隔离开关的镀银新工艺，提升1倍生产效率，降低40%成本

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第九届电工技术前沿问题学术论坛征文通知

西安西电开关电气有限公司、西安西电高压开关有限责任公司的研究人员徐曦、陈阳、邓乐萍，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“薄层镀硬银工艺在气体绝缘金属封闭开关设备上的应用性研究”），在高压电气产品隔离开关摩擦接触零件的功能镀银中，研究了一种通过降低银层厚度达到提高生产效率、降低成本的工艺技术。

本文采用加入添加剂的方法提高银层硬度，并通过研究薄层镀硬银工艺，分析比较薄层镀硬银层与普通镀银层的高温摩擦系数、磨痕深度，并将薄层镀硬银后的零件与普通镀银后的零件进行中试试验，观察了试验后零件外观与试验前后回路电阻的变化。

结果表明，薄层镀硬银层比普通镀银层具有更高的耐磨性能，中试试验后零件外观无明显磨损，试验后回路电阻并无明显增大。因此，采用薄层镀硬银工艺提高了镀银层的耐磨性，在不影响产品性能的前提下，可适度降低镀银层厚度，生产效率提升约一倍，成本降低约40%。

在高压电气领域，主回路电接触面均要求镀银。《电网金属技术监督规程》规范要求室内导电回路动接触部位镀银层厚度不宜小于8m，我司气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）上零部件摩擦接触面镀银层厚度多为50m或更高（含0～+20公差）。随着成本意识的加强和生产效率的提升，计划在摩擦接触面开展薄层镀硬银工艺，研究将摩擦接触面50m的镀银层厚度降至20m，产品能否达到功能要求。

根据行业发展，本文对行业中提出的镀硬银工艺进行了研究试验，研究在隔离开关摩擦接触零件的功能性镀银中，将普通镀银（HV0.0570）的硬度提升至HV0.05120后，是否能够达到降低厚度的目的。镀硬银工艺主要通过向镀槽注入添加剂的方式实现。此外，本文经过试验确认，将镀银层硬度提高及厚度降低后，产品达到功能要求。

1  镀银溶液的配置及工艺流程

光亮镀硬银工艺研究的核心在于在保证银层良好导电性的前提下提高银层硬度，同时使银层表面结晶更致密光亮。方案中须保证溶液具有良好的导电性，因此钾盐型镀液须作为首选，并通过添加剂以求达到银层硬度大于120的要求（HV0.05≥120）。文献表明，将锑盐作为薄层镀硬银工艺的添加剂。

1.1  镀银溶液的配置

表1  镀硬银溶液的组成

1.2  镀银工艺流程

镀银工艺流程为：前处理（酸洗）—热水洗—流动冷水洗—盐酸活化—流动冷水洗—硝酸侵蚀—流动冷水洗—中和—流动冷水洗—紫铜镀光亮硬银—流动冷水洗—热水洗—晾干—下件。

2  镀银层性能及在隔离开关上的应用

2.1  试验零件准备

选取隔离开关3相动触头进行试验，采用薄层镀硬银工艺，拟将镀银层硬度提升到HV0.05 120以上，镀银层厚度分别降低至10m、20m、30m。镀后将零件装入隔离开关样机进行机械寿命试验，与另一台镀银厚度为50m普通镀银触头样机做机械寿命对比试验。

在触头镀银时，同槽镀与触头镀银层厚度相同的紫铜块3块。即1号触头及第1组样块进行镀硬银10m处理，2号触头及第2组样块进行镀硬银20m处理，3号触头及第3组样块进行镀硬银30m处理。

