王東亮，　尹東海，　陸凱雷，　金正祥

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州　213025)

?

銅排表面鈍化處理在電力設(shè)備中的應(yīng)用

王東亮，尹東海，陸凱雷，金正祥

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025)

摘要：銅排經(jīng)銅材鈍化液化學(xué)處理后，在銅排表面形成無(wú)色、光亮的鈍化膜，鈍化膜將銅排基體與空氣隔離，起到了一定的防腐蝕作用，耐中性鹽霧試驗(yàn)高于48h；在生成鈍化膜的銅排表面再涂覆電接觸保護(hù)劑，生成二次保護(hù)膜。該雙層膜銅排與表面鍍錫銅排的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性相當(dāng)，防腐蝕性能大幅提升，耐中性鹽霧試驗(yàn)高于168h，優(yōu)于表面鍍錫銅排，且環(huán)保安全。與鋁排接觸，鈍化銅排導(dǎo)電性明顯優(yōu)于鍍錫銅排，表現(xiàn)出了一定的不可替代性。

關(guān)鍵詞:銅材鈍化液； 銅排； 表面鍍錫； 耐蝕性；電力設(shè)備

引　言

電力設(shè)備中應(yīng)用的工業(yè)純銅，裸露于空氣中表面極易生銹，其氧化物嚴(yán)重影響銅材的導(dǎo)電性能。電力設(shè)備中的銅排、銅板及銅母線等，其表面多以鍍錫[1]、鍍銀或鍍鎳等電鍍工藝處理，使銅排表面形成一層弱氧化性金屬保護(hù)膜，避免了銅材基體的腐蝕。隨著全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電鍍過(guò)程所產(chǎn)生的重金屬污染嚴(yán)重危害環(huán)境及人體健康，且成本昂貴。

本文研制銅材鈍化液可使銅排表面生成一層鈍化薄膜，包覆在銅排表面，阻止了基體與周?chē)h(huán)境的直接接觸，起到了一定的防腐作用；在經(jīng)過(guò)鈍化處理后的銅排表面涂覆電接觸保護(hù)劑[2](以下統(tǒng)稱(chēng)保護(hù)劑)，做封閉處理，在銅排表面形成了雙層保護(hù)膜，使其防腐蝕性能大幅提升。該處理過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，價(jià)格低廉，與銅排電鍍工藝相比，顯現(xiàn)了一定的優(yōu)越性和具有可持續(xù)發(fā)展性。

1　銅排表面保護(hù)

電力一次設(shè)備正朝著高壓、高頻、大功率、大電流、智能化和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，基于純銅材料良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和環(huán)境適應(yīng)性，銅排在大型電力設(shè)備中的應(yīng)用也越來(lái)越受到青睞，是不可或缺的導(dǎo)流材料。

表面腐蝕、搭接面異物及緊固條件等因素都會(huì)不同程度地影響銅排間的接觸電阻、通流能力及發(fā)熱量。目前，電力設(shè)備用銅排表面處理主要有鍍錫、鍍銀及涂覆電接觸保護(hù)劑等，尤以電鍍錫為主。銅排鍍錫防腐性能好，導(dǎo)電性稍差；銅排鍍銀導(dǎo)電性能較好，但防腐性能欠佳，在空氣中久置極易發(fā)黑，且成本高。鍍錫、鍍銀等電鍍工藝過(guò)程對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,不能滿(mǎn)足銅排在電力設(shè)備上的高使用壽命要求和綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

隨著新材料、新技術(shù)的不斷突破，鈍化處理延伸到了銅材處理行業(yè)[3]，將銅排鈍化與電接觸保護(hù)劑封閉技術(shù)良性融合，可謂是相得益彰，不僅大幅提高了銅排的防腐蝕性能，而且不影響其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，與鋁排接觸時(shí)，表現(xiàn)出了傳統(tǒng)鍍錫銅排無(wú)法代之的優(yōu)越性能。

2　銅排鈍化保護(hù)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)思路：在同種環(huán)境條件下，分別對(duì)同規(guī)格銅排進(jìn)行鈍化處理、鈍化封閉處理、鍍錫處理、鍍銀處理以及對(duì)同規(guī)格鋁排清洗處理；對(duì)處理完成的樣品按照銅銅、銅鋁分別搭接測(cè)試導(dǎo)電性能、耐鹽霧性能。

2.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

TMY 200mm×50mm×5mm、LMY 200mm×50mm×5mm、銅材鈍化液、電接觸保護(hù)劑；鹽霧試驗(yàn)箱(中性鹽霧)、接觸電阻測(cè)試儀(精度0.1μΩ)。

