一种寿命良好的高压隔离开关触头

1.本发明属于高压隔离开关触头领域，特别涉及一种寿命良好的高压隔离开关触头。


背景技术：

2.高压隔离开关是变电所、电厂安全运行的核心部件，隔离开关的触头是实现设备接通和分断电路的关键机构，触头在接触时需良好导电，断开时需能够良好绝缘。开关类设备的服役时长取决于触头的寿命。触头需具备高的电导率、热导率和抗熔焊性能，合适的硬度及相对较低的接触电阻。铜具有良好的导电、导热等优良特性，因而在诸多领域都有重要应用。高压隔离开关的触头就是采用纯铜制作，在高压电路上起到分断电路的作用。由于高压隔离开关主要安装在户外，纯铜直接暴露在大气环境容易形成氧化膜，恶化电接触，造成接触不良等电气隐患。


技术实现要素：

3.针对现有纯铜隔离开关触头表面容易被氧化进而恶化电接触带来接触不良等电气隐患的问题，本发明提供一种寿命良好的高压隔离开关触头，其具有耐蚀性好、结合强度高的保护层，能够保证触头具有较好的摩擦磨损性能以及良好的导电性，保证触头使用寿命。
4.本发明采用技术方案如下：一种寿命良好的高压隔离开关触头，包括纯铜基体和形成在纯铜基体表面的保护层，所述纯铜基体和保护层之间设有互扩散区，所述互扩散区垂直界面方向的宽度为0.5-50μm，扩散区内存在短棒状ag析出相，ag析出相与铜基体的界面上每隔9个密排面存在1个错配位错；所述保护层含银量大于99wt.％，厚度为10-1000μm，平均晶粒尺寸小于5μm，所述保护层与纯铜基体的界面结合强度大于100mpa。
5.本技术的高压隔离开关触头具有较好的耐磨性，进而具有良好的寿命：1.保护层与纯铜基体之间具有互扩散区，保证保护层和纯铜基体的结合强度，能够抵抗触头在频繁断开与合闸过程的摩擦磨损作用，以免保护层结合强度不足而脱落；2.保护层含银量大于99wt.％，保证触头表层具有优异的导电性和良好的耐常温氧化性，能保证触头具有极低的接触电阻，避免接触不良产生电弧烧蚀；3.保护层平均晶粒尺寸小于5μm，使得保护层具有较高强度以抵抗外界应力变形，且10-1000μm的厚度保证磨损余量，以便触头能够经受住上万次的开合动作。基于以上原因，本发明的高压隔离开关具有良好的使用寿命。
6.晶粒尺寸大小会影响材料的强度、硬度、耐磨性，根据hall-petch公式，材料的强度与晶粒尺寸的负二分之一次方成正比，晶粒尺寸越小，材料强度越高，相应材料的硬度和耐磨性越好。
7.作为一种实施方式，所述保护层在激光功率3000-4500w、送粉速率0.1-0.5r/min、扫描速度2-15mm/s下采用同步送银粉的方式经激光熔覆形成。采用激光熔覆成型效率高，保证保护层和纯铜基体的结合强度。
8.进一步地，形成所述保护层前在所述纯铜基体表面形成厚度为1-10μm的黑色氧化层。黑色氧化层能够保证纯铜基体对激光的吸收率，降低纯铜导热率，保证激光熔覆效果。
9.进一步地，所述黑色氧化层在湿度80％、温度500℃条件下保温2-20min形成。形成的黑色氧化层降低了对激光的强反射，提高了纯铜基体对激光的吸收率，使得大部分激光能量有效作用于基板；相比于纯铜基板，氧化铜导热性差，热量耗散得到延缓，有利于形成稳定的熔池；此外，在激光瞬间高温作用下氧化铜能分解为铜和氧气，并不会以夹渣的形式残留在覆层中，纯铜基板和银覆层之间结合强度良好，有效防止银覆层轻易脱落，进而保证隔离开关触头服役寿命。
10.作为另一实施方式，所述保护层在电压150-180v、电流400-450a、氩气流量3-5m3/h条件下采用超音速等离子喷涂纯银粉形成。超音速等离子喷涂技术成熟使用广泛，适合批量生产。
11.进一步地，喷涂时纯铜基体温度处于300-350℃。当纯铜基体处于该温度范围，能够促进喷涂向铜基体的银粉与铜基体发生元素互扩散，形成互扩散层，提高界面结合强度。
12.作为第三实施方式，在纯铜基体上轧制和保温纯银薄板形成所述保护层，其中轧制道次压下量大于20％，轧制总压下量大于50％，轧制后在400-500℃的氩气环境中保温1-4h。
13.进一步地，所述互扩散区包括面心立方结构的铜基体和面心立方结构的ag相，ag相嵌在铜基体中形成冶金结合，ag相以短棒状ag纳米析出相的形式存在，短轴尺寸小于20nm。
14.进一步地，所述纯铜基体的显微结构是尺寸为100-200μm的等轴晶，百微米尺寸的等轴晶能够容纳充分的位错滑移，使得铜基体具有良好的塑性，同时由于纯铜晶格畸变低能够保障铜基体具有良好的导电性能。
15.本发明具有的有益效果：本发明提供一种寿命良好的高压隔离开关触头，其具有耐蚀性好、结合强度高的保护层，能够保证触头具有较好的摩擦磨损性能以及良好的导电性，进而保证触头使用寿命。
附图说明
16.图1为触头层状结构示意图；
