任雅勛

天津市津榮天晟金屬表面處理有限公司，天津 301600

低壓斷路器主要用來(lái)防止電線(xiàn)路的電路負(fù)荷超載和線(xiàn)路短路。電路配置人員在設(shè)計(jì)電路時(shí)不僅要考慮到線(xiàn)路上下級(jí)配合，還要確保電路系統(tǒng)的安全性，將電力系統(tǒng)的安全隱患降到最低。低壓斷路器作為低壓配電回路中使用最多的保護(hù)性電路基本元件，既是維護(hù)現(xiàn)有電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵電氣設(shè)備，又是一種多功能的開(kāi)關(guān)電器，因而被廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)中，作為不頻繁接通和分?jǐn)嚯娐分?，并能避免電氣設(shè)備和線(xiàn)路因過(guò)載而損壞。斷路器的型號(hào)多樣、種類(lèi)繁多，其中應(yīng)用最為廣泛的是用在終端配電箱中的微型斷路器。因?yàn)榻K端配電箱處于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的末端(即終端)，而一個(gè)低壓配電網(wǎng)絡(luò)有許多終端配電箱，所以微型斷路器的需求量特別大[1]。

微型斷路器由操作機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)、保護(hù)裝置、滅弧系統(tǒng)等組成，其中觸點(diǎn)部分一般由動(dòng)觸頭、靜觸頭、連接導(dǎo)線(xiàn)等組成[2]。作為在低壓配電網(wǎng)絡(luò)電源和負(fù)載之間起分配、保護(hù)與控制作用的微型斷路器，是整個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)終端的“心臟”，而動(dòng)觸頭是微型斷路器的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)接通、承載和分?jǐn)嚯娏?，其性能直接關(guān)系到電氣設(shè)備乃至整個(gè)末端電路系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T1424-2015《電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定：“導(dǎo)電回路的動(dòng)接觸部位和母線(xiàn)靜接觸部位應(yīng)鍍銀”，“鍍銀層厚度、硬度、附著性等應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不應(yīng)采用釬焊銀片的方式替代鍍銀”。在實(shí)際生產(chǎn)中，微型斷路器的動(dòng)觸頭鍍銀一般采用滾鍍方式，但對(duì)于鍍層厚度要求較高的觸頭零件，因斷路器在工作中需要?jiǎng)?、靜觸頭通斷電工作的部位僅為一個(gè)點(diǎn)或線(xiàn)性弧面，采用滾鍍方式對(duì)零件表面整體鍍銀會(huì)大幅增加貴金屬銀的用量，使制造成本上升。故筆者開(kāi)發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)柔性智能化生產(chǎn)和全自動(dòng)化控制作業(yè)的高速局部連續(xù)鍍生產(chǎn)線(xiàn)及相應(yīng)的電鍍工藝，用于動(dòng)觸頭工作線(xiàn)性弧面的局部鍍銀。與滾鍍銀相比，采用該連續(xù)高速局部鍍工藝對(duì)同型號(hào)動(dòng)觸頭施鍍時(shí)可以節(jié)約用銀 95%以上，應(yīng)用于生產(chǎn)時(shí)具有良好的效果，并取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。本文就該電鍍銀工藝的開(kāi)發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料

待鍍樣件為加工成型的某型號(hào)動(dòng)觸頭，紫銅T2材質(zhì)，需鍍厚銀的部位是圖1中陰影部分2 mm寬度區(qū)域，鍍層厚度檢測(cè)點(diǎn)為6、7和8三點(diǎn)，要求鍍層厚度在40 ～ 46 μm范圍內(nèi)。

圖1 待鍍動(dòng)觸頭及鍍層厚度檢測(cè)點(diǎn)Figure 1 Photo of the moving contact to be plated and the positions for coating thickness measurement

