[發(fā)明專利]一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102522241A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設計）人: 潘峰;王光月;曾飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01H11/04
• 分類號: H01H11/04;H01H1/025
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

技術領域

本發(fā)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。

背景技術

人們現(xiàn)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(tǒng)中最重要的組件。斷路器擔負著控制和保護電力系統(tǒng)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(fā)展起到?jīng)Q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(xiàn)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(yōu)良的耐電弧侵蝕性、低的截斷電流和優(yōu)良的截流能力?，F(xiàn)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(chǎn)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(wěn)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(nèi)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(chǎn)品。因此無論從技術上，還是從商業(yè)的考慮都需要研究新的觸頭材料制備技術。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種CuCr合金觸頭材料及其制備方法。

本發(fā)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(nèi)沉積的Cr質(zhì)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(nèi)沉積的Cu質(zhì)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(xù)沉積CuCr合金膜b，然后在真空條件下經(jīng)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～50μm，具體可為700nm、1μm、2μm或20μm；所述CuCr合金膜a的厚度可為5μm～10cm，具體可為5.5μm、6.5μm、27μm或487μm；所述CuCr合金膜b的厚度可為1μm～10cm，具體可為1μm、2.6μm、5μm或53μm。

上述的制備方法中，步驟(2)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(3)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1×10^-3Pa～7×10^-8Pa，具體可為5×10^-5Pa、1×10^-5Pa或7×10^-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0V～2000V，具體可為0V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、10cm或15cm。