17.图2为实施例1制备的银覆层与铜基体横截面金相图；
18.图3为实施例1制备的银覆层与铜基体界面银和铜元素含量变化曲线图；
19.图4为实施例1制备的银覆层与铜基体互扩散区的透射电子显微镜图；
20.图5为实施例1制备的银覆层与铜基体互扩散区的ag析出相与铜基体的高分辨透射电子显微镜图；
21.其中：1-保护层，2-纯铜基板。
具体实施方式
22.下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
23.实施例1
24.将纯铜基板置于湿度80％，温度500℃的加热炉保温20min，使纯铜基板表面形成一层黑色氧化层，采用同步送银粉的方式，在激光功率4500w、送粉速率0.5r/min、扫描速度15mm/s条件下，在具有黑色氧化层的纯铜基板表面进行激光熔覆制备保护层，根据设计图纸进行机加工和磨抛处理，制备成寿命良好的高压隔离开关触头a。触头层状结构如图1所示。
25.本实施例的显微组织图如2、图4、图5所示，其中图4中箭头所指为短棒状ag析出相，图5箭头所指为间隔排列的错配位错。可以看出ag析出相与铜基体的界面上每隔9个密排面存在1个错配位错。
26.图3从元素含量的变化来看证明了cu和ag相互扩散，也即证明了互扩散区的存在。
27.实施例2
28.将纯铜基板表面用砂纸磨光至2000#，清除表面氧化层和杂质；纯铜基板预热温度300℃，采用超音速等离子喷涂方式将平均粒径2μm的纯银粉喷涂到纯铜基板表面制备出纯银覆层，根据设计图纸进行机加工和磨抛处理，制备成高压隔离开关触头b；其中喷涂电压150v，电流400a，喷涂距离80cm，氩气流量4m3/h，喷涂时间15s。
29.实施例3
30.将纯铜基板表面用砂纸磨光至360#，清除表面氧化层和杂质；将厚度为2mm的纯银薄板表面用砂纸磨光至360#，清除表面氧化层和杂质；将纯铜基板和纯银薄板打磨过的面相互贴合叠放入轧机，不加轧制油进行干轧，道次压下量大于20％，轧制总压下量大于50％；将铜银复合板至于氩气气氛炉于450℃保温1h取出；根据设计图纸进行机加工和磨抛处理，制备成高压隔离开关触头c。
31.实施例4
32.将纯铜基板表面用砂纸磨光至2000#，清除表面氧化层和杂质；配置溶液a：将硝酸银、氢氧化铵、氢氧化钠和蒸馏水按质量比1：1：2：97混合配置；配置溶液b：将葡萄糖、酒石酸、乙醇、蒸馏水质量比5：1：1：93混合配置；将a和b溶液按照质量比1:1在室温下混合，将纯铜基板浸没于ab混合液保持5min后取出，清水冲洗后晾干，根据设计图纸进行机加工和磨抛处理，制备成高压隔离开关触头d。
33.实施例5
34.与实施例1的区别在于采用质量配比为80:20的银铜混合粉进行激光熔覆，其余均相同，获得高压隔离开关触头e。
35.实施例6
36.与实施例3的区别在于保温温度为700℃，其余均相同，获得高压隔离开关触头f。
37.实施例7
38.与实施例2的区别在于喷涂时间为5s，其余均相同，获得高压隔离开关触头g。
39.采用扫描电镜观测纯铜基板保护层厚度，采用扫描电镜结合能谱分析测试保护层与基体界面的元素互扩散区，采用能谱分析测试保护层表面元素成分，采用金相显微镜观测保护层晶粒尺寸，参考gb/t 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法测试保护层与铜基体的结合强度，采用型式试验测试触头开合次数。
40.测试结果如表1所示。
41.表1
[0042][0043]
从表1中可以看出，实施例1-3的银保护层与铜基板的结合强度在100mpa以上，显著高于常规镀银的结合强度，且银含量大于99wt.％，保护层晶粒尺寸小于5μm，使得实施例1-3的触头具有近30000次的超长寿命。
[0044]
对比实施例1和实施例4可见，当保护层与铜基板几乎不存在元素互扩散区时，界面结合强度较低，难以抵抗开合过程的摩擦磨损，实施例4的触头寿命明显低于实施例1。
[0045]
对比实施例1和实施例5可见，当保护层表层银含量低于99wt.％时，表层抗氧化性能不足容易产生氧化膜，恶化电接触，在开合过程容易诱发电弧放电加剧摩擦磨损，使得实施例5的触头寿命仅为实施例1的一半。
[0046]
对比实施例3和实施例6可见，当保护层晶粒尺寸过大，将使得保护层硬度不足，在开合过程中摩擦磨损明显，进一步恶化电接触，使得实施例6的触头寿命显著低于实施例3。对比实施例2和实施例7可见，当保护层厚度过小，难以抵抗摩擦磨损导致的保护层损耗。当保护层磨损殆尽将露出纯铜基体失去保护作用，导致实施例7触头寿命显著低于实施例2。
[0047]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

