一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法

專利名稱：一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法，屬于金屬材料技術領域。
技術背景
人們現在的生活對電的依賴程度越來越大，高壓斷路器等是電力系統中最重要的組件。斷路器擔負著控制和保護電力系統的作用，并且要能安全可靠的運行。觸頭是公認的斷路器等高壓開關的關鍵部件，其直接影響真空斷路器的電氣性能。觸頭材料在很大程度上對斷路器的發展起到決定性作用。CuCr合金材料是一種很好的長壽命真空觸頭材料， 是現有所有觸頭材料中最理想的觸頭材料，其具有高的耐電壓強度、優良的耐電弧侵蝕性、 低的截斷電流和優良的截流能力。現在制備CuCr合金觸頭材料的主要方法有粉末燒結法、 熔滲法、自耗電極法、電弧熔煉法和感應熔煉-鑄造法等。這些方法在制備的過程中要消耗大量的能量和原材料，生產成本較高，在性能方面，導電性和強度還有待進一步提高。以粉末燒結法為例，該方法以Cu和Cr的粉末為原料，通過機械攪拌充分混合原料，制備得到的 CuCr合金塊材，其中的Cr組元具有較大的晶粒尺寸，達到幾微米甚至幾十微米。而觸頭材料在保證具有良好的抗電弧侵蝕的同時還要保證有良好的導電性，因此CuCr合金中Cr組元必須均勻的分布于Cu組元之中，同時Cu組元必須連成一體，以使得傳輸電子可在材料中任意位置順利傳輸，從而減小材料不同位置的差異。材料的致密度越高越好，否則觸頭材料的穩定性、使用壽命等都會大打折扣，不利于降低觸頭材料的使用成本。為提高CuCr合金觸頭材料的性能，Cr組元的晶粒細化是重要而且有效的手段。Cr組元的晶粒細化有利于提高耐電壓強度，降低截流電流，降低觸頭材料表面粗糙度，增強觸頭材料的耐電弧侵蝕性。 所以粉末燒結法很難進一步細化晶粒，提高致密性、導電性，降低能耗和材料消耗。目前，國內觸頭材料的制備嚴重受制于國外的技術壟斷，關鍵觸頭材料靠高價進口國外產品。因此無論從技術上，還是從商業的考慮都需要研究新的觸頭材料制備技術。發明內容
本發明的目的是提供一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法。
本發明提供的一種CuCr合金觸頭材料的制備方法，包括如下步驟
(1)采用物理氣相沉積在自轉的基片上沉積Cu膜；
(2)采用物理氣相沉積，啟動Cr組元的沉積，并保持Cr組元的相對沉積速率增長， 在所述Cu膜上沉積CuCr合金膜a ；所述Cr組元的相對沉積速率為Cr組元的沉積速率與 Cu組元的沉積速率的比值，所述Cr組元的沉積速率為單位面積的所述基片上單位時間內沉積的Cr質量；所述Cu組元的沉積速率為單位面積的所述基片上單位時間內沉積的Cu質量；
(3)采用物理氣相沉積，保持Cr組元的相對沉積速率不變，在所述CuCr合金膜a 上繼續沉積CuCr合金膜b，然后在真空條件下經原位退火即得所述CuCr合金觸頭材料。
上述的制備方法中，所述Cu膜的厚度可為500nm 50 μ m，具體可為700nm、1 μ m、2μπι或20μπι ；所述CuCr合金膜a的厚度可為5μπι 10cm，具體可為5. 5μπι、6. 5μπκ 27 μ m或487 μ m ；所述CuCr合金膜b的厚度可為1 μ m 10cm，具體可為1 μ m、2. 6 μ m、5 μ m 或 53 μ m。
上述的制備方法中，步驟( 中，所述Cr組元的相對沉積速率可為0 15，但不為 0，具體可為 0. 02 0. 27,0. 01 0. 25,0. 01 1. 5 或 0. 01 0. 08。
上述的制備方法中，步驟C3)中，所述Cr組元的相對沉積速率可為0. 01 1. 5，具體可為 0. 08,0. 25,0. 27 或 1. 5。