1.2 工藝流程

預(yù)處理→上料→活化→水洗→局部預(yù)鍍銀→局部鍍厚銀→回收洗→水洗→銀保護(hù)→水洗→脫水干燥。

1.3 性能檢測(cè)

1.3.1 鍍層厚度和均勻性

參照GB/T 12334-2001《金屬和其他非有機(jī)覆蓋層 關(guān)于厚度測(cè)量的定義和一般規(guī)則》、GB/T 6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層 厚度測(cè)量 顯微鏡法》及GB/T 16921-2005《金屬覆蓋層 覆蓋層厚度測(cè)量 X射線(xiàn)光譜方法》，采用費(fèi)希爾X-RAY XDL 230 X射線(xiàn)熒光光譜鍍層分析儀和金相顯微鏡斷面測(cè)量相結(jié)合的方法，測(cè)量鍍層的厚度，并分析鍍層厚度均勻性。

1.3.2 鍍層結(jié)合力

參照GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》中的熱震試驗(yàn)法，將試樣置于250 ℃下烘烤60 min后迅速取出，放入室溫水中驟冷，然后在8倍放大鏡下觀(guān)察，鍍層無(wú)起泡、開(kāi)裂、剝離等現(xiàn)象表示結(jié)合力合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理工藝的選擇

合理有效的預(yù)處理工藝是電鍍過(guò)程中不可或缺的，也是獲得合格鍍層的前提。以300件試樣為樣本，先采用兩種工藝預(yù)處理各150件，再在相同條件下電鍍Ag。預(yù)處理工藝1的流程為：除油→水洗→酸洗→水洗→滾鍍銀→水洗→脫水干燥；預(yù)處理工藝2的流程為：除油→水洗→酸洗→水洗→脫水干燥。采用預(yù)處理工藝2時(shí)，在局部鍍過(guò)程中預(yù)鍍銀的面積若小于鍍厚銀的面積，則存在發(fā)生銅基體置換銀的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在局部鍍銀的邊緣更容易發(fā)生，導(dǎo)致鍍層結(jié)合力不好，在熱震試驗(yàn)中的不合格率達(dá)6%。采用預(yù)處理工藝1時(shí)，通過(guò)滾鍍使試件整體獲得一層薄銀，可有效避免在高速局部鍍銀過(guò)程中發(fā)生銅基體置換銀的現(xiàn)象，提高了鍍層的結(jié)合力。熱震試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用預(yù)處理工藝2時(shí)所有試樣的鍍層結(jié)合力都合格。

2.2 活化液的選擇

動(dòng)觸頭經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，在干燥和待局部厚鍍過(guò)程中滾鍍銀層與空氣長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)被氧化，故在局部鍍前必須活化，以腐蝕掉表面的氧化膜。根據(jù)金屬元素活潑性順序表可知，銅和銀的活潑性均比氫弱，它們不能置換出硫酸中的氫，即稀硫酸不會(huì)腐蝕銅和銀，但稀硫酸能與金屬氧化物反應(yīng)，故采用稀硫酸作為活化液。高速局部連續(xù)鍍的方式?jīng)Q定了動(dòng)觸頭待鍍部位與稀硫酸接觸的時(shí)間很短，故硫酸的濃度不宜太低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6% ～ 12%范圍內(nèi)為宜。

2.3 預(yù)鍍銀工藝的選擇

高速局部鍍前盡管有進(jìn)行活化，但預(yù)鍍銀依然很有必要。為保證預(yù)鍍銀溶液具有良好的導(dǎo)電性，使用了氰化鉀濃度較高的預(yù)鍍銀溶液，具體配方和工藝條件為：Ag+1 ～ 2 g/L，KCN 100 ～ 120 g/L，溫度20 ～ 40 ℃，陰極電流密度 1 ～ 3 A/dm2，時(shí)間 10 ～ 15 s。

