銅排表面鈍化處理在電力設備中的應用

王東亮，　尹東海，　陸凱雷，　金正祥

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州　213025)

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銅排表面鈍化處理在電力設備中的應用

王東亮，尹東海，陸凱雷，金正祥

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025)

摘要：銅排經銅材鈍化液化學處理后，在銅排表面形成無色、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，耐中性鹽霧試驗高于48h；在生成鈍化膜的銅排表面再涂覆電接觸保護劑，生成二次保護膜。該雙層膜銅排與表面鍍錫銅排的導電性和導熱性相當，防腐蝕性能大幅提升，耐中性鹽霧試驗高于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。

關鍵詞:銅材鈍化液； 銅排； 表面鍍錫； 耐蝕性；電力設備

引　言

電力設備中應用的工業(yè)純銅，裸露于空氣中表面極易生銹，其氧化物嚴重影響銅材的導電性能。電力設備中的銅排、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膜，避免了銅材基體的腐蝕。隨著全社會環(huán)保意識的增強，電鍍過程所產生的重金屬污染嚴重危害環(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，阻止了基體與周圍環(huán)境的直接接觸，起到了一定的防腐作用；在經過鈍化處理后的銅排表面涂覆電接觸保護劑[2](以下統(tǒng)稱保護劑)，做封閉處理，在銅排表面形成了雙層保護膜，使其防腐蝕性能大幅提升。該處理過程環(huán)保無污染，價格低廉，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

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

表面腐蝕、搭接面異物及緊固條件等因素都會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，電力設備用銅排表面處理主要有鍍錫、鍍銀及涂覆電接觸保護劑等，尤以電鍍錫為主。銅排鍍錫防腐性能好，導電性稍差；銅排鍍銀導電性能較好，但防腐性能欠佳，在空氣中久置極易發(fā)黑，且成本高。鍍錫、鍍銀等電鍍工藝過程對環(huán)境污染嚴重,不能滿足銅排在電力設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劑封閉技術良性融合，可謂是相得益彰，不僅大幅提高了銅排的防腐蝕性能，而且不影響其導電、導熱性能，與鋁排接觸時，表現(xiàn)出了傳統(tǒng)鍍錫銅排無法代之的優(yōu)越性能。

2　銅排鈍化保護性能試驗

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

2.1實驗材料及設備

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

2.2樣品處理工藝2.2.1實驗樣品處理方案，見表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→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實驗方案

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。搭接后進行接觸電阻測試、溫升仿真分析、鹽霧試驗以及電偶腐蝕測試。

圖1　銅排搭接圖

3　結果與分析

3.1接觸電阻

樣品不同搭接的接觸電阻測試結果見表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、鈍化保護銅排、鍍錫銅排，其接觸電阻均非常接近，說明銅材鈍化液與電接觸保護劑對銅排導電性能的影響極小，幾乎可忽略。

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

3.2溫升

依據(jù)DL/T 5222-2005標準，TMY 200mm×50mm×5mm可承載最大電流為600A，室溫環(huán)境下，對鈍化保護銅排、鍍錫銅排分別做溫升仿真分析，結果見表3。

表3樣品溫升仿真對比

項目鍍錫銅排鈍化保護銅排仿真分析相對溫升22.9℃28.1℃

仿真數(shù)據(jù)表明，鈍化保護銅排在室溫條件下，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個保護評級，評級標準見表4。

表4保護評級標準

A腐蝕/%保護評級/RPA腐蝕/%保護評級/RPA腐蝕/%保護評級/RPA=0100.5

鈍化銅排、鈍化保護銅排以及鍍錫銅排的耐腐蝕評級如表5。

表5樣品腐蝕評級

NSS鈍化RP鈍化保護RP鍍錫RP0h10101024h101010

續(xù)表

NSS鈍化RP鈍化保護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48h幾近無腐蝕，但變色嚴重，96h嚴重腐蝕；表面鈍化且封閉處理的銅排，中性鹽霧試驗96h無腐蝕、微量變色，168h微量腐蝕、嚴重變色；表面10μm鍍錫銅排，96h微量腐蝕，168h嚴重腐蝕。結果表明，使用銅材鈍化液和電接觸保護劑處理銅排表面，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，各金屬的標準電位如表6。

表6標準電位

元素AlFeSnpCuAgφ標準/V-1.66-0.44-0.140.000.340.78

幾組搭接樣品鹽霧試驗的電偶腐蝕情況見表7。

表7電偶腐蝕

編號接觸面腐蝕編號接觸面腐蝕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重，鈍化保護銅排無腐蝕；Ag、Cu與Fe電位差較大，易作為原電池反應的陰極，屬于大陰極、小陽極，加速了不銹鋼螺栓的腐蝕；Ⅱ-Ⅴ Fe、Al與Cu，接觸面無明顯銹蝕；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。試驗表明，鈍化保護銅排、鍍錫銅排與鋁排接觸，均會有不同程度的腐蝕，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劑市場價格便宜，處理工藝簡單，經批量生產考核，銅排處理成本約在2～3元/kg，比鍍錫銅排更具成本優(yōu)勢。

4　應用分析

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

5　結　論

銅排表面鈍化封閉，融合了銅材鈍化液和電接觸保護劑二者的優(yōu)點。鈍化處理，優(yōu)先在銅排表面形成了一層鈍化保護膜，起到一定的抗腐蝕作用，并且增加了電接觸保護劑在銅排表面成膜的附著力；電接觸保護劑在銅排表面二次成膜，進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。

鈍化工藝和保護劑封閉處理在銅排表面形成的雙層保護膜，不影響銅排導電性能，防腐性能大幅提升；與鋁排接觸時體現(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)勢明顯，適合批量應用。

參考文獻

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

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

[3]張靜.銅及其合金光亮防銹表面處理技術的研究[D].無錫：江南大學，機械設計及理論,2008.

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

[5]淡媛麗.電接觸保護劑在電器控制柜銅排表面處理中的應用[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

中圖分類號：TG178

文獻標識碼：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