上述的制備方法中，所述物理氣相沉積具體可為磁控共濺射鍍膜法；所述磁控共濺射鍍膜法的真空度可為1 X IO-3Pa 7 X 10_8Pa，具體可為5 X 10_5Pa、1 X KT5Pa或 7X IO^4Pa,工作氣壓可為0. 05Pa 5Pa，具體可為0. 4Pa、0. 8Pa或5Pa ；氣體流量可為 5sccm 2000sccm，具體可為20sccm、90sccm或200sccm，自偏壓可為OV 2000V，具體可為OV或1000V ；所述基片的自轉速率可為2轉/min 50轉/min，具體可為20轉/min、30 轉/min或45轉/min，Cu靶的直徑可為20mm 1000mm，具體可為75mm，Cr靶的直徑可為 20mm 1000mm，具體可為75mm，Cu靶和Cr靶與所述基片的間距均可為5cm 70cm，具體可為 6cm、IOcm 或 15cm。
上述的制備方法中，所述物理氣相沉積具體可為真空蒸發鍍膜法；所述真空蒸發鍍膜法的真空度可為ι χ IO-3Pa 7X 10_8Pa，具體可為7X 10_8Pa，所述基片的自轉速率可為2轉/min 50轉/min，具體可為4轉/min，Cu靶和Cr靶與所述基片的間距均可為5cm 70cm，具體可為70cm。
上述的制備方法中，所述基片可為無氧銅。
上述的制備方法中，步驟(3)中所述真空條件的真空度可為5X10_2I^ 7X10_8Pa，具體可為3X10-4Pa、5Xl(T4Pa或lX10_7Pa，所述原位退火的溫度可為300°C 600°C，具體可為300°C、500°C或600°C，所述原位退火的時間可為30min 300min，具體可為30min、90min或300min，在所述原位退火過程中，Cu晶粒長大，晶界數量減少，可提高材料的電導率和致密性，同時使納米級的Cr析出，則這些納米級的Cr則鑲嵌在連成一體的Cu 組元之中；所述原位退火步驟可使材料的表面粗糙度更低，降低觸頭開關中觸頭之間的接觸電阻，從而延長觸頭開關的使用壽命，提高觸頭開關的傳導電流能力和效能。
本發明還提供了由上述方法制備的CuCr合金觸頭材料；所述材料中，Cu和Cr在薄膜同一深度位置的分布很均勻，且Cu組元連為一體呈網絡狀，Cr分布于銅網絡的網格之中，因此合金薄膜表面任意位置的電學性質等各項性質差異非常小，觸頭材料的整體導電率> 20% IACS，相比于CuCr觸頭材料的傳統制備方法，物理氣相沉積的方法制備的觸頭材料，Cr組元晶粒尺寸可以得到很大細化，晶粒尺寸小于400nm，且材料致密性良好，相對密度彡99%。
本發明采用物理氣相沉積的方法制備了高強度、高導電、高耐電弧侵蝕的CuCr合金觸頭材料，同時該方法可以節約能源和原材料的消耗。
具體實施方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
實施例1、CuCr合金觸頭材料的制備
在經拋光處理的無氧銅基片上采用磁控共濺射鍍膜法進行沉積，其中，控制濺射的本底真空度為5X 10_5Pa，工作氣氛高純Ar氣的工作氣壓為0. 4Pa,氣體流量為20sCCm， 并控制基片自轉的速率為20轉/min，Cu靶直徑為75mm，Cr靶直徑為75mm，兩種靶材到無氧銅基片的距離均為15cm，自偏壓為OV ；首先，固定Cu靶的濺射功率為180W始終不變，在無氧銅基片上生長一層純Cu膜，生長時間15min得到厚度為1 μ m的純Cu膜；然后保持Cu 組元的濺射功率進行持續生長，啟動Cr組元的生長，Cr靶的濺射功率由IOW開始，之后每隔5min增加10W，隨膜厚的增加功率逐漸增大到200W得到厚度為6. 5 μ m的CuCr合金薄膜 a,該沉積過程中，Cr的相對沉積速率由0. 02增至0. 27 ；接著保持Cu靶180W和Cr靶200W 的濺射功率不變，在CuCr合金薄膜a上繼續生長30min得到厚度為2. 6 μ m的CuCr合金薄膜b ；濺射生長完成后停止通氣氛，在真空度5 X IO-4Pa條件下進行原位退火處理即可，退火溫度為500°C，退火時間為90min。
本實施例得到的CuCr合金觸頭材料的導電率為56% IACS, Cr晶粒尺寸60nm，表面均方根粗糙度35nm，致密度99. 8%。
實施例2、CuCr合金觸頭材料的制備
