专利名称：一种CuCr合金触头材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种CuCr合金触头材料及其制备方法，属于金属材料技术领域。
技术背景
人们现在的生活对电的依赖程度越来越大，高压断路器等是电力系统中最重要的组件。断路器担负着控制和保护电力系统的作用，并且要能安全可靠的运行。触头是公认的断路器等高压开关的关键部件，其直接影响真空断路器的电气性能。触头材料在很大程度上对断路器的发展起到决定性作用。CuCr合金材料是一种很好的长寿命真空触头材料， 是现有所有触头材料中最理想的触头材料，其具有高的耐电压强度、优良的耐电弧侵蚀性、 低的截断电流和优良的截流能力。现在制备CuCr合金触头材料的主要方法有粉末烧结法、 熔渗法、自耗电极法、电弧熔炼法和感应熔炼-铸造法等。这些方法在制备的过程中要消耗大量的能量和原材料，生产成本较高，在性能方面，导电性和强度还有待进一步提高。以粉末烧结法为例，该方法以Cu和Cr的粉末为原料，通过机械搅拌充分混合原料，制备得到的 CuCr合金块材，其中的Cr组元具有较大的晶粒尺寸，达到几微米甚至几十微米。而触头材料在保证具有良好的抗电弧侵蚀的同时还要保证有良好的导电性，因此CuCr合金中Cr组元必须均勻的分布于Cu组元之中，同时Cu组元必须连成一体，以使得传输电子可在材料中任意位置顺利传输，从而减小材料不同位置的差异。材料的致密度越高越好，否则触头材料的稳定性、使用寿命等都会大打折扣，不利于降低触头材料的使用成本。为提高CuCr合金触头材料的性能，Cr组元的晶粒细化是重要而且有效的手段。Cr组元的晶粒细化有利于提高耐电压强度，降低截流电流，降低触头材料表面粗糙度，增强触头材料的耐电弧侵蚀性。 所以粉末烧结法很难进一步细化晶粒，提高致密性、导电性，降低能耗和材料消耗。目前，国内触头材料的制备严重受制于国外的技术垄断，关键触头材料靠高价进口国外产品。因此无论从技术上，还是从商业的考虑都需要研究新的触头材料制备技术。发明内容
本发明的目的是提供一种CuCr合金触头材料及其制备方法。
本发明提供的一种CuCr合金触头材料的制备方法，包括如下步骤
(1)采用物理气相沉积在自转的基片上沉积Cu膜；
(2)采用物理气相沉积，启动Cr组元的沉积，并保持Cr组元的相对沉积速率增长， 在所述Cu膜上沉积CuCr合金膜a ；所述Cr组元的相对沉积速率为Cr组元的沉积速率与 Cu组元的沉积速率的比值，所述Cr组元的沉积速率为单位面积的所述基片上单位时间内沉积的Cr质量；所述Cu组元的沉积速率为单位面积的所述基片上单位时间内沉积的Cu质量；
(3)采用物理气相沉积，保持Cr组元的相对沉积速率不变，在所述CuCr合金膜a 上继续沉积CuCr合金膜b，然后在真空条件下经原位退火即得所述CuCr合金触头材料。
上述的制备方法中，所述Cu膜的厚度可为500nm 50 μ m，具体可为700nm、1 μ m、2μπι或20μπι ；所述CuCr合金膜a的厚度可为5μπι 10cm，具体可为5. 5μπι、6. 5μπκ 27 μ m或487 μ m ；所述CuCr合金膜b的厚度可为1 μ m 10cm，具体可为1 μ m、2. 6 μ m、5 μ m 或 53 μ m。
上述的制备方法中，步骤( 中，所述Cr组元的相对沉积速率可为0 15，但不为 0，具体可为 0. 02 0. 27,0. 01 0. 25,0. 01 1. 5 或 0. 01 0. 08。
上述的制备方法中，步骤C3)中，所述Cr组元的相对沉积速率可为0. 01 1. 5，具体可为 0. 08,0. 25,0. 27 或 1. 5。
