要約：アークアブレーションは、純銅スイッチの故障の主な原因です。純銅接点の耐電気アブレーション性を向上させるために、レーザークラッディング技術により、純銅マトリックスの表面に、W含有量の異なるCu-W-Ni合金クラッディング層を作成しました。クラッディング層の微細構造、組成分布、硬度、耐食性を分析しました。結果は、クラッディング層と純銅基板の表面が冶金的に結合しており、穴や亀裂などの欠陥がないことを示しています。コア内の純銅マトリックスの導電性を確保することを前提として、レーザークラッディング層は、接点の表面硬度と耐食性を大幅に向上させます。また、W含有量の増加に伴い、クラッディング層の硬度は継続的に増加しますが、欠陥が増加し、電気伝導性が低下します。

断路器は、電力システムで最も広く使用され、広く使用されている電気機器の1つです。故障すると大規模な停電につながることが多く、電力網の安全な運用に重大な影響を及ぼします。電気接点は、高電圧スイッチギアの重要なコンポーネントです。スイッチが閉じた瞬間に、接点ギャップに高温、高エネルギーのアークが発生し、接点表面が焼けます。毎年、接点の加熱や過熱などの欠陥により、断路器が損傷し、大規模な停電が発生しています。これは、多額の経済的損失を引き起こすだけでなく、変電所の作業員の生命安全にも大きな脅威をもたらします。接点の損傷は主にアークアブレーションプロセス中に発生し、主に次の3つの部分で構成されます。1つ目は、表面の既存の付着物と低融点銅の揮発とスパッタリングです。2つ目は、銅の溶融と飛散と冷却と凝固の動的バランスです。最後に、表面が不均一で強くアブレーションされます。しかし、アークの遮断は接点の溶着を直接引き起こすわけではありません。アークの遮断時間は比較的長く、エネルギーが大きいため、接点表面の凹凸が大きくなり、侵食が大きく、接点が次回閉じるときに高エネルギーのプリ放電アーク、バウンスアーク、および溶着が発生しやすくなります。つまり、接点は機械的衝撃に耐えるだけでなく、アークによる腐食にも耐える必要があります。また、製造プロセスに固有の欠陥もあります。

現在、導電性に優れた純銅接点が広く使用されていますが、使用中に強度が低下し、変形抵抗が低いため故障します。銅の表面は酸化膜を生成しやすく、抵抗が高く、温度上昇が速く、純銅は耐腐食性、温度、強度などの面で性能が劣っています。国内外で接点材料に関する研究が盛んに行われています。研究の方向性から見ると、主に3つの側面があります。1つ目は、新しい接点材料の開発、2つ目は材料を変えずに新しい製造プロセスを見つけること、3つ目は主な材料を変えずに新しい合金元素や非金属化合物を追加することで材料の性能を向上させることです。本研究では、主に後者の2つの方法を通じて接点材料の総合的な性能を向上させます。

レーザークラッディングは新しいタイプの表面技術であり、その原理は、高集光レーザービームを使用して、クラッディング材料と基材を同時に基材の表面で溶融・凝固させ、基材との冶金結合と低希釈率、クラッディング材料の特性を備えたレーザークラッディング層を作成することです。このクラッディング層は、耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、耐酸化性など、基材にはない優れた特性を備えていることがよくあります。レーザークラッディング技術は、過酷な作業条件下で使用されるが、経済的要因により大規模に使用することができない、優れた性能を持つ材料で作られた部品に大きな応用可能性を秘めています。また、王燕明らの研究によると、同じ電流と電流破壊時間の場合、銅タングステン合金中のタングステン含有量が多いほど、銅タングステン合金のアーク浸食耐性が強くなります。同時に、タングステン含有量が多いほど、銅タングステン合金がアーク浸食下で割れる可能性が高くなります。これは、タングステン含有量の少ない銅タングステン合金と比較して、タングステン含有量が多いほど銅タングステン合金の脆さが増し、割れやすくなることを示し、これは銅タングステン合金の硬度変化に対応しています。本研究では、レーザークラッディング技術を使用して、純銅接点の表面に耐摩耗性と耐腐食性を備えた銅ベースのクラッディング層を準備して保護し、準備した3つの銅ベースのクラッディング層の微細構造、組成分布、硬度、導電性、耐腐食性を研究しました。