2.4 局部鍍厚銀配方和工藝參數(shù)優(yōu)化

2.4.1 Ag+的質(zhì)量濃度

動(dòng)觸頭高速連續(xù)局部鍍銀時(shí)鍍液在陰、陽(yáng)極表面快速流動(dòng)，施加的陰極電流密度一般很高，以便在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較厚的銀沉積層。因此，為了抑制濃差極化導(dǎo)致的燒焦，擴(kuò)大可使用的電流密度范圍，提高沉積速率，采用了高銀離子濃度的鍍液。在溫度為(45 ± 2) ℃、陰極電流密度為15 A/dm2、游離氰化鉀質(zhì)量濃度為150 g/L的條件下，研究了銀離子質(zhì)量濃度對(duì)沉積速率和鍍層外觀(guān)的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。Ag+質(zhì)量濃度小于70 g/L時(shí)，沉積速率較低；Ag+質(zhì)量濃度大于90 g/L時(shí)，盡管具有很高的沉積速率，但在停止生產(chǎn)時(shí)，鍍銀液回流到母槽后，槽內(nèi)壁、廢氣收集管壁及陽(yáng)極表面存在大量結(jié)晶物，容易造成陽(yáng)極鍍液輸出孔堵塞，氣溫低時(shí)該現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。這一方面導(dǎo)致銀鹽和氰化鉀的損耗加大；另一方面，氰化鉀和氰化銀配合物結(jié)晶析出后充分暴露在空氣中，加劇了碳酸鹽的形成，生產(chǎn)線(xiàn)啟動(dòng)后在鍍液的浸泡和沖擊下結(jié)晶物重新溶解到鍍液中，進(jìn)一步加劇了鍍液中碳酸鹽的積累，易引起嚴(yán)重的電鍍故障，如鍍層結(jié)晶粗糙、燒焦、不完整、結(jié)合力差等。綜合考慮后確定Ag+質(zhì)量濃度為70 ～ 90 g/L。

表1 不同銀離子質(zhì)量濃度時(shí)的沉積速率和Ag鍍層外觀(guān)Table 1 Deposition rate and appearance of Ag coating at different mass concentrations of silver ions

2.4.2 游離KCN的質(zhì)量濃度

氰化鉀是氰化物鍍銀的主配位劑，除了用于與銀離子配位外，鍍液中還要維持一定濃度的游離KCN。游離KCN的主要作用有：穩(wěn)定鍍液，增強(qiáng)陰極極化，令鍍層結(jié)晶細(xì)致均勻；促進(jìn)陽(yáng)極溶解，提高鍍液的導(dǎo)電能力[3]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，游離氰化鉀質(zhì)量濃度高于200 g/L時(shí)，沉積速率明顯降低；低于100 g/L時(shí)，槽電壓較高，容易發(fā)生陽(yáng)極鈍化；更低時(shí)則鍍層結(jié)晶粗糙，結(jié)合力不佳。結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，選擇游離氰化鉀質(zhì)量濃度為150 ～180 g/L。在此基礎(chǔ)上輔以合適的添加劑，能夠在較高的電流密度下獲得均勻細(xì)致、結(jié)合力良好的銀鍍層。

表2 不同游離氰化鉀質(zhì)量濃度時(shí)的沉積速率和Ag鍍層外觀(guān)Table 2 Deposition rate and appearance of Ag coating at different mass concentrations of free potassium cyanide