上述的制备方法中，所述物理气相沉积具体可为磁控共溅射镀膜法；所述磁控共溅射镀膜法的真空度可为1 X IO-3Pa 7 X 10_8Pa，具体可为5 X 10_5Pa、1 X KT5Pa或 7X IO^4Pa,工作气压可为0. 05Pa 5Pa，具体可为0. 4Pa、0. 8Pa或5Pa ；气体流量可为 5sccm 2000sccm，具体可为20sccm、90sccm或200sccm，自偏压可为OV 2000V，具体可为OV或1000V ；所述基片的自转速率可为2转/min 50转/min，具体可为20转/min、30 转/min或45转/min，Cu靶的直径可为20mm 1000mm，具体可为75mm，Cr靶的直径可为 20mm 1000mm，具体可为75mm，Cu靶和Cr靶与所述基片的间距均可为5cm 70cm，具体可为 6cm、IOcm 或 15cm。
上述的制备方法中，所述物理气相沉积具体可为真空蒸发镀膜法；所述真空蒸发镀膜法的真空度可为ι χ IO-3Pa 7X 10_8Pa，具体可为7X 10_8Pa，所述基片的自转速率可为2转/min 50转/min，具体可为4转/min，Cu靶和Cr靶与所述基片的间距均可为5cm 70cm，具体可为70cm。
上述的制备方法中，所述基片可为无氧铜。
上述的制备方法中，步骤(3)中所述真空条件的真空度可为5X10_2I^ 7X10_8Pa，具体可为3X10-4Pa、5Xl(T4Pa或lX10_7Pa，所述原位退火的温度可为300°C 600°C，具体可为300°C、500°C或600°C，所述原位退火的时间可为30min 300min，具体可为30min、90min或300min，在所述原位退火过程中，Cu晶粒长大，晶界数量减少，可提高材料的电导率和致密性，同时使纳米级的Cr析出，则这些纳米级的Cr则镶嵌在连成一体的Cu 组元之中；所述原位退火步骤可使材料的表面粗糙度更低，降低触头开关中触头之间的接触电阻，从而延长触头开关的使用寿命，提高触头开关的传导电流能力和效能。
本发明还提供了由上述方法制备的CuCr合金触头材料；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组元连为一体呈网络状，Cr分布于铜网络的网格之中，因此合金薄膜表面任意位置的电学性质等各项性质差异非常小，触头材料的整体导电率> 20% IACS，相比于CuCr触头材料的传统制备方法，物理气相沉积的方法制备的触头材料，Cr组元晶粒尺寸可以得到很大细化，晶粒尺寸小于400nm，且材料致密性良好，相对密度彡99%。
本发明采用物理气相沉积的方法制备了高强度、高导电、高耐电弧侵蚀的CuCr合金触头材料，同时该方法可以节约能源和原材料的消耗。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、CuCr合金触头材料的制备
在经抛光处理的无氧铜基片上采用磁控共溅射镀膜法进行沉积，其中，控制溅射的本底真空度为5X 10_5Pa，工作气氛高纯Ar气的工作气压为0. 4Pa,气体流量为20sCCm， 并控制基片自转的速率为20转/min，Cu靶直径为75mm，Cr靶直径为75mm，两种靶材到无氧铜基片的距离均为15cm，自偏压为OV ；首先，固定Cu靶的溅射功率为180W始终不变，在无氧铜基片上生长一层纯Cu膜，生长时间15min得到厚度为1 μ m的纯Cu膜；然后保持Cu 组元的溅射功率进行持续生长，启动Cr组元的生长，Cr靶的溅射功率由IOW开始，之后每隔5min增加10W，随膜厚的增加功率逐渐增大到200W得到厚度为6. 5 μ m的CuCr合金薄膜 a,该沉积过程中，Cr的相对沉积速率由0. 02增至0. 27 ；接着保持Cu靶180W和Cr靶200W 的溅射功率不变，在CuCr合金薄膜a上继续生长30min得到厚度为2. 6 μ m的CuCr合金薄膜b ；溅射生长完成后停止通气氛，在真空度5 X IO-4Pa条件下进行原位退火处理即可，退火温度为500°C，退火时间为90min。
本实施例得到的CuCr合金触头材料的导电率为56% IACS, Cr晶粒尺寸60nm，表面均方根粗糙度35nm，致密度99. 8%。
实施例2、CuCr合金触头材料的制备