1実験材料と方法

1.1 実験材料
実験基板は、20 mm × 20 mm × 8 mmの純銅板（GW5-35高電圧断路器接点材料と同じ）です。被覆材の組成を表1に示します。粉末の粒子サイズは140メッシュから325メッシュです。タングステン銅合金電気接点は、一般に高タングステンと低銅です（タングステンの質量分率は50％から90％）。Cuは熱伝導性と電気伝導性に優れ、Wは密度、強度、融点が高く、膨張係数が低いです。このXNUMXつは混和せず、金属間化合物を形成することもできません。ただし、銅の増加により合金の多孔性が大幅に低下しますが、銅の凝集傾向もより顕著になります。W元素は銅に不均一に分布しており、合金と浸透した銅液との界面は緩んでいます。タングステン銅複合材料は、高融点、高硬度のタングステンと、高電気伝導性、高熱伝導性の銅で構成された擬似合金です。Cu-W材料は、CuとWの利点を同時に備えています。熱伝導性、電気伝導性が良く、密度が高く、膨張係数が小さいため、電気接点材料として広く使用されています。同時に、銅タングステン合金に少量のNiを添加して、材料の硬度と耐腐食性を高めています。

1.2実験方法
レーザークラッディングは、同期粉末供給によって純銅板基板の表面に行われます。レーザークラッディングの前に、クラッディング効果に影響を与えないように純銅板の表面を前処理する必要があります。前処理方法は、200〜600メッシュのサンドペーパーを使用して板の表面を研磨し、表面の不純物と酸化スケールを除去し、次にアセトンで洗浄して不純物を取り除き、最後に板をクラッディング作業台に固定します。レーザークラッディングは、板を固定してレーザーヘッドを移動させることで実行されます。表1の120成分の合金粉末を1°Cで3300時間乾燥させた後、粉末供給装置に充填しました。レーザークラッディング装置はRFL-C2Wレーザーを使用し、各クラッディング層のテストパラメータを表XNUMXに示します。
パラメータを調整することで、単一のクラッド層の厚さは600μmに達することができます。同じ方法でクラッドを1200回実行し、準備後のクラッド層の合計平均厚さは約1400μm〜10125μmでした。準備されたクラッド層は研磨され、良好な形態の耐腐食性と耐摩耗性クラッド層が得られました。ワイヤーカットにより、硬度試験、塩水噴霧試験（GB / T 2012-XNUMX「人工大気腐食試験塩水噴霧試験」に準拠）、および導電性試験に必要な試験サンプルがそれぞれ準備されました。
クラッド層断面の微小硬度の試験方法は「S型点試験法」です。クラッド層の表面から基材に向かって点を打ち、クラッド層の水平方向に50点をとります。各点の間隔は150μm、クラッド層の垂直方向の各点の間隔は200μmです。荷重は0g / Nで、10125は基材の位置です。耐食性試験は、試験規格（GB / T 2012-5）に従って設計された中性塩水噴霧試験です。50％NaCl溶液（6.5g / L）を調製し、塩水噴霧ボックスで収集された噴霧溶液のpH値を7.2〜35に制御します。溶液は新しい沸騰水で調製して、溶液中の二酸化炭素を減らし、pHの変化を防ぎます。塩水噴霧室の温度は45℃、圧力バレルの温度は95℃、湿度は1％以上、霧滴は2mL/(h·cm70)、ノズル圧力は24kPa、噴霧は連続的に行われます。サンプルは120時間ごとに取り出され、観察と試験が行われます。試験の総時間はXNUMX時間です。