2.4.3 溫度

高速鍍銀通常需要較高的工作溫度，以加快傳質(zhì)過(guò)程，降低濃差極化，進(jìn)而擴(kuò)大可使用的電流密度范圍，提高沉積速率，滿(mǎn)足高速生產(chǎn)的要求。在A(yíng)g+質(zhì)量濃度為75 g/L、游離氰化鉀質(zhì)量濃度為155 g/L、陰極電流密度為15 A/dm2的實(shí)驗(yàn)條件下，研究了溫度對(duì)高速鍍銀沉積速率的影響。從圖2可知，適當(dāng)升溫有助于提高沉積速率。但溫度過(guò)高時(shí)，鍍液中的水分蒸發(fā)和氰化物分解加快，鍍液穩(wěn)定性變差。另外，在連續(xù)高速鍍過(guò)程中鍍液本身處于高速流動(dòng)狀態(tài)，加之子槽上側(cè)口設(shè)置了均勻分布的廢氣吸風(fēng)口，可令子槽內(nèi)液面空氣處于高速流動(dòng)交換狀態(tài)，這兩方面的作用都加劇了鍍液的蒸發(fā)和揮發(fā)。故本工藝選擇的溫度范圍是40 ～ 50 ℃，45 ℃為最佳。

圖2 溫度對(duì)沉積速率的影響Figure 2 Effect of temperature on deposition rate

2.4.4 陰極電流密度

在確定的工藝配方下，選擇適宜的陰極電流密度范圍是獲得合格鍍層和理想沉積速率的關(guān)鍵，同時(shí)也是減弱沉積過(guò)程中因電流的邊緣效應(yīng)而外溢的關(guān)鍵。從表3可知，陰極電流密度為10 A/dm2時(shí)沉積速率較低；25 A/dm2時(shí)鍍層外觀(guān)不佳；陰極電流密度更高時(shí)鍍層結(jié)晶粗糙，氣、液交替過(guò)渡處因電流的邊緣效應(yīng)突出而有向被鍍弧面兩側(cè)外溢的現(xiàn)象。故選擇陰極電流密度為15 ～ 20 A/dm2。

表3 不同陰極電流密度下的沉積速率和Ag鍍層外觀(guān)Table 3 Deposition rate and appearance of Ag coating at different cathodic current densities

2.5 鍍層厚度均勻性分析

基于動(dòng)觸頭的工作環(huán)境所需，其工作弧面鍍銀層除了必須結(jié)晶細(xì)致、結(jié)合力良好之外，在工作弧面的鍍層厚度分布均勻性也應(yīng)有一定的保障。在本工藝的實(shí)施過(guò)程中，為保證動(dòng)觸頭工作弧面鍍層分布的均勻性及減少沉積過(guò)程中鍍層向弧面兩側(cè)外溢，在控制好鍍液主鹽濃度、陰極電流密度和鍍液流速的同時(shí)，調(diào)整好每組陽(yáng)極與待鍍面的距離和俯仰角度也很關(guān)鍵。從批量生產(chǎn)的零件中隨機(jī)抽取5個(gè)樣件，測(cè)量其觸頭工作弧面的鍍層厚度，并使用金相顯微鏡觀(guān)察鍍層的截面。從表4和圖3可知，不同樣件及同一個(gè)樣件不同部位鍍銀層的厚度差可控制在± 2 μm范圍內(nèi)，滿(mǎn)足動(dòng)觸頭鍍層在工作面均勻分布的要求和不同零件之間鍍層厚度相對(duì)一致的需求。

圖3 金相顯微鏡截面測(cè)量鍍層厚度均勻性的結(jié)果Figure 3 Thickness uniformity of Ag coating measured by using metallurgical microscope

表4 采用X射線(xiàn)熒光測(cè)厚儀對(duì)鍍銀層厚度均勻性進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果Table 4 Thickness uniformity of Ag coating measured by using X-ray fluorescence thickness meter(單位：μm)

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)微型斷路器動(dòng)觸頭工作面鍍厚銀的要求，研究了不同因素對(duì)施鍍效果和沉積速率的影響，獲得了適宜的連續(xù)局部高速鍍銀工藝。該工藝通過(guò)對(duì)試件整體預(yù)先滾鍍銀再局部高速鍍厚銀，可取代傳統(tǒng)的整體滾鍍厚銀工藝，所得鍍層滿(mǎn)足動(dòng)觸頭的電氣性能要求，可節(jié)省大量貴金屬銀的消耗，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。