在经抛光处理的无氧铜基片上采用磁控共溅射镀膜法进行沉积，其中，控制溅射的本底真空度为ι X 10 ,工作气氛高纯Ar气的工作气压为0. 8Pa,气体流量为90sCCm，并控制基片自转的速率为30转/min，Cu靶直径为75mm，Cr靶直径为75mm，两种靶材到无氧铜基片的距离均为10cm，自偏压为1000V ；首先，固定Cu靶的溅射功率为400W始终不变，在无氧铜基片上生长一层纯Cu膜，生长时间IOmin得到厚度为2 μ m的纯Cu膜；然后保持Cu 组元的溅射功率进行持续生长，启动Cr组元的生长，Cr靶的溅射功率由IOW开始，之后每隔5min增加25W，随膜厚的增加功率逐渐增大到500W得到厚度为27 μ m的CuCr合金薄膜 a,该沉积过程中，Cr的相对沉积速率由0. 01增至0. 25 ；接着保持Cu靶400W和Cr靶500W 的溅射功率不变，在CuCr合金薄膜a上继续生长20min得到厚度为5 μ m的CuCr合金薄膜 b ；溅射生长完成后停止通气氛，在真空度3 X 条件下进行原位退火处理即可，退火温度为600°C，退火时间为30min。
本实施例得到的CuCr合金触头材料的导电率为50% IACS, Cr晶粒尺寸70nm，表面均方根粗糙度40nm，致密度99. 7%。
实施例3、CuCr合金触头材料的制备
在经抛光处理的无氧铜基片上采用真空蒸发镀膜法进行沉积，加热方式为电子束加热，其中，控制镀膜的本底真空度为7 X IO-8Pa,基片的自转速率为4转/min，Cu靶和Cr靶到基片的间距均为70cm ；首先，固定Cu靶的加热功率400W始终不变，在无氧铜基片上生长一层纯Cu膜，生长时间30min得到厚度为700nm的纯Cu膜；然后保持Cu组元的持续生长， 启动Cr组元的生长，Cr靶的加热功率由IOW开始，之后每隔12min增加5W，随膜厚的增加功率逐渐增大到100W得到厚度为5. 5 μ m的CuCr合金薄膜a，该沉积过程中，Cr的相对沉积速率由0. 01增至0. 08 ；接着保持Cu靶400W和Cr靶100W的加热功率不变，在CuCr合金薄膜a上继续40min得到厚度为1. 0 μ π!的CuCr合金薄膜b ；然后在真空度为1 X IO^7Pa 条件下进行原位退火处理即可，退火温度为300°C，退火时间为300min。
本实施例得到的CuCr合金触头材料的导电率为75% IACS, Cr晶粒尺寸43nm，表面均方根粗糙度21nm，致密度99. 9%。
实施例4、CuCr合金触头材料的制备
在经抛光处理的无氧铜基片上采用磁控共溅射镀膜法进行沉积，其中，控制溅射的本底真空度为7X10_4Pa，工作气氛高纯Ar气的工作气压为5Pa，气体流量为200sCCm，并控制基片自转的速率为45转/min，Cu靶直径为75mm，Cr靶直径为75mm，两种靶材到无氧铜基片的距离均为6cm，自偏压为OV ；首先，固定Cu靶的溅射功率为450W始终不变，在无氧铜基片上生长一层纯Cu膜，生长时间25min得到厚度为20 μ m的纯Cu膜；然后保持Cu组元的溅射功率进行持续生长，启动Cr组元的生长，Cr靶的溅射功率由20W开始，之后每隔 IOmin增加20W，随膜厚的增加功率逐渐增大到870W得到厚度为487 μ m的CuCr合金薄膜 a,该沉积过程中，Cr的相对沉积速率由0. 01增至1. 5 ；接着保持Cu靶450W和Cr靶870W 的溅射功率不变，在CuCr合金薄膜a上继续生长40min得到厚度为53 μ m的CuCr合金薄膜b ；溅射生长完成后停止通气氛，在真空度5 X IO-4Pa条件下进行原位退火处理即可，退火温度为600°C，退火时间为300min。
本实施例得到的CuCr合金触头材料的导电率为30% IACS5Cr晶粒尺寸170nm，表面均方根粗糙度87nm，致密度99. 2%。
权利要求
