铜排表面钝化处理在电力设备中的应用

王东亮，　尹东海，　陆凯雷，　金正祥

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州　213025)



铜排表面钝化处理在电力设备中的应用

王东亮，尹东海，陆凯雷，金正祥

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025)

摘要：铜排经铜材钝化液化学处理后，在铜排表面形成无色、光亮的钝化膜，钝化膜将铜排基体与空气隔离，起到了一定的防腐蚀作用，耐中性盐雾试验高于48h；在生成钝化膜的铜排表面再涂覆电接触保护剂，生成二次保护膜。该双层膜铜排与表面镀锡铜排的导电性和导热性相当，防腐蚀性能大幅提升，耐中性盐雾试验高于168h，优于表面镀锡铜排，且环保安全。与铝排接触，钝化铜排导电性明显优于镀锡铜排，表现出了一定的不可替代性。

关键词:铜材钝化液； 铜排； 表面镀锡； 耐蚀性；电力设备

引　言

电力设备中应用的工业纯铜，裸露于空气中表面极易生锈，其氧化物严重影响铜材的导电性能。电力设备中的铜排、铜板及铜母线等，其表面多以镀锡[1]、镀银或镀镍等电镀工艺处理，使铜排表面形成一层弱氧化性金属保护膜，避免了铜材基体的腐蚀。随着全社会环保意识的增强，电镀过程所产生的重金属污染严重危害环境及人体健康，且成本昂贵。

本文研制铜材钝化液可使铜排表面生成一层钝化薄膜，包覆在铜排表面，阻止了基体与周围环境的直接接触，起到了一定的防腐作用；在经过钝化处理后的铜排表面涂覆电接触保护剂[2](以下统称保护剂)，做封闭处理，在铜排表面形成了双层保护膜，使其防腐蚀性能大幅提升。该处理过程环保无污染，价格低廉，与铜排电镀工艺相比，显现了一定的优越性和具有可持续发展性。

1　铜排表面保护

电力一次设备正朝着高压、高频、大功率、大电流、智能化和长寿命方向发展，基于纯铜材料良好的导电性、导热性和环境适应性，铜排在大型电力设备中的应用也越来越受到青睐，是不可或缺的导流材料。

表面腐蚀、搭接面异物及紧固条件等因素都会不同程度地影响铜排间的接触电阻、通流能力及发热量。目前，电力设备用铜排表面处理主要有镀锡、镀银及涂覆电接触保护剂等，尤以电镀锡为主。铜排镀锡防腐性能好，导电性稍差；铜排镀银导电性能较好，但防腐性能欠佳，在空气中久置极易发黑，且成本高。镀锡、镀银等电镀工艺过程对环境污染严重,不能满足铜排在电力设备上的高使用寿命要求和绿色环保的可持续发展战略。

随着新材料、新技术的不断突破，钝化处理延伸到了铜材处理行业[3]，将铜排钝化与电接触保护剂封闭技术良性融合，可谓是相得益彰，不仅大幅提高了铜排的防腐蚀性能，而且不影响其导电、导热性能，与铝排接触时，表现出了传统镀锡铜排无法代之的优越性能。

2　铜排钝化保护性能试验

试验思路：在同种环境条件下，分别对同规格铜排进行钝化处理、钝化封闭处理、镀锡处理、镀银处理以及对同规格铝排清洗处理；对处理完成的样品按照铜铜、铜铝分别搭接测试导电性能、耐盐雾性能。

2.1实验材料及设备

TMY 200mm×50mm×5mm、LMY 200mm×50mm×5mm、铜材钝化液、电接触保护剂；盐雾试验箱(中性盐雾)、接触电阻测试仪(精度0.1μΩ)。

2.2样品处理工艺2.2.1实验样品处理方案，见表1。

表1样品处理方案

基材铜排铜排铜排铜排铝排组别ⅠⅡⅢⅣⅤ试样数量24422处理工艺钝化钝化+保护镀锡(10μm)镀银(5μm)清洗

2.2.2各组样品处理工艺

Ⅰ组：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→钝化→水洗→干燥。

Ⅱ组：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→钝化→水洗→干燥→保护→干燥。

Ⅲ组：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→电镀锡→干燥。

Ⅳ组：除油→水洗→酸洗→水洗→酸洗→水洗→电镀银→干燥。

Ⅴ组：活化→水洗→碱洗→水洗→中和→水洗。

2.2.3实验方案

采用M8×25不锈钢螺栓分别搭接Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅴ和Ⅲ-Ⅴ七组样品，搭接孔径d为9mm，孔距均为25mm，紧固力矩12N·m，搭线方式如图1。搭接后进行接触电阻测试、温升仿真分析、盐雾试验以及电偶腐蚀测试。

图1　铜排搭接图

3　结果与分析

3.1接触电阻

样品不同搭接的接触电阻测试结果见表2。

表2样品表面处理后搭接的接触电阻

搭接方案裸铜排Ⅰ-ⅠⅡ-ⅡⅢ-ⅢⅡ-ⅣⅢ-ⅣⅡ-ⅤⅢ-ⅤR接触/(μΩ)4.55.46.05.05.65.411.5124

由表2可以看出,钝化铜排、钝化保护铜排、镀锡铜排，其接触电阻均非常接近，说明铜材钝化液与电接触保护剂对铜排导电性能的影响极小，几乎可忽略。

铜材钝化液与电接触保护剂在异种金属接触时对导电性能的影响：对比Ⅱ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅴ和Ⅲ-Ⅴ四组铜排接触电阻，可以看出钝化保护铜排、镀锡铜排，分别与镀银铜排搭接，接触电阻相当；与铝排搭接时，钝化保护铜排导电性能明显优于镀锡铜排，具有不可替代性。

