陳 川,盧春民,稂 耘,葉志國(guó),陳宜斌,李廣宇,馬 光

(1. 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211； 2. 南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 310063；3. 國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，溫州 325000； 4. 國(guó)網(wǎng)冀北固安縣供電有限公司，廊坊 065599)

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戶(hù)外高壓隔離開(kāi)關(guān)用銀石墨復(fù)合鍍層的耐蝕性和抗硫性能

陳 川1,盧春民2,稂 耘2,葉志國(guó)2,陳宜斌3,李廣宇4,馬 光1

(1. 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211； 2. 南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 310063；3. 國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，溫州 325000； 4. 國(guó)網(wǎng)冀北固安縣供電有限公司，廊坊 065599)

使用電沉積法在純銅基體上制備了銀鍍層與銀石墨復(fù)合鍍層，采用中性鹽霧(240 h)和抗硫化物變色試驗(yàn)(0.5 h)研究了銀鍍層與復(fù)合鍍層的耐蝕性及抗硫性能。研究表明：復(fù)合鍍層表面未出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)與腐蝕坑，按GB/T 6461-2002,其耐蝕性達(dá)到中性鹽霧試驗(yàn)10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；復(fù)合鍍層在1 mol/L H2SO4溶液中的耐蝕性與銀鍍層相比略有降低；抗硫試驗(yàn)前后，復(fù)合鍍層中的銀均無(wú)明顯的色澤變化，其抗硫性能優(yōu)于某國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層的。

銀鍍層；銀石墨復(fù)合鍍層；電沉積；耐蝕性；抗硫性

在高壓輸變電設(shè)備中，戶(hù)外高壓隔離開(kāi)關(guān)完全暴露在大氣環(huán)境中工作，長(zhǎng)期受到自然環(huán)境中各種揮發(fā)性硫化物(如H2S)和鹵化物等污染物的腐蝕，導(dǎo)致隔離開(kāi)關(guān)的各部件發(fā)生不同程度的損害[1]。戶(hù)外高壓隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜電接觸部位(觸頭及觸指)，在運(yùn)行中起到導(dǎo)通電流的作用，是隔離開(kāi)關(guān)的核心構(gòu)件。觸頭及觸指一般為紫銅基體，并在基體上鍍銀層，從而提高導(dǎo)電性。因此，鍍層的耐磨、耐蝕、防變色[2-3]等性能直接決定隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命。且隨著運(yùn)行電壓等級(jí)的升高，對(duì)觸頭及觸指鍍層耐候性的要求也越來(lái)越高[4-5]。有研究資料表明，變色使鍍銀層表面電阻增加20%～80%，電能損耗增大，從而使設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性大為降低，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故[6]。

近年來(lái)，由于電接觸材料的制備工藝相對(duì)落后，導(dǎo)致隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生了多種發(fā)熱缺陷。在各類(lèi)發(fā)熱缺陷中，以動(dòng)靜觸頭接觸面發(fā)熱問(wèn)題最多，大多數(shù)發(fā)熱缺陷是由于表面鍍層氧化、磨損及脫落，造成接觸電阻增大引起的[7]。采用銀鍍層觸頭可避免發(fā)熱缺陷，但銀價(jià)格較貴，而銀石墨復(fù)合鍍層價(jià)格低廉，且兼具了銀和石墨的優(yōu)點(diǎn)，從而使該觸頭具有更好的耐磨性能和導(dǎo)電性能，良好的潤(rùn)滑性能，能與換向器或集電環(huán)平滑地接觸，且該復(fù)合鍍層觸頭的電阻系數(shù)小，換向性能好，不產(chǎn)生火花或噪聲，使用壽命長(zhǎng)[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)部分超、特高壓輸變線路上已大量使用銀石墨復(fù)合鍍層觸頭。

為了獲得性能最優(yōu)的鍍層，本工作采用電沉積法制備了銀鍍層與銀石墨復(fù)合鍍層，然后通過(guò)中性鹽霧和抗硫化物變色試驗(yàn)等方法研究了銀鍍層與復(fù)合鍍層的耐蝕性及抗硫性能。

1　試驗(yàn)

1.1試樣制備

使用砂紙對(duì)銅基體進(jìn)行打磨，并置于NaOH、Na2CO3·10H2O、Na2O·nSiO2和Na3PO4·12H2O的混合堿液中除油1 min，除油溫度60 ℃，電流密度3 A/dm2；再將試片放入HNO3、H2SO4、NaCl的混合液中3 s除去試片表面的氧化皮，隨后放入125 g/L的H2SO4中活化試片表面。