1.一种CuCr合金触头材料的制备方法，包括如下步骤(1)采用物理气相沉积在自转的基片上沉积Cu膜；(2)采用物理气相沉积，启动Cr组元的沉积，并保持Cr组元的相对沉积速率增长，在所述Cu膜上沉积CuCr合金膜a ；所述Cr组元的相对沉积速率为Cr组元的沉积速率与Cu组元的沉积速率的比值，所述Cr组元的沉积速率为单位面积的所述基片上单位时间内沉积的Cr质量；所述Cu组元的沉积速率为单位面积的所述基片上单位时间内沉积的Cu质量；(3)采用物理气相沉积，保持Cr组元的相对沉积速率不变，在所述CuCr合金膜a上继续沉积CuCr合金膜b，然后在真空条件下经原位退火即得所述CuCr合金触头材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述Cu膜的厚度为500nm 50μπι;所述 CuCr合金膜a的厚度为5 μ m IOcm ；所述CuCr合金膜b的厚度为1 μ m 10cm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤O)中，所述Cr组元的相对沉积速率为0 15，但不为0。
4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于步骤(3)中，所述Cr组元的相对沉积速率为0. 01 1. 5。
5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于所述物理气相沉积为磁控共溅射镀膜法；所述磁控共溅射镀膜法的真空度为丨父川—^！ ？父川呷⑴工作气压为 0. 05Pa 5Pa ；气体流量为5sccm 2000sccm，自偏压为OV 2000V。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述磁控共溅射镀膜法中，所述基片的自转速率为2转/min 50转/min，Cu靶的直径为20mm 1000mm，Cr靶的直径为20mm 1000mm, Cu靶和Cr靶与所述基片的间距均为5cm 70cm。
7.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于所述物理气相沉积为真空蒸发镀膜法；所述真空蒸发镀膜法的真空度为IX IO-3Pa 7 X 10_8Pa，所述基片的自转速率为2 转/min 50转/min，Cu靶和Cr靶与所述基片的间距均为5cm 70cm。
8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于所述基片为无氧铜。
9.根据权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述真空条件的真空度为5X 10_2Pa 7X 10_8Pa，所述原位退火的温度为300°C 600°C，所述原位退火的时间为 30min 300min。
10.权利要求1-9中任一所述方法制备的CuCr合金触头材料。
全文摘要
本发明公开了一种CuCr合金触头材料及其制备方法。该方法包括如下步骤(1)采用物理气相沉积在自转的基片上沉积Cu膜；(2)启动Cr组元的沉积，并保持Cr组元的相对沉积速率梯度增长，在所述Cu膜上沉积CuCr合金膜a；所述Cr组元的相对沉积速率为Cr组元的沉积速率与Cu组元的沉积速率的比值，所述Cr组元的沉积速率为单位元面积的所述基片上单位时间内沉积的Cr质量；所述Cu组元的沉积速率为单位元面积的所述基片上单位时间内沉积的Cu质量；(3)保持Cr组元的相对沉积速率不变，在所述CuCr合金膜a上继续沉积CuCr合金膜b，然后在真空条件下经原位退火即得。本发明采用物理气相沉积的方法制备了高强度、高导电、高耐电弧侵蚀的CuCr合金触头材料，同时该方法可以节约能源和原材料的消耗。
文档编号H01H11/04GK102522241SQ20111041282
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者曾飞, 潘峰, 王光月 申请人:清华大学