2.2  硬度测量

触头及样块电镀完成后，对样块镀银层进行了表面显微硬度检测，每组3个样块显微硬度基本一致。将镀银层厚度与硬度取平均值，电镀样块镀银层厚度及硬度见表2。

表2  触头镀硬银后的厚度及硬度

从样块情况可知：

• 1）采用镀硬银工艺的镀层，硬度大幅度提高。

• 2）随着镀层厚度的增加，硬度也在提高。

• 3）10m厚度的镀硬银工艺也能达到本次试验硬度高于120的目标。

2.3  耐磨性对比

第2组样块及第3组样块的平均硬度均高于第1组样块，说明相对第2组样块及第3组样块，第1组样块的耐磨性更差。因此选用第1组样块进行高温摩擦磨损试验，并与普通镀银样块的高温摩擦磨损试验结果进行比较，得到试验结果如下。试验参考标准GB 12444.1—90。

图1、图2分别为普通镀银样块及镀硬银样块摩擦系数。从图1可以看出，普通镀银样块在短时间内摩擦系数立刻增大，且随着时间变化摩擦系数不稳定，说明表面更易受到破坏变形。从图2可以看出，镀硬银样块在一定的时间内能维持稳定较小的摩擦系数。结果说明镀硬银样块具有更好的耐磨性，表面不易受到破坏。

图1  普通镀银样块摩擦系数

图3、图4分别为普通镀银和镀硬银的磨痕图。从图3、图4可以看出，相同摩擦下，镀硬银磨痕深度为15.24m，普通镀银磨痕深度为41.57m，镀硬银的磨痕远小于普通镀银磨痕，表明在镀硬银工艺下银层硬度为车间常规工艺镀银层硬度的一倍左右，达到并超越了试验预期，完成了所有的技术准备工作，之后进行并通过了型式试验。

图2  镀硬银样块摩擦系数

图3  普通镀银磨痕图

图4  镀硬银磨痕图

2.4  样机机械寿命试验

根据GB 3309—89，将触头装入试验样机进行机械寿命试验，试验结果如图5所示，触头试验后外观情况良好，没有出现磨透漏铜等现象。两台样机触头对比，右侧无编号触头统一为普通镀银50m，左侧1、2、3号触头分别对应硬银10m、20m、30m，两触头寿命试验后均保持了良好的镀银面外观。

图5  镀硬银触头（左）与普通镀银触头（右）进行寿命试验后的形貌

2.5  回路电阻测量

根据GB/T 11022—1999进行回路电阻测量，经过机械寿命试验后，回路电阻值的变化也稳定在合理范围内，没有出现电阻过大的情况，回路电阻试验合格。

表3  经过寿命试验后触头电阻变化

3  结果与讨论

本文经过试验，确定了镀硬银工艺对于高压电气隔离开关的适用性和有效性，并通过机械寿命试验和回路电阻测量，证明了本文所用镀硬银工艺能够满足产品运行的机械和电性能要求，若对工艺进行推广，则可达到提高生产效率，降低产品成本的预期目标。

按126kV GIS1000U/年、252/363kV GIS500U/年计算，全年摩擦接触面镀银面积约120000dm2。按实际镀银平均厚度50～80m降低至20～30m进行计算，实际降低镀层厚度约40m，每年将减少银板消耗约40m×120000dm2×0.1g/(dm2·m)=480kg，折合约200万元。按以上面积计算添加剂使用量约20万元，累计可节约成本180万元，综合节约成本40%。

原有普通镀银工艺时间需要近4h，且均匀度低，易造成返工。若将镀银层厚度降低至20m，工艺时间仅需要2h，为镀银工艺提升生产效率一倍左右，能有效减少由于原工艺镀银层不均匀而造成的零件返工，降低成本。

4  结论

• 1）镀硬银工艺提高了银层显微硬度，同时提高了银层的耐磨性能。

• 2）提高高压电气隔离开关动触头的银层硬度后，尝试减薄银层厚度并进行了回路电阻试验与机械寿命试验，结果显示减薄后的银层满足隔离开关性能要求，且生产效率提升约一倍，成本降低约40%。

• 3）在GIS其他摩擦接触零部件的镀银中，可根据各自产品的参数，进行验证试验，确认在保证机械寿命试验通过的前提下，降低镀层厚度。