在經拋光處理的無氧銅基片上采用磁控共濺射鍍膜法進行沉積，其中，控制濺射的本底真空度為ι X 10 ,工作氣氛高純Ar氣的工作氣壓為0. 8Pa,氣體流量為90sCCm，并控制基片自轉的速率為30轉/min，Cu靶直徑為75mm，Cr靶直徑為75mm，兩種靶材到無氧銅基片的距離均為10cm，自偏壓為1000V ；首先，固定Cu靶的濺射功率為400W始終不變，在無氧銅基片上生長一層純Cu膜，生長時間IOmin得到厚度為2 μ m的純Cu膜；然后保持Cu 組元的濺射功率進行持續生長，啟動Cr組元的生長，Cr靶的濺射功率由IOW開始，之后每隔5min增加25W，隨膜厚的增加功率逐漸增大到500W得到厚度為27 μ m的CuCr合金薄膜 a,該沉積過程中，Cr的相對沉積速率由0. 01增至0. 25 ；接著保持Cu靶400W和Cr靶500W 的濺射功率不變，在CuCr合金薄膜a上繼續生長20min得到厚度為5 μ m的CuCr合金薄膜 b ；濺射生長完成后停止通氣氛，在真空度3 X 條件下進行原位退火處理即可，退火溫度為600°C，退火時間為30min。
本實施例得到的CuCr合金觸頭材料的導電率為50% IACS, Cr晶粒尺寸70nm，表面均方根粗糙度40nm，致密度99. 7%。
實施例3、CuCr合金觸頭材料的制備
在經拋光處理的無氧銅基片上采用真空蒸發鍍膜法進行沉積，加熱方式為電子束加熱，其中，控制鍍膜的本底真空度為7 X IO-8Pa,基片的自轉速率為4轉/min，Cu靶和Cr靶到基片的間距均為70cm ；首先，固定Cu靶的加熱功率400W始終不變，在無氧銅基片上生長一層純Cu膜，生長時間30min得到厚度為700nm的純Cu膜；然后保持Cu組元的持續生長， 啟動Cr組元的生長，Cr靶的加熱功率由IOW開始，之后每隔12min增加5W，隨膜厚的增加功率逐漸增大到100W得到厚度為5. 5 μ m的CuCr合金薄膜a，該沉積過程中，Cr的相對沉積速率由0. 01增至0. 08 ；接著保持Cu靶400W和Cr靶100W的加熱功率不變，在CuCr合金薄膜a上繼續40min得到厚度為1. 0 μ π!的CuCr合金薄膜b ；然后在真空度為1 X IO^7Pa 條件下進行原位退火處理即可，退火溫度為300°C，退火時間為300min。
本實施例得到的CuCr合金觸頭材料的導電率為75% IACS, Cr晶粒尺寸43nm，表面均方根粗糙度21nm，致密度99. 9%。
實施例4、CuCr合金觸頭材料的制備
在經拋光處理的無氧銅基片上采用磁控共濺射鍍膜法進行沉積，其中，控制濺射的本底真空度為7X10_4Pa，工作氣氛高純Ar氣的工作氣壓為5Pa，氣體流量為200sCCm，并控制基片自轉的速率為45轉/min，Cu靶直徑為75mm，Cr靶直徑為75mm，兩種靶材到無氧銅基片的距離均為6cm，自偏壓為OV ；首先，固定Cu靶的濺射功率為450W始終不變，在無氧銅基片上生長一層純Cu膜，生長時間25min得到厚度為20 μ m的純Cu膜；然后保持Cu組元的濺射功率進行持續生長，啟動Cr組元的生長，Cr靶的濺射功率由20W開始，之后每隔 IOmin增加20W，隨膜厚的增加功率逐漸增大到870W得到厚度為487 μ m的CuCr合金薄膜 a,該沉積過程中，Cr的相對沉積速率由0. 01增至1. 5 ；接著保持Cu靶450W和Cr靶870W 的濺射功率不變，在CuCr合金薄膜a上繼續生長40min得到厚度為53 μ m的CuCr合金薄膜b ；濺射生長完成后停止通氣氛，在真空度5 X IO-4Pa條件下進行原位退火處理即可，退火溫度為600°C，退火時間為300min。
本實施例得到的CuCr合金觸頭材料的導電率為30% IACS5Cr晶粒尺寸170nm，表面均方根粗糙度87nm，致密度99. 2%。
權利要求
