CN102108478B - 一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，是将该材料的合金铸锭先反复道次加工，其间采用真空退火去应力，温度为680±10℃，保温4小时；再进行成品前的最后一次道次加工，退火工艺采用管状炉中用水封或氢气保护下连续退火，退火温度750±10℃，加工为成品丝材。再进一步用专用矫直设备矫直：先将前制得的金基电接触材料丝材接入该专用矫直设备中，启动设备，细丝由定位准轴进入旋转矫直面板，调整矫直机电压大小与脉冲的频率，使面板工作转速在50～500±5转/min，保持细丝相对的角度α在35～105°，丝材通过矫直工件后，在牵引导轮的带动下，进入切断装置前行至触碰挡板时形成回路，切断装置的切刀动作，将其切割成符合长度要求的金基丝材段。

Description

一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法及其设备。

背景技术

航空航天器在大气层及太空中飞行，对其电接触元件，有其全寿命，高可靠性的要求。航空航天器的电接触元件是在相对运动下传导电流的，因此对潮湿大气、烟雾、煤油、汽油雾气、火箭燃料气体和各种硫化、有机等工业废气，均须有良好的抗腐蚀性能，要求在-60～150℃范围内不氧化。这样，电接触元件工作时，表面接触电阻才不发生显著变化，才能保证航空航天器控制系统工作的可靠性和准确度。对受电火花作用的电接触元件，还须具有良好的抗电侵蚀性能。贵金属较之一般有色金属有更优良的化学稳定性和抗电侵蚀性，在航空航天器设计生产中主要用来制做控制系统及微电机中的电接触元件，如电位计绕组、导电环、电刷、接触点、换向器等。因此贵金属成为航空航天器控制系统中最常用的电接触材料。

航空航天器控制系统中的导电刷的要求是：耐磨损、有一定的柔性，韧度适中、表面光洁度10等。因此，为了满足上述要求，在设计制造中，广泛采用AuNix、PtNi5、PtIr18、AuAgCu20-3 0、AuCr4、PtIr17.5、AuCu22-2.5-1等贵金属合金材料。

就断开接点而言，对于电压、电流不大，断开率很低的继电器接点或其它电器上的接点，宜采用纯银等；对于电压不大，电流很大(45～500A)，断开频率很低的接触器接点，宜采用Ag-CdO或Ag-CuO等；对于电压、电流不大，断开频率较高(50次/s)，接触压力较大的继电器接点，宜采用AuNix或AuAgCu35-5等；

精密导电滑环属于高科技产品，一直以来被应用于尖端军事领域。随着我国经济的不断发展，民用领域也越来越多的涉足使用此类产品，用于工业自动系统控制中。在国外先进发达国家，该类产品已逐渐由军用产品转化为民用产品，近几年已实现了标准化、批量化生产。就导电环及电位计电刷而言，其接触压力小，有电火花现象，宜采用AuNi9、AuAgCu20-30等贵金属合金材料。

由上述可知金镍合金丝在航空及民用高科技产品中的重要地位，但是其热处理及加工、矫直过程中仍然存在较多的技术难题，诸如：

(一)金基添加镍的二元合金，在850℃以上为连续固溶体，低温下分解为富金和富镍的两相固溶体，加工道次间的退火工艺如处理不得当，合金中析出脆性相致使加工性能急剧恶化。

(二)AuNix合金在退火时有氧化的倾向，并且氧化产物极难去除，必须用强酸高温煮沸去除氧化膜，这样会造成金元素的损失。同时氧化物在拉拔、矫直的过程中有可能被裹入合金体中，造成夹杂或缺陷，从而改变其电学特性，严重的可造成器件的损害。

(三)AuNix细丝的矫直工艺的研究。传统的辊轮式矫直器有如下缺点：体积大，结构复杂，调整难度大，对细丝绳的矫直效果欠佳。现行的矫直器结构复杂、价格昂贵，并且其维护成本高。

要想进一步拓展金镍合金在航天器及相关民品的应用范围，必须解决上述问题，同时制定切实可行的热处理及加工方案。目前，由于细丝的矫直不属于金属材料加工的常规范畴，生产厂家多进行板材或线材的矫直，对于直径小于0.5的丝材多以上轴成卷的形式供应，这样矫直后丝材能否满足客户得不到保障。同时客户要购买专门设备进行矫直及切割处理，对加工过程中存在的问题得不到及时的解决。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有技术上存在的问题设计开发的一种金基电接触材料的热处理及矫直方法，其利用独特的退火工艺，使合金的抗拉强度、硬度、电导率符合电接触材料的使用要求，并且表面光滑、无氧化。