2.2樣品處理工藝2.2.1實(shí)驗(yàn)樣品處理方案，見(jiàn)表1。

表1樣品處理方案

基材銅排銅排銅排銅排鋁排組別ⅠⅡⅢⅣⅤ試樣數(shù)量24422處理工藝鈍化鈍化+保護(hù)鍍錫(10μm)鍍銀(5μm)清洗

2.2.2各組樣品處理工藝

Ⅰ組：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→鈍化→水洗→干燥。

Ⅱ組：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→鈍化→水洗→干燥→保護(hù)→干燥。

Ⅲ組：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→電鍍錫→干燥。

Ⅳ組：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→電鍍銀→干燥。

Ⅴ組：活化→水洗→堿洗→水洗→中和→水洗。

2.2.3實(shí)驗(yàn)方案

采用M8×25不銹鋼螺栓分別搭接Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅴ和Ⅲ-Ⅴ七組樣品，搭接孔徑d為9mm，孔距均為25mm，緊固力矩12N·m，搭線方式如圖1。搭接后進(jìn)行接觸電阻測(cè)試、溫升仿真分析、鹽霧試驗(yàn)以及電偶腐蝕測(cè)試。

圖1　銅排搭接圖

3　結(jié)果與分析

3.1接觸電阻

樣品不同搭接的接觸電阻測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2樣品表面處理后搭接的接觸電阻

搭接方案裸銅排Ⅰ-ⅠⅡ-ⅡⅢ-ⅢⅡ-ⅣⅢ-ⅣⅡ-ⅤⅢ-ⅤR接觸/(μΩ)4.55.46.05.05.65.411.5124

由表2可以看出,鈍化銅排、鈍化保護(hù)銅排、鍍錫銅排，其接觸電阻均非常接近，說(shuō)明銅材鈍化液與電接觸保護(hù)劑對(duì)銅排導(dǎo)電性能的影響極小，幾乎可忽略。

銅材鈍化液與電接觸保護(hù)劑在異種金屬接觸時(shí)對(duì)導(dǎo)電性能的影響：對(duì)比Ⅱ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅴ和Ⅲ-Ⅴ四組銅排接觸電阻，可以看出鈍化保護(hù)銅排、鍍錫銅排，分別與鍍銀銅排搭接，接觸電阻相當(dāng)；與鋁排搭接時(shí)，鈍化保護(hù)銅排導(dǎo)電性能明顯優(yōu)于鍍錫銅排，具有不可替代性。

3.2溫升

依據(jù)DL/T 5222-2005標(biāo)準(zhǔn)，TMY 200mm×50mm×5mm可承載最大電流為600A，室溫環(huán)境下，對(duì)鈍化保護(hù)銅排、鍍錫銅排分別做溫升仿真分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3樣品溫升仿真對(duì)比

項(xiàng)目鍍錫銅排鈍化保護(hù)銅排仿真分析相對(duì)溫升22.9℃28.1℃

仿真數(shù)據(jù)表明，鈍化保護(hù)銅排在室溫條件下，通以最大荷載電流，溫升僅比鍍錫銅排高出5.2℃，不影響銅排正常使用。

3.3耐腐蝕性能

根據(jù)GB/T 6461-2002腐蝕面積規(guī)定了11個(gè)保護(hù)評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4保護(hù)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

A腐蝕/%保護(hù)評(píng)級(jí)/RPA腐蝕/%保護(hù)評(píng)級(jí)/RPA腐蝕/%保護(hù)評(píng)級(jí)/RPA=0100.5

鈍化銅排、鈍化保護(hù)銅排以及鍍錫銅排的耐腐蝕評(píng)級(jí)如表5。

表5樣品腐蝕評(píng)級(jí)

NSS鈍化RP鈍化保護(hù)RP鍍錫RP0h10101024h101010

續(xù)表

NSS鈍化RP鈍化保護(hù)RP鍍錫RP48h1010896h0106168h----70

由表5可以看出，表面鈍化處理的銅排，中性鹽霧試驗(yàn)48h幾近無(wú)腐蝕，但變色嚴(yán)重，96h嚴(yán)重腐蝕；表面鈍化且封閉處理的銅排，中性鹽霧試驗(yàn)96h無(wú)腐蝕、微量變色，168h微量腐蝕、嚴(yán)重變色；表面10μm鍍錫銅排，96h微量腐蝕，168h嚴(yán)重腐蝕。結(jié)果表明，使用銅材鈍化液和電接觸保護(hù)劑處理銅排表面，大幅提升了銅排的耐腐蝕性能，與普通鍍錫銅排相比有明顯提高。

