CN101886236B - 一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本专利涉及了一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，该方法是将W-Cu合金触头材料表面清洗处理后装在夹具上，放入真空室内，真空室的真空度P＜6×10-3Pa，然后向真空室内充入氩气作为保护气体；启动脉冲电子束设备，加载高压，对W-Cu合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理；电子束表面强化的主要参数范围：能量密度10-30J/cm2，脉冲宽度30-80μs，脉冲次数2-60次；然后打开真空室，检验W-Cu合金触头材料表面质量。本发明技术方案在W-Cu合金触头材料表面形成纳米结构层的纳米结构尺度小于100nm，深度达到10μm以上。通过电子束表面强化处理的W-Cu合金触头材料表面的显微组织大大细化，显微硬度和耐磨性大大提高。

Description

一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，该方法是使用脉冲电子束的方法在W-Cu合金触头材料表面制备纳米结构层，进而提高触头材料的表面的显微硬度和耐磨性等力学性能，属于材料表面处理和改性技术领域。
背景技术
W-Cu合金材料是由W和Cu所组成的两相均匀分布的既不固溶又不形成化合物的一类复合材料，兼有W的高熔点、高比重、抗电蚀性、抗熔焊性、高的高温强度和Cu的高导电、导热率、塑性及易加工性，而且Cu在电弧高温下蒸发时可吸收大量的电弧能量，降低电弧温度，可有效地改善使用条件和降低电蚀作用，因此被广泛地用作电触头材料、电阻焊、电火花加工和等离子电极材料、电热和高比重合金、特殊用途的军工材料(如火箭喷嘴、飞机喉衬)等。随着电力系统规模的扩大和电力市场的发展，对配电网络和配电系统的要求更高，不久的将来，配电网络不仅要保证重要用户的供电可靠性，而且应该普遍提高整个配电系统的可靠性，要求高压开关GCB和GIS具有更高的工作可靠性，特别要求GCB和GIS的WCu触头应具有更好的耐电弧命。高性能的W-Cu触头材料才能保证高可靠性的GCB和GIS。W-Cu合金是高压SF6断路器使用性能最好的触头材料。
目前国内外制造W-Cu触头材料采用的方法主要为混粉烧结法、熔渗法和热压法等。混粉烧结法制备的W-Cu合金生产工艺简单易控，但烧结温度高，时间长，烧结体的性能较差，特别是烧结致密度较低，不适于W-Cu触头的生产。热压法可获得相对密度高达99.5％以上的W-Cu合金，热压法的优点是可以制取任意铜含量的W-Cu合金材料，其缺点是设备成本较高。国内制造W-Cu触头材料，采用的方法主要有H2熔渗、真空熔渗、N2熔渗等，其实质都是熔渗法。熔渗法制备的W-Cu合金触头材料致密度高，烧结性能好，电导和热导性能也很理想，缺点是熔渗后需进行机加工以去除多余的金属铜。另外，此法难以制取铜含量较高的W-Cu触头，一般W含量大于50wt％的W-Cu触头都可以用该法生产。此外在大多数熔渗法制造的W-Cu合金触头材料中，W骨架的压坯密度主要由经验法确定，没有充分考虑到W骨架在压制脱模后的弹性后效及熔渗时的收缩率等因素，实际使用时，容易出现W-Cu合金触头材料密度偏离、化学成分超出标准范围等情况，影响W-Cu触头材料的性能。
作为触头材料的W-Cu合金材料表面的强度、显微组织的均匀性和晶粒大小等对触头材料的性能起十分重要的作用。合金表面的强度与耐电压强度等成线性关系，因此如何提高合金的表面强度，细化合金表面的显微组织，提高合金的性能，进而提高真空断路器的使用寿命是至关重要的。W-Cu合金触头材料在使用过程中发生的磨损主要集中在表面，合金的失效往往由于触头材料的表面率先失效而引起整个失效，因此需要对W-Cu合金触头材料进行表面强化处理。
电子束(Electron Beam)表面处理技术是将高能量密度的电子束轰击到金属表面，并采用高速扫描的方式，使电子束能量均匀地分布于金属表面。电子束表面处理技术在机械制造业中得到很好的应用，如在燃气轮机叶片上、模具上以及各种工具进行表面强化，达到提高其耐热、耐蚀、耐磨等性能。脉冲电子束通过将材料快速加热使材料的表面达到熔化温度后再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率抑制晶粒长大可以在材料表面获得纳米组织。近年来许多研究者正开展利用电子束表面强化技术进行高温合金和功能材料的研究。目前还没有人通过采用电子束表面强化的方法对W-Cu合金触头材料进行处理。
发明内容
本发明正是针对W-Cu合金触头材料在使用过程中表面磨损、表面容易失效的情况而设计和提供了一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，其目的是通过采用脉冲电子束设备对W-Cu合金触头材料进行表面纳米强化处理，进而提高W-Cu合金触头材料表面的显微硬度和耐磨性等力学性能。
为了实现上述目的，本专利采用以下技术方案：
1.选取合格的W、Cu材料，按照重量比例配制，采用热压法、机械合金化法、熔渗法或者混粉烧结法等制备W-Cu合金触头材料，W-Cu合金触头材料中W重量含量范围为50wt％～90wt％；
2.将W-Cu合金触头材料表面机械加工后放入到装有酒精或丙酮溶液的超声波清洗机中使用超声波清洗，清洗时间一般为8～20min，当然因W重量含量不同而选取的清洗时间有差异；然后用清水清洗干净，清洗后进行吹干、烘干或真空干燥。
3.将干燥处理后的W-Cu合金触头材料装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度P＜6×10-3Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体，如冲入氩气、氦气等作为惰性保护气体。
4.启动脉冲电子束设备，加载高压，对W-Cu合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数范围：能量密度10-30J/cm2，脉冲宽度30-80μs，脉冲次数2-60次。