2テスト結果と分析

2.1 コーティング層構造
クラッド層の表面を検査したところ、厚さは1500μmを超えていました。その中で、CuW10Ni3クラッド層の表面は滑らかで平坦で、全体の厚さは均一で、明らかな穴はありませんでした。クラッド層のW含有量が増加するにつれて、図1に示すように、表面形態は徐々に悪化しました。CuW10Ni3と比較して、他の40つのクラッド層の表面には少数の穴が現れ始めましたが、CuW3NiXNUMXの表面形態は悪く、穴が多くありました。XNUMXつのクラッド層の表面を着色浸透探傷器を使用して非破壊検査したところ、XNUMXつのクラッド層の表面に亀裂はありませんでした。
2つのクラッド層と基板の接合部の形態を図2に示します。図XNUMXから、XNUMXつのクラッド層が基板に冶金的に結合しており、XNUMXつがしっかりと結合していることがわかります。基板は単一の灰色相であり、クラッド層には白色相と灰色相が含まれています。W含有量が増加するにつれて、白色相の含有量が徐々に増加します。

各クラッド層の異なる位置の組成を表3に示します。図3〜5は、それぞれ3つのクラッド層の断面形態と元素分布図である。図5〜10からわかるように、白色相はW元素で構成され、灰色相はCu元素とNi元素で構成されています。Cu元素の含有量はNi元素の含有量よりもはるかに高くなっています。クラッド層はW元素の偏析を生成します。これは、Wの融点が高く、クラッド層内のW粒子がCu元素とNi元素でコーティングされているためです。CuW3Ni20およびCuW3Ni10クラッド層のW含有量はそれぞれ20％と20％と比較的低く、対照的に、CuW3Ni40クラッド層のW元素分布は最も不均一で、小さな粒状の偏析と大きな凝集体の偏析の両方があります。 CuW3Ni20 クラッド層では、W 元素含有量が大幅に増加し、灰色マトリックス相でより均一に分散しています。CuW3NiXNUMX クラッド層と同様に、小さな粒状の偏析と大きな凝集体の偏析の両方が存在します。

2.2 XRD結果
図6は、6つのクラッド層のXRD結果を示しています。図XNUMXから、XNUMXつのクラッド層の回折ピークはほぼ同じであり、クラッド層はCu、W、Cu-Ni固溶体で構成されていることがわかります。また、クラッド層には酸化物は検出されませんでした。これは、アルゴンがレーザークラッドプロセスで完全な保護役割を果たしていることを証明しており、準備されたクラッド層では酸化が発生していないため、材料の耐食性と電気伝導性を正確に検出できることが保証されています。

2.3 硬度分析
図7は、クラッド層から基板までの硬度曲線を示しています。図7から、基板からクラッド層にかけて、遷移領域に硬度成長勾配があることがわかります。クラッド層領域では、全体的な硬度値が基板の硬度よりも大幅に高くなっています。基板の60 HVから70 HVから90 HV以上に増加します。40つの成分のクラッド層を比較すると、W含有量が増加するにつれて、クラッド層の硬度も増加します。CuW3Ni130クラッド層の平均硬度は約1.5 HVに増加します。基板と比較して、クラッド層の硬度は2〜3.8倍増加します。XRD結果によると、Niの存在により、クラッド層にCu10Ni相が形成され、ある程度硬度の増加に役割を果たしています。また、CuW3Ni20とCuW3Ni102の硬度は大きく変動していることもわかりました。走査型電子顕微鏡画像と組み合わせると、W元素の濃縮と不均一な分布がこの結果につながる可能性があります。また、レーザークラッディング技術自体は急速溶融、膨張、急速凝固（冷却速度は通常106℃/s〜2.4℃/sに達する）の特性を持っているため、クラッド層の微細構造特性は一般に非常に細かく緻密であり、クラッド層の硬度を効果的に向上させることができます。 4 導電性分析表XNUMXに各クラッド層の導電性を示します。全体的に、クラッド層の導電性は純銅基板の導電性よりも低くなっています。比較すると、W含有量が増加すると、導電性が徐々に低下することがわかります。断面走査型電子顕微鏡画像とXRD分析を組み合わせると、クラッド層に少量の穴が存在し、Ni元素とW元素が添加されると、耐食性と硬度が向上しながら、表面導電性に大きな影響を与えます。

