形成1620nm厚度的沉积层。

3)将步骤2)所得材料在800℃真空退火处理4h，炉冷至室温。

本实施例的制备方法得到真空断路器用触头：包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 25％，Mo8％，Ta 21％，余量为Cu。

实施例2

本实施例的真空断路器用触头的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤2)中，纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶的溅射功率分别为90W、80W、80W、150W。共溅射的时间为80min，形成1370nm厚度的沉积层。

本实施例的制备方法得到真空断路器用触头：包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 21％，Mo9％，Ta 25％，余量为Cu。

实施例3

本实施例的真空断路器用触头的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤2)中，旋转速度ω＝9r/min。纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶的溅射功率分别为90W、90W、70W、150W。氩气流量30sccm，工作气压为0.3Pa。共溅射的时间为70min，形成1210nm厚度的沉积层。

本实施例的制备方法得到真空断路器用触头：包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 20％，Mo6％，Ta 28％，余量为Cu。

实施例4

本实施例的真空断路器用触头的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

步骤2)中，旋转速度ω＝11r/min。纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶的溅射功率分别为90W、120W、50W、150W。氩气流量30sccm，工作气压为0.7Pa；共溅射的时间为60min，形成1370nm厚度的沉积层。

本实施例的制备方法得到真空断路器用触头：包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18％，Mo6％，Ta 30％，余量为Cu。

在本发明的真空断路器用触头及其制备方法的其他实施例中，与实施例1介绍不同的是，Mo的质量含量为10％，Ta的质量含量为20％。在相应的制备方法中，工作气体流量为25sccm，纯Cu靶的溅射功率为100W，Mo靶的溅射功率为120W，调节共溅射时间，使镀层厚度达到3-4μm。

在本发明的真空断路器用触头及其制备方法的其他实施例中，与实施例1介绍不同的是，Mo的质量含量为5％，Ta的质量含量为20％。在相应的制备方法中，工作气体流量为35sccm，纯Cu靶的溅射功率为80W，Mo靶的溅射功率为140W，调节共溅射时间，使镀层厚度达到3-4μm。

以上实施例是以组成为Cr 50％、Cu 50％的触头基底为例进行说明，根据触头及以上镀层的基本原理，触头基底可以选择为Cu，或者选择Cr含量为10％、20％、30％、40％的铜铬合金。

二、本发明的真空断路器，与现有126kV真空断路器的结构相同，区别仅在于，采用以上实施例的触头。

三、本发明的真空断路器用合金镀层材料，与实施例1-4中表面镀层的组成相同。

四、实验例

实验例1

对实施例1所得触头进行表面形貌分析，其表面形貌如图1所示，表面镀层的截面形貌如图2所示。

从图1可以看出，实施例的触头表面较为光滑平整，无明显大颗粒存在。从图2可以看出，表面镀层呈致密柱状结构。

实验例2

对CuCr基底和表面镀覆有实施例1的表面镀层(CuCrMoTa膜)的CuCr基底进行真空击穿实验。真空电击穿实验在腔室真空度小于10^-3Pa时，阴极和阳极之间加上4-8kV的直流电压，使阴极尽可能的匀速靠近阳极直至发生一次击穿。

CuCr基底一次真空击穿后的形貌图如图3所示。CuCrMoTa膜退火后一次真空击穿后的形貌图如图4所示。

由图可以看出，一次击穿后，CuCrMoTa膜击穿烧蚀深度(35微米)小于CuCr基体(65微米)，烧蚀面积更大，说明Mo和Ta的加入有利于电弧阴极斑点的运动，使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。

实验例3

对CuCr基底和表面镀覆有实施例1的表面镀层(CuCrMoTa膜)的CuCr基底进行真空击穿实验。真空电击穿实验在腔室真空度小于10^-3Pa时，阴极和阳极之间加上4-8kV的直流电压，使阴极尽可能的匀速靠近阳极直至发生击穿，放电波形由Tektronix TDS2024型滤波器进行记录并得到耐电压强度、截流值和燃弧时间，结果如表1所示。

表1 CuCr基底和CuCrMoTa薄膜五次真空击穿实验结果平均值

由表1可知，表面CuCrMoTa薄膜具有更高的耐电压强度和更低的截流值。

实验例4

参考实施例1的方法采用JPG-450a型双室磁控溅射设备溅射CuCrMo合金膜。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。制得的CuCrMo合金膜的厚度为1-2μm，其中，Mo的质量百分比为9％，Cr的质量比为31％，Cu的质量百分比为余量。

对CuCr基底表面镀覆的CuCrMo薄膜，经过800℃高温真空退火处理4h。退火前表面形貌如图5所示，其表面平坦且无孔隙，退火后，表面形貌如图6所示，经过800℃高温真空退火处理4h，CuCrMo薄膜表面形貌由平坦形貌变为树突状且包含大量孔隙的不平整表面。比较本发明实施例1制备的CuCrMoTa薄膜，经过800℃高温真空退火处理4h，退火前形貌如图7所示，退火后形貌如图1所示，退火前后表面形貌基本未见较大变化。

根据以上实验例，实施例的CuCrMoTa薄膜可有效降低800℃-900℃退火时Cu相的析出，维持了薄膜微观结构的稳定，避免因Cu相的析出而导致镀层的耐电压、耐电弧烧蚀性能下降。

Claims (10)

1.一种真空断路器用触头，其特征在于，包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta20-30％，余量为Cu。

2.如权利要求1所述的真空断路器用触头，其特征在于，所述表面镀层的厚度为1-20μm。

3.如权利要求1或2所述的真空断路器用触头，其特征在于，所述触头基底为铜或铜铬合金，铜铬合金中铜的质量分数为10-50％。

4.一种如权利要求1或2或3所述的真空断路器用触头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以氩气为工作气体，纯Cu靶、纯Ta靶、纯Cr靶、纯Mo靶为靶材，在触头基底表面进行磁控共溅射沉积。

5.如权利要求4所述的真空断路器用触头的制备方法，其特征在于，所述工作气体的流量为25-35sccm，工作气压为0.3-0.7Pa。

6.如权利要求4或5所述的真空断路器用触头的制备方法，其特征在于，纯Cu靶的溅射功率为80-100W，纯Ta靶的溅射功率为60-120W，纯Cr靶的溅射功率为50-130W，纯Mo靶的溅射功率为120-150W；共溅射的时间为60-90min。

7.一种真空断路器，其特征在于，包括触头，所述触头包括触头基底以及通过磁控溅射镀覆在触头基底上的表面镀层，所述表面镀层由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta 20-30％，余量为Cu。

8.如权利要求7所述的真空断路器，其特征在于，所述表面镀层的厚度为1-20μm。

9.如权利要求7所述的真空断路器，其特征在于，所述触头基底为铜或铜铬合金，铜铬合金中铜的质量分数为10-50％。

10.一种真空断路器触头用合金镀层材料，其特征在于，所述合金镀层材料由以下质量百分比的组分组成：Cr 18-25％，Mo 5-10％，Ta 20-30％，余量为Cu。

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