使用電沉積法在純銅基體上制備了銀鍍層與銀石墨復(fù)合鍍層。將預(yù)處理完的銅試片帶電放入預(yù)鍍銀槽中進(jìn)行預(yù)鍍銀，得到厚度為11～12 μm的銀鍍層，再將試片放入銀石墨復(fù)合鍍槽進(jìn)行施鍍。銀石墨復(fù)合鍍槽液的配置是在鍍銀槽液的成分上添加了添加劑VP06-122、VP06-123和石墨。VP06-122和VP06-123的添加量均為20 ml/L，石墨的添加量為60 g/L，施鍍時(shí)采用磁力攪拌，攪拌速率為420 r/min,電流密度為0.3 A/dm2,溫度為25 ℃，pH為12.5。

1.2耐蝕性測(cè)試

根據(jù)GB/T 6461-2002，采用中性鹽霧試驗(yàn)測(cè)銀石墨復(fù)合鍍層(以下稱(chēng)復(fù)合鍍層)的耐蝕性，試樣為50 mm×10 mm×1 mm的銅基銀石墨復(fù)合鍍層試片，采用連續(xù)噴霧，試驗(yàn)周期為240 h，試驗(yàn)壓力為10 N，沉降率為1～2 mL/h，采集范圍為80 cm2。

使用PARSTAT 2273電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定鍍層的Tafel曲線，測(cè)量系統(tǒng)為三電極體系。飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，20 mm×20 mm×1 mm的銅基鍍層試片為工作電極，鉑電極為輔助電極，測(cè)量溫度為25 ℃，掃描速率為0.5 mV/s，腐蝕介質(zhì)為1 mol/L H2SO4溶液。

1.3抗硫性測(cè)試

根據(jù)航標(biāo)QJ485-1988《鍍銀層技術(shù)要求》及QJ484-1990《鍍銀層抗硫化物變色試驗(yàn)方法》，將4片尺寸為20 mm×20 mm×1 mm的銅基鍍層試片靜置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% Na2S溶液中0.5 h，取出觀察表面是否變色發(fā)黑，如果不變色則說(shuō)明抗硫性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。再將試驗(yàn)后的試片用蒸餾水輕輕沖洗、烘干，然后進(jìn)行表面形貌觀察及能譜分析，并與某國(guó)產(chǎn)銀石墨觸頭(國(guó)產(chǎn)觸頭)鍍層及西門(mén)子公司生產(chǎn)的銀石墨觸頭(Siemens觸頭)鍍層進(jìn)行了比較。

2　結(jié)果與討論

2.1銀鍍層與復(fù)合鍍層的耐蝕性

由圖1可見(jiàn)，鹽霧試驗(yàn)后復(fù)合鍍層表面沒(méi)有腐蝕點(diǎn)或坑，圖中白色部分為銀，黑色部分為石墨，銀也沒(méi)有出現(xiàn)色澤上的變化，復(fù)合鍍層達(dá)到中性鹽霧試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)10級(jí)。

圖2為銀鍍層與復(fù)合鍍層的Tafel曲線，使用軟件擬合鍍層的自腐蝕電位Ecorr以及自腐蝕電流密度Jcorr，結(jié)果如表1所示。結(jié)合圖表可以得知，復(fù)合鍍層的自腐蝕電位與銀鍍層相比下降了0.131 5 V (SCE)，復(fù)合鍍層自腐蝕電流密度為銀鍍層的5.5倍，達(dá)到6.83×10-6A/dm2?？梢?jiàn)，復(fù)合鍍層的耐蝕性相比銀鍍層的有一定程度下降。這是因?yàn)槭募尤?，鍍層變得更加疏松，鍍層能夠更加充分地與測(cè)試溶液接觸，導(dǎo)致耐蝕性下降。另外，電極面積是在假設(shè)電極表面平整的情況下測(cè)得的，銀鍍層的表面十分平整致密，其真實(shí)電極面積接近測(cè)量值，而復(fù)合鍍層有空隙存在，其真實(shí)電極面積大于測(cè)量值，因此復(fù)合鍍層的真實(shí)自腐蝕電流密度小于測(cè)量值。從圖2中還可以看到，復(fù)合鍍層在0～0.04 V (SCE)出現(xiàn)弱鈍化峰，這是由于復(fù)合鍍層表面存在孔隙，在1 mol/L H2SO4溶液中無(wú)法形成連續(xù)的鈍化膜。而且，鈍化膜的生成與溶解同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致鍍層耐蝕性下降。盡管復(fù)合鍍層較銀鍍層在1 mol/L H2SO4溶液中耐蝕性有一定程度的下降，但仍達(dá)到了工況要求，并不影響其實(shí)用性。