1.一種CuCr合金觸頭材料的制備方法，包括如下步驟(1)采用物理氣相沉積在自轉的基片上沉積Cu膜；(2)采用物理氣相沉積，啟動Cr組元的沉積，并保持Cr組元的相對沉積速率增長，在所述Cu膜上沉積CuCr合金膜a ；所述Cr組元的相對沉積速率為Cr組元的沉積速率與Cu組元的沉積速率的比值，所述Cr組元的沉積速率為單位面積的所述基片上單位時間內沉積的Cr質量；所述Cu組元的沉積速率為單位面積的所述基片上單位時間內沉積的Cu質量；(3)采用物理氣相沉積，保持Cr組元的相對沉積速率不變，在所述CuCr合金膜a上繼續沉積CuCr合金膜b，然后在真空條件下經原位退火即得所述CuCr合金觸頭材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述Cu膜的厚度為500nm 50μπι;所述 CuCr合金膜a的厚度為5 μ m IOcm ；所述CuCr合金膜b的厚度為1 μ m 10cm。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于步驟O)中，所述Cr組元的相對沉積速率為0 15，但不為0。
4.根據權利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于步驟(3)中，所述Cr組元的相對沉積速率為0. 01 1. 5。
5.根據權利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于所述物理氣相沉積為磁控共濺射鍍膜法；所述磁控共濺射鍍膜法的真空度為丨父川—^！ ？父川呷⑴工作氣壓為 0. 05Pa 5Pa ；氣體流量為5sccm 2000sccm，自偏壓為OV 2000V。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述磁控共濺射鍍膜法中，所述基片的自轉速率為2轉/min 50轉/min，Cu靶的直徑為20mm 1000mm，Cr靶的直徑為20mm 1000mm, Cu靶和Cr靶與所述基片的間距均為5cm 70cm。
7.根據權利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于所述物理氣相沉積為真空蒸發鍍膜法；所述真空蒸發鍍膜法的真空度為IX IO-3Pa 7 X 10_8Pa，所述基片的自轉速率為2 轉/min 50轉/min，Cu靶和Cr靶與所述基片的間距均為5cm 70cm。
8.根據權利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于所述基片為無氧銅。
9.根據權利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述真空條件的真空度為5X 10_2Pa 7X 10_8Pa，所述原位退火的溫度為300°C 600°C，所述原位退火的時間為 30min 300min。
10.權利要求1-9中任一所述方法制備的CuCr合金觸頭材料。
全文摘要
本發明公開了一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法。該方法包括如下步驟(1)采用物理氣相沉積在自轉的基片上沉積Cu膜；(2)啟動Cr組元的沉積，并保持Cr組元的相對沉積速率梯度增長，在所述Cu膜上沉積CuCr合金膜a；所述Cr組元的相對沉積速率為Cr組元的沉積速率與Cu組元的沉積速率的比值，所述Cr組元的沉積速率為單位元面積的所述基片上單位時間內沉積的Cr質量；所述Cu組元的沉積速率為單位元面積的所述基片上單位時間內沉積的Cu質量；(3)保持Cr組元的相對沉積速率不變，在所述CuCr合金膜a上繼續沉積CuCr合金膜b，然后在真空條件下經原位退火即得。本發明采用物理氣相沉積的方法制備了高強度、高導電、高耐電弧侵蝕的CuCr合金觸頭材料，同時該方法可以節約能源和原材料的消耗。
文檔編號H01H11/04GK102522241SQ20111041282
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者曾飛, 潘峰, 王光月 申請人:清華大學