本发明的另一目的通过设计一台简单、实用、易调控的矫直设备，将其利用在本发明的方法中可制备出翘距满足使用要求的AuNix合金丝，同时保证AuNix合金丝具有较好的综合力学性能。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其中，该航天器用金基电接触材料的化学成分及其质量百分比是：89.5-92.5％Au，7.5-10.5％Ni；该热处理及矫直方法步骤如下：

1)首先将按前述配比范围计算、称重备高纯金、镍材料并按常规方法熔化，浇铸为合金铸锭，待铸锭温度低于200℃后出炉；

2)将符合标准的合金铸锭进一步加工为丝材，反复进行道次加工，其间对合金铸锭的退火工艺采用真空退火去应力，温度为680±10℃，保温4小时，直至得到的丝材可以准备进入成品丝材前的最后一次道次加工；

3)进行成品丝材前的最后一次道次加工，退火工艺采用管状炉中用水封或氢气保护下连续退火，退火温度750±10℃，加工为成品丝材。

所述步骤2和步骤3中的道次加工率控制在10～20％，两次退火间的总加工率不超过80％。

所述的航天器用金基电接触材料中杂质不大于0.02％。

将其加工的金基电接触材料丝材进一步矫直：

1)首先选取专用矫直设备，该专用矫直设备由前至后依次由放丝单元、定位单元、旋转矫直装置、牵引导轮装置、切断装置和挡板组合构成，其中旋转矫直装置和牵引导轮装置分别由电机驱动，调节挡板与切断装置的切刀之间的距离，使之符合切割的金基丝材长度要求；

2)将前制得的金基电接触材料丝材缠绕在放丝机上，并初始放丝穿线，经定位单元、旋转矫直装置和牵引导轮直至拉入切断装置中；

3)启动设备，金基电接触材料细丝由定位准轴进入旋转矫直面板，调整矫直机电压大小与脉冲的频率，使面板工作的转速在50～500±5转/min，保持细丝相对的角度α在35～105°，丝材通过矫直工件后，在牵引导轮的带动下，进入切断装置中并延伸行进，当丝材触碰挡板时形成回路，切断装置的切刀动作，将其切割成符合长度要求的金基丝材段。

一种用于航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法的设备，包括有放丝单元、定位单元、矫直装置和牵引装置，矫直装置的后端设置牵引装置，放丝单元放出的丝材经牵引装置的导引经由定位单元输出进入矫直装置；所述的矫直装置由旋转矫直面板及位于其上的一组中部带有定位孔的定位柱构成，该组定位柱沿中心轴左右交叉设置，使得经由各定位孔穿过的丝材呈曲线路径；

其还包括：一切断装置，设置在牵引装置的后方；

一金属材质的挡板，设置在距切断装置后方定距离处；

所述的矫直装置的翻转和牵引装置的前牵分别由电机驱动，所述金属材质的挡板被设计为控制回路的触合点，当丝材碰触挡板后，形成回路，控制电路输出控制信号启动切断装置完成切断动作。

所述的各定位柱间隔距离为1-2mm为佳。

矫直机对细丝进行矫直时，AuNi9丝材由进丝口入，通过定位准轴进入旋转矫直面板，调整矫直机电压大小与脉冲的频率，使面板工作的转速在350±5转/min，同时根据丝材的状态，改变细丝相对的角度α，保持90-105°之间，超过此范围容易断丝或矫直效果欠佳。丝材通过矫直工件后，在牵引导轮的带动下，进入选取丝材长度阶段。可根据具体需要，调节挡板与切刀之间的距离，当丝材触碰挡板时形成回路，切割成符合要求的金基丝材。

本发明为改善目前金基电接触材料的现状，做了积极的探索工作，并取得了较理想的效果。其制备的金镍合金丝材主要应用于精密导电滑环、继电器接点、电位计电刷等。

本发明的优点是：

1、本发明热处理方法对金基电接触材料具有普遍适用性，避免该系列材料由于工艺不当造成合金加工性能恶化的情况发生。同时解决了合金在退火过程中易氧化的问题，降低了原料的损耗率。

2、本发明金基电接触材料丝材矫直后的尺寸为φ(0.3-0.6)mm，改变了只能用结构复杂、价格昂贵、维护检修困难的进口矫直机的现状，研制出控制参数少、操控简单、矫直效果好的设备，提高了其生产率，同时该方法同样适用于包括银基丝材、铜基丝材在内的多种合金，具有普遍的推广意义。

附图说明

图1为实现本发明方法所用的矫直设备构成原理示意图

具体实施方式

如图1所示，是实现本发明方法所用的矫直设备构成原理示意图，包括有放丝单元(包括放线机1、进丝单元2)、定位单元3、矫直装置4和牵引装置5，矫直装置4的后端设置牵引装置5，放丝单元放出的丝材经牵引装置5的导引经由定位单元3输出进入矫直装置4。