2.2銀鍍層與復(fù)合鍍層的抗硫性

由圖3可知，自制的銀鍍層與復(fù)合鍍層均未發(fā)現(xiàn)肉眼可觀測(cè)到的色澤變化，達(dá)到航空標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層經(jīng)抗硫試驗(yàn)后明顯變黑，未能達(dá)標(biāo)。由圖4可知，抗硫試驗(yàn)前后銀鍍層與復(fù)合鍍層中的銀均無(wú)明顯色澤變化，鍍層表面形貌也沒(méi)有變化；國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層中的銀表面整體發(fā)黑，并且出現(xiàn)許多黑色腐蝕點(diǎn)。另外，銀鍍層與復(fù)合鍍層在3% Na2S溶液中變黑所需要的時(shí)間分別為144 h和117 h，而國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層則僅需數(shù)秒就變黑，這可能與在自然狀態(tài)下鍍層表面形成的極薄氧化膜和硫化膜有關(guān)?？梢?jiàn)，銀鍍層與復(fù)合鍍層的抗硫性能優(yōu)于某國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層的。

由圖5可見(jiàn)，抗硫試驗(yàn)后各鍍層均只有面心立方銀與石墨的衍射峰，并未出現(xiàn)Ag2S的衍射峰，可能因?yàn)锳g2S膜層太薄，于是對(duì)各鍍層表面再進(jìn)行EDS分析。

由圖6可見(jiàn)，抗硫試驗(yàn)后復(fù)合鍍層中只含銀和碳元素，沒(méi)有檢測(cè)到硫元素和氧元素；在國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層中檢測(cè)到了銀、碳、氧和硫元素。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以推測(cè)，腐蝕發(fā)生在石墨富集處并且程度不均勻，腐蝕產(chǎn)物為Ag2S與銀的氧化物，這與Lee[10]發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致?？沽蛟囼?yàn)后，銀鍍層與復(fù)合鍍層置于空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)，越易發(fā)生變色且顏色變得越深，這說(shuō)明銀在Na2S溶液中的硫化需要O2的參與，這與方景禮[2]的研究發(fā)現(xiàn)一致。另外差熱分析發(fā)現(xiàn)銀鍍層在空氣中常溫放置時(shí),表面會(huì)產(chǎn)生一層氧化膜，如果鍍層表面致密，則生成的氧化膜連續(xù)，可以提高銀層的抗變色性能[11]。

3　結(jié)論

(1) 鹽霧試驗(yàn)前后，銀鍍層與復(fù)合鍍層表面均未出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)與腐蝕坑，達(dá)到中性鹽霧試驗(yàn)10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。石墨的加入，使復(fù)合鍍層相比銀鍍層耐蝕性有一定程度的下降，但并不影響其實(shí)用性。

(2) 抗硫試驗(yàn)前后，銀鍍層與復(fù)合鍍層中的銀均無(wú)明顯的色澤變化，在3% Na2S溶液中分別需144 h和117 h才會(huì)變黑，銀鍍層與復(fù)合鍍層的抗硫性能優(yōu)于某國(guó)產(chǎn)觸頭鍍層與Siemens觸頭鍍層的。

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Corrosion Resistance and Sulfur Resistance of Silver-Graphite Composite Coating for Outdoor High-Voltage Isolation Switch

CHEN Chuan1, LU Chun-min2, LANG Yun2, YE Zhi-guo2, CHEN Yi-bin3, LI Guang-yu4, MA Guang1

(1. Institute of State Smart Grid, Beijing 102211, China; 2. School of Material Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 310063, China; 3. State Grid Wenzhou Power Company, Wenzhou 325000, China;4. State Grid Hebei Gu′an Power Company, Langfang 065599, China)

The silver and silver-graphite composite coatings on the substrate of copper were prepared by electro-deposition, respectively. Corrosion resistance and sulfide resistance of the silver and silver-graphite composite coatings were investigated by neutral salt spray test for 240 hours and anti-sulfide discoloration experiment for 0.5 hour. The results show that the corrosion pits on the surface of the silver-graphite composite coating did not appear, which indicated that the corrosion resistance of the silver-graphite composite coating reached the grade 10 of neutral salt spray test according to GB/T 6461-2002. In comparison with the silver coating, the corrosion resistance of the silver-graphite composite coating decreased slightly in 1 mol/L H2SO4solution. The silver in the silver-graphite composite coating didn′t exhibit obvious color change during the sulfide resistance test. The composite coating had better sulfur resistance than the coatings on a domestic contacter and Siemens contacter.

silver coating; silver-graphite composite coating; electro-deposition; corrosion resistance; sulfur resistance

10.11973/fsyfh-201606012

2015-05-06

國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科技/信息化項(xiàng)目(B355DW140005); 江西省自然科學(xué)基金(20151BAB206017); 航空基金(2013ZF56022)

葉志國(guó)(1979-)，副教授，博士，從事材料電化學(xué)和工程材料研究，15979113456，yezhiguo2008@163.com

TG172.3

A

1005-748X(2016)06-0490-04