5.检验W-Cu合金触头材料的表面。通过脉冲电子束表面处理后的W-Cu合金触头材料表面形成纳米结构层的纳米结构尺度小于100nm，深度达到10μm以上。
具体实施方式：
一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)选取合格的W、Cu材料，采用热压法、机械合金化法、熔渗法或者混粉烧结法制备W-Cu合金，W-Cu合金触头材料中的W重量含量范围为50wt％～90wt％；
(2)将W-Cu合金触头材料表面机械加工后放入到装有酒精或丙酮溶液的超声波清洗机中使用超声波清洗，清洗时间一般为8～20min；然后用清水清洗干净，清洗后进行吹干、烘干或真空干燥；
(3)将干燥处理后的W-Cu合金触头材料装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度P＜6×10-3Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；
(4)启动脉冲电子束设备，加载高压，对W-Cu合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数范围：能量密度10-30J/cm2，脉冲宽度30-80μs，脉冲次数2-60次；本发明的能量密度可以为15J/cm2、18J/cm2、20J/cm2、25J/cm2、28J/cm2；脉冲宽度可以为35μs、40μs、45μs、50μs、55μs、60μs、65μs、70μs、75μs；脉冲次数可以为5次、8次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次、55次等，均能实现本发明目的。
(5)通过脉冲电子束表面处理后的W-Cu合金触头材料表面形成纳米结构层的纳米结构尺度小于100nm，深度达到10μm以上。
进一步的特征是：所述的惰性保护气体为氩气。
本发明的真空感应熔炼法、熔渗法或者混粉烧结法制备铜铬合金，该三种方法都是现有的制备方法，不作详述。另外，超声波清洗机、脉冲电子束设备等都是现有的装置，只是针对不同的材料选取不同的加工工艺参数，达到相关技术要求即可，不作详述。
实施例1：
取热压法制备的直径为30mm的WCu50合金试样，表面机械加工后抛光，将抛光后的WCu50合金触头材料放入到装有酒精的超声波清洗机中使用超声波清洗10min，然后用清水清洗干净，清洗后采用电吹风进行吹干。将干燥的WCu50合金触头材料装在专用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度为5.0×10-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.9％的氩气直到3.0×104Pa。启动脉冲电子束设备，加载高压，对WCu50合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度15J/cm2，脉冲宽度40μs，脉冲次数10次。
实施例2：
取熔渗法制备的直径为20mm的WCu30合金试样，表面机械加工后抛光，将抛光后的WCu30合金触头材料放入到装有丙酮的超声波清洗机中使用超声波清洗15min，然后用清水清洗干净，清洗后进行真空干燥。将干燥的WCu30合金触头材料装在专用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度为4.0×10-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.9％的高纯氩气直到4.0×104Pa。启动脉冲电子束设备，加载高压，对WCu30合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度25J/cm2，脉冲宽度60μs，脉冲次数30次。
实施例3：
取混粉烧结法制备的直径为25mm的WCu20合金试样，表面机械加工后抛光，将抛光后的WCu40合金触头材料放入到装有丙酮的超声波清洗机中使用超声波清洗12min，然后用清水清洗干净，清洗后进行真空干燥。将干燥的WCu20合金触头材料装在专用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度为5.2×10-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.9％的氩气直到2.0×104Pa。启动脉冲电子束设备，加载高压，对WCu20合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度30J/cm2，脉冲宽度60μs，脉冲次数40次。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）选取合格的W、Cu材料，采用热压法、机械合金化法、熔渗法或者混粉烧结法制备W-Cu合金， W-Cu合金触头材料中的W重量含量为50 wt％；
 （2）将W-Cu合金触头材料表面机械加工后放入到装有酒精或丙酮溶液的超声波清洗机中使用超声波清洗，清洗时间为8～20min；然后用清水清洗干净，清洗后进行吹干、烘干或真空干燥；
    （3）将干燥处理后的W-Cu合金触头材料装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空，直到真空室的真空度P<6×10-3Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；
    （4）启动脉冲电子束设备，加载高压，对W-Cu合金触头材料的表面进行电子束冲击强化处理；脉冲电子束表面强化处理的主要参数范围：能量密度10-30J/cm2，脉冲宽度30-80μs, 脉冲次数10-60次；
（5）通过脉冲电子束表面处理后的W-Cu合金触头材料表面形成纳米结构层的纳米结构尺度小于100nm，深度达到10μm以上。
2.根据权利要求1所述W-Cu合金触头材料表面纳米结构的制备方法，其特征在于：所述的惰性保护气体为氩气。
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