所述的矫直装置4由旋转矫直面板41及位于其上的一组定位柱42构成，各定位柱的间隔距离1-2mm为宜，其上有定位孔(为通孔)，该组定位柱沿中心轴左右交叉设置，使得经由各定位孔穿过的丝材呈曲线路径6，两段细丝相对夹角为α(如图中所示，丝材通过定位孔后入段与出段丝材所形成的夹角为α)，α的取值范围为35～105°，一般在矫直装置翻转速度为50～500转/min间，α的取值范围可以是35°；40°；45°；50°；55°；60°；65°；70°；75°；80°；85°；90°；95°；100°；105°。

所述的矫直装置4的翻转和牵引装置5的前牵分别由电机9、10驱动，矫直装置的旋转矫直面板翻转的速度越快，α的角度应越大；反之，矫直装置4的旋转矫直面板翻转的速度越慢，α的角度应越小，如果比值取值不妥，易造成断丝。

本发明方法所用的矫直设备还包括有一切断装置7，其设置在牵引装置5的后方；在切断装置7后设置一金属材质的挡板8，两者之间的距离为可调。具体实施时，根据对切割的丝材的长度要求来调整切断装置7与金属材质挡板8间的距离L，使之符合其要求长度。

所述的金属材质的挡板在本装置中被设计成为电流回路中的一个触发结合点，当丝材碰触挡板后，形成回路，控制电路输出控制信号启动切断装置7完成切断动作。

本发明航天器用金基电接触材料的热处理的方法具体的方法步骤如下：

1)首先按前述航天器用金基电接触材料的化学成分及其质量百分比是：89.5-92.5％Au，7.5-10.5％Ni  的配比范围计算、称重备高纯金中，该该热处理及矫直、镍材料，并按常规方法熔化、浇铸为合金铸锭，待铸锭温度低于200℃后出炉；

2)将符合使用标准的合金铸锭再进一步反复进行道次加工，加工成越来越细的丝材，其间退火工艺采用真空退火去应力，温度为680±10℃，保温4小时，直至得到的丝材尺寸已达可以准备进入成品丝材前的最后一次道次加工；

3)进行成品丝材前的最后一次道次加工，退火工艺采用管状炉中用水封或氢气保护下连续退火，退火温度750±10℃，加工为成品丝材。

上述步骤中，最后一次的道次加工退火温度更高，这样处理，可以保证合金中Au、Ni两相不偏聚，使矫直后丝材的力学性能达到使用要求。

把由铸锭到丝材前的最后一道加工中的退火工艺分为两个阶段，即开始阶段的循环进行道次加工采用步骤2，其为第一阶段，成品前最后一次道次加工间的退火工艺采用步骤3，其为第二阶段；步骤3中退火温度高是为了增加合金的强度，达到应用的要求，而步骤2中的退火温度偏低是出于加工考虑，温度低、强度低便于加工，这正是本发明热处理方法的独特设计之处。

本发明航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法中的合金铸锭一般的尺寸规格为φ12×250mm、φ14×250mm、φ16×250mm和φ18×250mm最大尺寸受后期镟锻设备的限制，本申请的方法中一般浇铸为φ16×250mm的合金铸锭。

本发明航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法中对丝材进一步加工的掌握原则是：道次加工率控制在10～20％，两次退火间的总加工率不超过80％，直至成品。

随总加工量的增加，道次加工率相应应增大。

经本发明的方法制备的AuNix合金丝，其翘距满足使用要求，且同时能保证AuNix合金丝达到或超过国家制定的综合力学性能标准，但矫直的方法更加简化可靠，设备投资降幅巨大，且易操作。