技术特征：
1.一种寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，包括纯铜基体和形成在纯铜基体表面的保护层，所述纯铜基体和保护层之间设有互扩散区，所述互扩散区垂直界面方向的宽度为0.5-50μm，扩散区内存在短棒状ag析出相，ag析出相与铜基体的界面上每隔9个密排面存在1个错配位错；所述保护层含银量大于99wt.％，厚度为10-1000μm，平均晶粒尺寸小于5μm，所述保护层与纯铜基体的界面结合强度大于100mpa。2.根据权利要求1所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，所述保护层在激光功率3000-4500w、送粉速率0.1-0.5r/min、扫描速度2-15mm/s下采用同步送银粉的方式经激光熔覆形成。3.根据权利要求2所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，形成所述保护层前在所述纯铜基体表面形成厚度为1-10μm的黑色氧化层。4.根据权利要求3所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，所述黑色氧化层在湿度80％、温度500℃条件下保温2-20min形成。5.根据权利要求1所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，所述保护层在电压150-180v、电流400-450a、氩气流量3-5m3/h条件下采用超音速等离子喷涂纯银粉形成。6.根据权利要求5所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，喷涂时纯铜基体温度处于300-350℃。7.根据权利要求1所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，在纯铜基体上轧制和保温纯银薄板形成所述保护层，其中轧制道次压下量大于20％，轧制总压下量大于50％，轧制后在400-500℃的氩气环境中保温1-4h。8.根据权利要求1所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，所述互扩散区包括面心立方结构的铜基体和面心立方结构的ag相，ag相嵌在铜基体中形成冶金结合，ag相以短棒状ag纳米析出相的形式存在，短轴尺寸小于20nm。9.根据权利要求1所述的寿命良好的高压隔离开关触头，其特征在于，所述纯铜基体的显微结构是尺寸为100-200μm的等轴晶。

技术总结
本发明为一种寿命良好的高压隔离开关触头，属于高压隔离开关触头领域，针对现有纯铜隔离开关触头表面容易被氧化进而恶化电接触带来电气隐患的问题，采用技术方案如下：一种寿命良好的高压隔离开关触头，包括纯铜基体和设置在纯铜基体表面的保护层，纯铜基体和保护层之间设有互扩散区，互扩散区垂直界面方向的宽度为0.5-50μm，扩散区内存在短棒状Ag析出相，Ag析出相与铜基体的界面上每隔9个密排面存在1个错配位错；保护层含银量大于99wt.％，厚度为10-1000μm，平均晶粒尺寸小于5μm，界面结合强度大于100MPa。本发明的触头，具有耐蚀性好、结合强度高的保护层，摩擦磨损性能以及导电性良好。及导电性良好。及导电性良好。


技术研发人员：王绍安 赵琳 孟金博 许挺 刘嘉斌 陈孝信 王劭鹤 郑文哲 郑卓凡
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司双创中心 浙江大学 国网浙江省电力有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12