[发明专利]一种CuCr合金触头材料及其制备方法

说明书

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。

背景技术

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组元必须均匀的分布于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～50μm，具体可为700nm、1μm、2μm或20μm；所述CuCr合金膜a的厚度可为5μm～10cm，具体可为5.5μm、6.5μm、27μm或487μm；所述CuCr合金膜b的厚度可为1μm～10cm，具体可为1μm、2.6μm、5μm或53μm。

上述的制备方法中，步骤(2)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(3)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1×10^-3Pa～7×10^-8Pa，具体可为5×10^-5Pa、1×10^-5Pa或7×10^-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0V～2000V，具体可为0V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、10cm或15cm。