3.4電偶腐蝕

以氫電極作為參比電極，各金屬的標(biāo)準(zhǔn)電位如表6。

表6標(biāo)準(zhǔn)電位

元素AlFeSnpCuAgφ標(biāo)準(zhǔn)/V-1.66-0.44-0.140.000.340.78

幾組搭接樣品鹽霧試驗(yàn)的電偶腐蝕情況見(jiàn)表7。

表7電偶腐蝕

編號(hào)接觸面腐蝕編號(hào)接觸面腐蝕Ⅱ-ⅣⅡ-ⅤⅢ-ⅣⅢ-Ⅴ

由表7可以看出，Ⅱ-Ⅳ Fe、Ag與Cu，鍍銀銅排接觸面孔位邊緣銹蝕嚴(yán)重，鈍化保護(hù)銅排無(wú)腐蝕；Ag、Cu與Fe電位差較大，易作為原電池反應(yīng)的陰極，屬于大陰極、小陽(yáng)極，加速了不銹鋼螺栓的腐蝕；Ⅱ-Ⅴ Fe、Al與Cu，接觸面無(wú)明顯銹蝕；Cu與Al、Fe電位相差大，鋁表面氧化膜具有較好的防腐蝕作用，其次，銅排表面的膜層阻止了Cu與Al直接接觸，減緩電偶腐蝕；Ⅲ-Ⅳ Fe、Ag與Sn，接觸面邊緣腐蝕；Ag與Fe、Sn電位差較大，Sn的氧化物減緩了原電池腐蝕；Ⅲ-Ⅴ Fe、Al與Sn，接觸面輕微腐蝕；Sn與Al、Fe電位差較小，鋁排表面氧化。試驗(yàn)表明，鈍化保護(hù)銅排、鍍錫銅排與鋁排接觸，均會(huì)有不同程度的腐蝕，鈍化封閉膜層避免了銅排基體與鋁排直接接觸，一定程度上減緩了雙金屬的電偶腐蝕。

3.5工藝成本

本研究鈍化液和電接觸保護(hù)劑市場(chǎng)價(jià)格便宜，處理工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)批量生產(chǎn)考核，銅排處理成本約在2～3元/kg，比鍍錫銅排更具成本優(yōu)勢(shì)。

4　應(yīng)用分析

銅排表面鈍化處理工藝已在電力設(shè)備產(chǎn)品中應(yīng)用[4]，鑒于其獨(dú)立應(yīng)用防腐蝕性能一般，目前鈍化銅排主要用于戶(hù)內(nèi)、環(huán)境較好的工況；電接觸保護(hù)劑也被大量用于電力設(shè)備的銅排表面處理[5]，尤其是搭接面，既可以使搭接面緊密接觸，提高導(dǎo)電性能，又可以阻止搭接面的氧化，起到防腐蝕及潤(rùn)滑作用；銅排表面鈍化保護(hù)處理技術(shù)，起到保護(hù)效果疊加的雙重作用，已在SVG、光伏等系列產(chǎn)品中批量應(yīng)用，使用情況良好。

5　結(jié)　論

銅排表面鈍化封閉，融合了銅材鈍化液和電接觸保護(hù)劑二者的優(yōu)點(diǎn)。鈍化處理，優(yōu)先在銅排表面形成了一層鈍化保護(hù)膜，起到一定的抗腐蝕作用，并且增加了電接觸保護(hù)劑在銅排表面成膜的附著力；電接觸保護(hù)劑在銅排表面二次成膜，進(jìn)一步提升了銅排的耐腐蝕性能，其均勻的膜層也增加了銅排搭接處接觸面積，減小了接觸電阻。

鈍化工藝和保護(hù)劑封閉處理在銅排表面形成的雙層保護(hù)膜，不影響銅排導(dǎo)電性能，防腐性能大幅提升；與鋁排接觸時(shí)體現(xiàn)了特有的優(yōu)越性。該處理工藝環(huán)保安全，施工要求低，成本優(yōu)勢(shì)明顯，適合批量應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]閆樂(lè).銅排表面鍍錫層的氧化與防護(hù)探究[J].河南科技,2014，(9):67-67.

[2]張喆.鍍銅層電接觸潤(rùn)滑保護(hù)劑的研究與制備[J].價(jià)值工程，2011,30(17):29-30.

[3]張靜.銅及其合金光亮防銹表面處理技術(shù)的研究[D].無(wú)錫：江南大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論,2008.

[4]譚明韓.苯并三氮唑(BTA)鈍化膜對(duì)銅的緩蝕作用探討[J].科技資訊，2009，(9):10-11.

[5]淡媛麗.電接觸保護(hù)劑在電器控制柜銅排表面處理中的應(yīng)用[J].電鍍與精飾，2011，33(3)：29-31.

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.010

收稿日期：2016-05-20修回日期： 2016-06-02

中圖分類(lèi)號(hào)：TG178

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Application of Copper Bus Bar Surface Passivation in Electric Power Equipments

WANG Dongliang, YIN Donghai, LU Kailei, JIN Zhengxiang

(NR Electic Power Electrionics Co.,Ltd.Changzhou 213025,China)

Abstract:After chemical pre-treatment and soaking by copper passivating solution,the colorless and bright passivation film was formed on the surface of copper bus bar.The passivation film had certain anti-corrosion function to the surface of copper bus bar because it could insulate the copper substrate from air,and the NSS test could reach up to more than 48h.Then,electrical contact protection agent was coated on the surface of passivation film,so the secondary protective film was generated in turn.The conductivity and thermal conductivity of this double-layer film was same as that of tin-plated coating;and the anti-corrosion performance was improved greatly;the NSS test could reach up to more than 168h,which was better than that of tin-plated coating;also,this passivation process was environmental-friendly.When contacted with aluminum bus bar,the conductivity of the passivated copper bus bar was obviously better than that of the tin-plated copper bus bar, which showed a certain irreplaceability.

Keyword:copper passivation solution;copper bus bar;tin-plating;corrosion resistance；electric power equipment