下面结合几个具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

采用下述的制备方法制备金基电接触材料，其组分及质量百分比分别为：Au：91％；Ni：9％。严格控制其杂质量小于0.02％，精炼为金镍合金，方法步骤如下：

制备方法如下：

a)按不超配比范围：89.5-92.5％Au，7.5-10.5％Ni，杂质不大于0.02％计算、称重备高纯金、镍材料；

b)将金、镍放入不同的氧化铝坩埚，然后将坩埚放入真空中频感应炉内；

c)抽真空4～6Pa；升温，控制升温速度8～12℃/分钟；

d)控制真空中频感应炉内温度，使合金熔化；

e)保温20±5min，向炉内通氩气，静置一分钟，浇铸合金，冷却30min后出炉使其更加均匀

上述方法对改善镍偏析有一定的意义，且铸锭的晶粒细小、均匀，加工性能好，可为后续的拉丝及矫直顺利进行奠定基础。

实施例2：

采用实施例1所述的方法制备金基电接触材料，其组分及质量百分比为：Au：92％，Ni：8％(简称Au92Ni8)。

实施例3：

将实施例1得到的各项技术指标均符合标准尺寸φ16×250mm的合金铸锭进行拉拔加工，其中间退火工艺采用真空退火工艺，温度为680±10℃，保温4小时。成品前采用管状炉中用水封或氢气保护下连续退火，退火温度750±10℃，保温时间2小时，丝材行进的线速度控制在300mm/min上下。将退火后的合金丝用酸性清洗液通过浸泡法、搅拌法进行清洗，去除加工过程中造成的污染，使钎焊材料表面清洁、光亮，未见氧化现象，同时各项力学性能均符合指标。拉至φ0.3的丝材。上述制得的丝材抗拉强度为920MPa、显微维氏硬度为271。

实施例4：

利用实施例3所制备的Au92Ni8合金制备成丝材后，进行矫直处理，方法如下：

将实施例3得到的各项技术指标均符合标准的Au92Ni8合金制备成丝材上轴，调整矫直机电压大小与脉冲的频率，使面板工作的转速在45转/min，同时根据丝材的状态，改变细丝相对的角度，保持50°左右，将切刀与触电屏的距离调整为30mm，出成品丝尺寸φ3.5×30mm，应用到高精密导电滑环上，运行正常，符合标准。

Claims (6)

1.一种航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其中，该航天器用金基电接触材料的化学成分及其质量百分比是:89.5―92.5%Au,7.5―10.5%Ni；其特征在于热处理方法步骤如下:

1）首先将按前述配比范围计算、称重备高纯金、镍材料并按常规方法熔化，浇铸为合金铸锭，待铸锭温度低于200℃后出炉；

2）将符合标准的合金铸锭进一步加工为丝材，反复进行道次加工，其间对合金铸锭的退火工艺采用真空退火去应力，温度为680±10℃，保温4小时，直至得到的丝材可以准备进入成品丝材前的最后一次道次加工；

3）进行成品丝材前的最后一次道次加工，退火工艺采用管状炉中用水封或氢气保护下连续退火，退火温度750±10℃，加工为成品丝材；

将加工的金基电接触材料丝材进一步矫直：

1）首先选取专用矫直设备，该专用矫直设备由前至后依次由放丝单元、定位单元、旋转矫直装置、牵引导轮装置、切断装置和挡板组合构成，其中旋转矫直装置和牵引导轮装置分别由电机驱动，调节挡板与切断装置的切刀之间的距离，使之符合切割的金基丝材长度要求；

2）将缠绕有金基电接触材料的丝材的放丝机上轴，并初始放丝穿线，经定位单元、旋转矫直装置和牵引导轮直至拉入切断装置中；

3）启动设备，金基电接触材料细丝由定位准轴进入旋转矫直面板，调整矫直机电压大小与脉冲的频率，使面板工作的转速在50～500转/min，保持细丝相对的角度α在35～105°之间，丝材通过矫直工件后，在牵引导轮的带动下，进入切断装置中并延伸行进，当丝材触碰挡板时形成回路，将其切割成符合长度要求的金基丝材段。

2.根据权利要求1所述的航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其特征在于：所述的道次加工率控制在10～20%，两次退火间的总加工率不超过80%。

3.根据权利要求1所述的航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其特征在于：随总加工量的增加，道次加工率相应增大。

4.根据权利要求1所述的航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其特征在于:旋转矫直面板翻转的速度越快，α的角度越大；反之，旋转矫直面板翻转的速度越慢，α的角度越小。

5.根据权利要求1所述的航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法，其特征在于:所述航天器用金基电接触材料的化学成分及其质量百分比是:90%±0.5%Au,10%±0.5%Ni。

6.一种用于航天器用金基电接触材料的热处理及矫直方法的设备，包括有放丝单元、定位单元、矫直装置和牵引装置，矫直装置的后端设置牵引装置，放丝单元放出的丝材经牵引装置的导引经由定位单元输出进入矫直装置；其特征在于：所述的矫直装置由旋转矫直面板及位于其上的一组中部带有定位孔的定位柱构成，该组定位柱沿中心轴左右交叉设置，使得经由各定位孔穿过的丝材呈曲线路径；

其还包括：

一切断装置，设置在牵引装置的后方；

一金属材质的挡板，设置在距切断装置后方定距离处；

所述的矫直装置的翻转和牵引装置的前牵分别由电机驱动，所述金属材质的挡板被设计为控制回路的触合点，当丝材碰触挡板后，形成回路，控制电路输出控制信号启动切断装置完成切断动作。

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