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电接触保护剂在电器控制柜铜排表面处理中的应用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-13  浏览次数:952

(正泰电气股份有限公司,上海松江201614)

摘要:保护剂涂覆在经化学前处理后的铜排表面,测试铜排固定接触面的接触电阻,接触电阻基本没有增加,不影响其产品的导电性能及产品回路电阻,同时也对铜表面起一定的防腐蚀作用。该涂覆工艺可以替代铜材接触表面常用的镀银、镀锡方法;保护剂对铜排的防腐蚀性能优于电镀银、接近电镀锡层。

关键词:保护剂;铜排;接触电阻;防腐蚀性能

中图分类号:TG174.46   文献标识码:B

引 言

铜排是成套电器控制设备中主要导电体之一。铜在大气中表面极易氧化、硫化,形成导电性能很差的氧化物、硫化物,这些化合物的电阻率几乎接近绝缘材料的电阻率,并且随着时间的延长,铜表面的化合物膜层越来越厚,铜排搭接面处的接触电阻也会越来越大,接触电阻增大,铜排搭接面温度就会升高,易引起重大安全事故。为了延缓铜排表面的快速氧化,保持铜排搭接面处接触电阻的长期稳定性,以维持铜排温升的长期稳定,最早采用铜上电镀银,为节约成本,后改进为铜上电镀锡工艺,从整体效果考虑,一是锡层不易氧化;二是锡氧化物的电阻率较银、铜氧化物、硫化物的电阻率小得多;三是锡层对铜而言属于阳极性镀层,从而保护了基体金属铜,但是锡离子属于一类重金属污染物。随着科学技术的发展,新材料不断涌现,目前市场上有一种材料,操作简单、使用方便、节约能源、对铜及铜合金有很好的防护性能且导电性能良好的电接触保护剂。

1成套电器控制设备的接触电阻

电接触的形式很多,按接触处的几何形状不同,可分为三类:一类是点接触,一个球面与一个平面或两个球面相接触;二类是线接触,一个圆柱面与一个平面相接触;三类是面接触,两平面相接触。

按电接触工作的原理也分为以下三类:一是固定接触,两接触元件在工作时间内固定接触在一起,不做相对运动,也不相互分离;二是滑动接触,两接触元件能作相对滚动和滑动,但不相互分离;三是可分合接触,两接触元件可随时分离或闭合。成套电器控制设备的铜排和其它电器元件的接触属于一种固定式面接触,搭接面接触面积较大,在接触压力合理的情况下可降低接触电阻。接触电阻即两个金属导体互相接触时,在接触区域内存在的附加电阻,接触电阻由收缩电阻和膜电阻组成。收缩电阻是指当电流通过两接触导体的内表面时,在导电斑点附近,电流线发生变形,使电流通过的路径增长,有效导电面积减少,而出现局部的附加电阻。膜电阻是当电流通过两接触导体表面时,因膜层(氧化膜、硫化膜等)引起的附加电阻。

2接触电阻中膜电阻稳定性差的原因

从接触电阻的定义、分类及组成可知膜电阻是构成接触电阻的一部分,对于表面处理而言,它并不是用于降低铜排的表面电阻,而是为了防止铜排在长期使用过程中的氧化、腐蚀,即对铜排表面起一定的防腐蚀作用,提高铜排的防腐性能,以维持表面电阻的长期稳定性。铜排表面无论是镀银,还是镀锡处理,在金属镀层没有氧化之前可以认为膜电阻率为镀层金属电阻率,而金属电阻率很小。由于金属本身的热力学不稳定性,极易受潮热、盐雾、大气中的S02、N02、H2S等腐蚀介质的作用而形成腐蚀产物。形成的氧化物及硫化物,这些氧化物及硫化物的电阻率较金属镀层的电阻率大得多,表1为金属、金属氧化物及硫化物的电阻率。

表1 金属及金属化合物的电阻率

在潮湿、污染的环境内这些氧化物及硫化物膜层越来越厚,随着膜层增厚膜电阻增大,接触电阻就不会保持长期稳定,接触处的温升也就不会保持长期稳定。

3保护剂性能试验及特点

3.1接触电阻测定

为了验证保护剂涂覆于导电体上是否影响产品的导电性能,用三种方法对铜排表面进行防腐保护处理,然后用回路电阻法测试接触电阻。处理工艺、测试方法如下:

1)铜排规格 TMY260mm×120mm×10mm。

2)铜排处理工艺流程 a.A-B组铜排除油→酸洗→钝化→涂覆电接触保护剂;b. C-D组铜排除油→酸洗→镀锡;c. E-F组铜排除油→酸洗→镀银。

3)试验测定并比较三组铜排搭接面接触电阻的大小。

4)试验方法 铜排经螺栓搭接(搭接孔距为50mm×50mm,搭接螺栓为M16×50)后,用直流压降法测量铜排搭接表面的接触电阻。

5)测量条件θ为20.5℃,RH为60%;测试是在铜排表面处理后立即进行,可认为镀层表面没有氧化膜。试验结果见表2。

表2接触电阻测试

测试结果证明,三种不同表面处理的铜排,其接触电阻非常接近,这说明涂覆保护剂并不增加铜排表面的接触电阻。

3.2防腐蚀性能测定

保护剂的主要成分是起防腐蚀作用的有机保护剂及溶剂,而保护膜则是可以导电的蜡类有机物,这种物质借助于分子的端基所具有的静电场力或配位场力与电接触材料铜等过渡金属的原子产生紧密结合,其δ只有1~2μm,要求一次涂复,能长期使用。结合力强的保护薄膜较好的解决了金属层的硫化、微孔电化学腐蚀和氧化变色等问题,有效提高有色金属表面的抗腐蚀能力。用四种工艺方法对铜排表面进行处理,作耐盐雾试验,以比较它们的防腐性能。试验方法按QB/T3826-1999《轻工产品金属镀层和化学处理层的耐腐蚀试验方法中性盐雾试验(NSS)法》进行,耐腐蚀等级的标准见表3。试验结果按QB/T3832-1999《轻工产品金属镀层腐蚀试验结果的评价》进行评价,结果见表4。

表3耐腐蚀等级划分标准

表4耐腐蚀等级评价结果

3.3保护剂的特点

1)室温条件下即可直接涂覆,无毒不燃,安全可靠。适合电镀企业大批量应用。

2)节能减排,铜排涂覆保护剂和电镀锡相比具有节约金属材料锡、水、电、压缩空气及水蒸汽等能源和减少废水处理费用。

4 生产过程注意问题

从2003年试运行到2010年,该工艺方法已使用7年,生产过程中对表面处理质量起关键作用工序是光亮处理、氧化处理及烘干。光亮处理使零部件表面呈现铜及铜合金本色,氧化处理使金属表面形成均匀、致密氧化层,防止短时间的氧化,如果处理效果不好,外观质量差。烘干也是非常重要的工序,有机物与水不相容j零部件上有少量水份,保护剂中的有机物很难与金属形成络合物,从而影响防腐蚀性能。故在应用过程中要严把这三道工序的质量关。

5 工艺的局限性

1)产品不宜于在我国南方的柴油发电机房使用。例如试验的发电机房位于大厦的地下室,发电机房外是宾馆碟盘刷洗间,机房外地面上集水很多。试验发现柜体中的铜材,凡是与空气接触的部分表面都呈现黑色,黑色物质为铜的硫化物。铜排涂覆电接触保护剂部分表面变黑现象十分明显。经质量分析认为:柴油燃烧后产物含硫废气,废气又没有及时交换到室外,含硫废气中硫离子极易与铜反应生产黑色硫化铜,再加上发电机房内空气潮湿、不流通,更加速了铜排表面的硫化反应速度。环境影响比较大。

2)不宜于在含有硫化物废气的环境中使用。

例如产品应用于生产过程中产生硫化氢气体、二氧化硫气体等废气的车间发现铜排涂覆保护剂面发黑、脱皮。分析原因,主要是生产过程中产生硫化氢、二氧化硫等废气与铜的硫化反应。

建议尽量在Ⅱ、Ⅲ类环境条件使用此工艺。

6应用效果

根据某公司产品使用环境和长期的使用结果,采用了不同的表面处理工艺。其铜排表面采用涂覆保护剂的处理工艺。在户内一般使用环境下,采用这种处理方法的铜排防腐性能可以保持3—5年基本不变。

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