3.2温升

依据DL/T 5222-2005标准，TMY 200mm×50mm×5mm可承载最大电流为600A，室温环境下，对钝化保护铜排、镀锡铜排分别做温升仿真分析，结果见表3。

表3样品温升仿真对比

项目镀锡铜排钝化保护铜排仿真分析相对温升22.9℃28.1℃

仿真数据表明，钝化保护铜排在室温条件下，通以最大荷载电流，温升仅比镀锡铜排高出5.2℃，不影响铜排正常使用。

3.3耐腐蚀性能

根据GB/T 6461-2002腐蚀面积规定了11个保护评级，评级标准见表4。

表4保护评级标准

A腐蚀/%保护评级/RPA腐蚀/%保护评级/RPA腐蚀/%保护评级/RPA=0100.5

钝化铜排、钝化保护铜排以及镀锡铜排的耐腐蚀评级如表5。

表5样品腐蚀评级

NSS钝化RP钝化保护RP镀锡RP0h10101024h101010

续表

NSS钝化RP钝化保护RP镀锡RP48h1010896h0106168h----70

由表5可以看出，表面钝化处理的铜排，中性盐雾试验48h几近无腐蚀，但变色严重，96h严重腐蚀；表面钝化且封闭处理的铜排，中性盐雾试验96h无腐蚀、微量变色，168h微量腐蚀、严重变色；表面10μm镀锡铜排，96h微量腐蚀，168h严重腐蚀。结果表明，使用铜材钝化液和电接触保护剂处理铜排表面，大幅提升了铜排的耐腐蚀性能，与普通镀锡铜排相比有明显提高。

3.4电偶腐蚀

以氢电极作为参比电极，各金属的标准电位如表6。

表6标准电位

元素AlFeSnpCuAgφ标准/V-1.66-0.44-0.140.000.340.78

几组搭接样品盐雾试验的电偶腐蚀情况见表7。

表7电偶腐蚀

编号接触面腐蚀编号接触面腐蚀Ⅱ-ⅣⅡ-ⅤⅢ-ⅣⅢ-Ⅴ

由表7可以看出，Ⅱ-Ⅳ Fe、Ag与Cu，镀银铜排接触面孔位边缘锈蚀严重，钝化保护铜排无腐蚀；Ag、Cu与Fe电位差较大，易作为原电池反应的阴极，属于大阴极、小阳极，加速了不锈钢螺栓的腐蚀；Ⅱ-Ⅴ Fe、Al与Cu，接触面无明显锈蚀；Cu与Al、Fe电位相差大，铝表面氧化膜具有较好的防腐蚀作用，其次，铜排表面的膜层阻止了Cu与Al直接接触，减缓电偶腐蚀；Ⅲ-Ⅳ Fe、Ag与Sn，接触面边缘腐蚀；Ag与Fe、Sn电位差较大，Sn的氧化物减缓了原电池腐蚀；Ⅲ-Ⅴ Fe、Al与Sn，接触面轻微腐蚀；Sn与Al、Fe电位差较小，铝排表面氧化。试验表明，钝化保护铜排、镀锡铜排与铝排接触，均会有不同程度的腐蚀，钝化封闭膜层避免了铜排基体与铝排直接接触，一定程度上减缓了双金属的电偶腐蚀。

3.5工艺成本

本研究钝化液和电接触保护剂市场价格便宜，处理工艺简单，经批量生产考核，铜排处理成本约在2～3元/kg，比镀锡铜排更具成本优势。

4　应用分析

铜排表面钝化处理工艺已在电力设备产品中应用[4]，鉴于其独立应用防腐蚀性能一般，目前钝化铜排主要用于户内、环境较好的工况；电接触保护剂也被大量用于电力设备的铜排表面处理[5]，尤其是搭接面，既可以使搭接面紧密接触，提高导电性能，又可以阻止搭接面的氧化，起到防腐蚀及润滑作用；铜排表面钝化保护处理技术，起到保护效果叠加的双重作用，已在SVG、光伏等系列产品中批量应用，使用情况良好。

5　结　论

铜排表面钝化封闭，融合了铜材钝化液和电接触保护剂二者的优点。钝化处理，优先在铜排表面形成了一层钝化保护膜，起到一定的抗腐蚀作用，并且增加了电接触保护剂在铜排表面成膜的附着力；电接触保护剂在铜排表面二次成膜，进一步提升了铜排的耐腐蚀性能，其均匀的膜层也增加了铜排搭接处接触面积，减小了接触电阻。

钝化工艺和保护剂封闭处理在铜排表面形成的双层保护膜，不影响铜排导电性能，防腐性能大幅提升；与铝排接触时体现了特有的优越性。该处理工艺环保安全，施工要求低，成本优势明显，适合批量应用。

参考文献

[1]闫乐.铜排表面镀锡层的氧化与防护探究[J].河南科技,2014，(9):67-67.

[2]张喆.镀铜层电接触润滑保护剂的研究与制备[J].价值工程，2011,30(17):29-30.

[3]张静.铜及其合金光亮防锈表面处理技术的研究[D].无锡：江南大学，机械设计及理论,2008.

[4]谭明韩.苯并三氮唑(BTA)钝化膜对铜的缓蚀作用探讨[J].科技资讯，2009，(9):10-11.

[5]淡媛丽.电接触保护剂在电器控制柜铜排表面处理中的应用[J].电镀与精饰，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

中图分类号：TG178

文献标识码：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