2.5 塩水噴霧試験
8 つのクラッド層の耐食性は塩水噴霧試験によってテストされました。XNUMX つのクラッド層の塩水噴霧腐食試験中のサンプルの重量損失と腐食時間の関係を図 XNUMX に示します。
図8から、10つのクラッド層の重量損失曲線がほぼ放物線になっていることがわかります。これは、クラッド層の腐食プロセス中に、表面に保護効果のある腐食生成物が生成され、それによって腐食速度が低下することを示しています。CuW3Ni20およびCuW3Ni1.5621クラッド層と比較すると、W元素含有量の増加とともに耐食性が低下します。総重量損失は、CuW2Ni10クラッド層で3 mg/cm3.7247、CuW2Ni20クラッド層で3 mg/cm20です。CuW3Ni2.4クラッド層の重量損失は、CuW10Ni3クラッド層のXNUMX倍です。
CuW10Ni3 および CuW20Ni3 クラッド層の重量減少曲線をフィッティングし、それぞれ表 5 に示すフィッティング式を得ました。表 5 から、Ni 元素を添加した後、CuW10Ni3 および CuW20Ni3 クラッド層の重量減少曲線は類似しており、両方ともほぼ放物線の関係にあることがわかります。XRD 分析から、少量の Ni 元素を添加した後、純粋な Cu 相と W 相に加えて、新しい Cu3.8Ni 相がクラッド層に現れることがわかります。Cu-Ni 合金は耐食性が優れているため、Ni 元素を添加すると、Cu-W-Ni クラッド層の耐食性が大幅に向上します。
表6は、異なる時間における塩水噴霧腐食後の10つの被覆層のマクロ形態を示しています。表3のCuW20Ni3、CuW40Ni3、CuW6Ni40の3つの被覆層を比較すると、被覆層中のW含有量の増加に伴い、その表面形態が徐々に悪化し、特にCuW5Ni20被覆層の表面が腐食生成物で覆われ、非常に明らかな穴が現れていることがわかります。表3と組み合わせると、CuW40Ni3とCuW40Ni3の被覆層はどちらも程度の差はありますが重量が減少しますが、CuWXNUMXNiXNUMX被覆層は表面の穴が多く、腐食生成物を除去するのが難しいため、重量増加現象が発生していることがわかります。
図9は、40時間の塩水噴霧腐食後のCuW3Ni120被覆層のXRD結果を示しています。XRDカードの比較によると、Cu-W-Ni系被覆層の表面の腐食生成物は主にCuCl、Cu2O、Cu2Cl(OH)3、NiOです。
Cu-W-Ni系クラッド層の電気化学的腐食メカニズム解析によると、腐食プロセス中に、銅-タングステン-ニッケルクラッド層中のNi元素が材料を保護することが示されています。腐食の初期段階では、銅の腐食溶解反応に加えて、反応（1）、（2）、（3）も発生し、Ni2+が生成されます。腐食が進むにつれて、反応（4）、（5）が発生し、サンプルの表面に不動態膜が生成されます。合金表面には、一定の耐食性を備えたNiO、Cu2（OH）3Cl、Cu2Oなどの腐食生成物が生成されるため、合金の耐食性が大幅に向上します。

3. 結論と展望
（１）レーザークラッディング法を用いてCuW1Ni10、CuW3Ni20、CuW3Ni40クラッド層を作製した。クラッド層の表面にはCuとWの3相に加えて、第3.8相CuXNUMXNiも現れた。クラッド層と基板はよく一体化しており、冶金的に結合している。クラッド層の成分は比較的均一に分布しており、W元素はある程度偏析している。
（２）Cu-W-Ni三層クラッド層の硬度は純銅母材に比べて大幅に向上し、同時にW元素含有量が増加するにつれて硬度値は上昇傾向を示している。
（３）Ｗ含有量が増加すると、電気伝導率は徐々に低下する。断面走査型電子顕微鏡像とＸＲＤ分析を組み合わせると、クラッド層中の少数の空孔の存在と、ＮｉおよびＷ元素の添加により、耐食性と硬度が向上し、表面導電性にも大きな影響を与える。
（４）全体的に見ると、CuW4Ni10クラッド層の総合的な性能は、他の２つのCu-W-Ni系クラッド層よりもわずかに優れている。