CN102677069A - 一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力工业电接触材料技术领域，具体公开了一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法。首先对QCr0.5铜合金棒进行预处理，然后在QCr0.5铜合金棒表面喷涂由TiC、La2O3、W和Cu组成的热喷涂粉末，在QCr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层；将预置有热喷涂预置层的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，依次从QCr0.5铜合金棒的一端移动至另一端，之后冷却；再经固溶和时效处理，制得高性能铜合金复合整体触头材料。本发明提供的高性能铜合金复合整体触头材料具有高的高温强度、高的抗电弧烧损等优异特性，适用于制造高压开关和高压断路器触头零部件。

Description

一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力工业电接触材料技术领域，具体涉及一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法。
背景技术
电触头是公认的断路器高压真空开关的关键部件，触头材料在很大程度上决定了断路器的发展。目前性能最好且普遍使用的真空高压断路器用触头为CuW、CuCr电触头材料，其触头结构正在由触指-弹簧结构向自力式整体触头改进，自力式CuW/CuCr整体触头已经占居主导地位，自力式动、静弧触头通常采用耐电蚀的铜钨合金与高导电率、高弹性铬青铜材料连接而成。
目前国内外制备CuW合金材料均采用粉末冶金法，即混粉烧结法和熔渗法二种，这两种制备方法均存在一定的局限性，混粉烧结法的缺点是烧结温度高，烧结时间长，致使烧结费用较高，且烧结体的性能较差，特别是烧结致密度较低，一般只为理论密度的90％～95％；熔渗法的缺点是熔渗后需去除多余的金属铜，增加了加工费用，降低了成品率。常用的CuW/CuCr整体材料制备工艺有焊接法(钎焊、电子束焊、热等静压扩散焊)和整体烧结熔渗法(传统的连续式炉卧式烧结熔渗、立式整体烧结熔渗法)，这些方法各有优缺点，其中立式整体烧结熔渗法能够获得各种形式的结合面及结合性能良好，是目前制备CuW/CuCr整体材料最新的也是最主要的方法，但也存在操作较复杂，成本较高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能铜合金复合整体触头材料。
本发明的目的还在于提供一种高性能铜合金复合整体触头材料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种高性能铜合金复合整体触头材料，通过包括以下步骤的制备方法制得：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：取直径12～30mm的QCr0.5铜合金棒，对所述QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂处理和表面喷砂处理；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，按照TiC粉末含量为1.00～2.00wt％、La2O3粉末含量为0.20～1.00wt％、W粉末含量为50.00～90.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂所述热喷涂粉末，在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层，所述热喷涂预置层的厚度为1.5～5.0mm；
(3)低真空高频感应熔焊
将经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率为0.1～10mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的一端移动至经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的另一端，之后冷却，取出；
(4)固溶和时效处理
所述QCr0.5铜合金棒经步骤(3)处理后，再进行固溶和时效处理，固溶处理温度为980～1000℃，保温10～30分钟，水冷；时效处理的温度为425～500℃，保温2～4小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
优选的，所述QCr0.5铜合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y。
所述金属清洗剂为通用工业金属清洗剂。
优选的，所述表面喷砂处理采用自循环喷砂机进行，采用棕刚玉砂，粒度为-20～+40目，喷砂距离300mm，喷砂角度70～80°。
优选的，所述Cu粉末的粒度为200～400目。
所述TiC粉末的粒度为2～15μm。
所述La2O3粉末的粒度为2～15μm。
所述W粉末的粒度为2～15μm。
针对目前CuW/CuCr整体触头材料制备工艺存在的局限性，本发明提供了一种高性能铜合金复合整体触头材料的制备方法，通过在QCr0.5铜合金棒表面直接热喷涂预置Cu+W+TiC+La2O3层，然后经低真空高频感应熔焊、固溶和时效处理制备出铜合金复合整体触头材料。热喷涂预置层中主要成分为Cu和W，经低真空高频感应熔焊形成CuW合金，其中添加的La2O3和TiC粒子弥散分布于CuW合金基体中，且电子逸出功比W低，因此，既起弥散强化作用，又使电弧得到有效分散，从而提高了触头材料的耐电弧烧蚀性能、电弧稳定性和强度等，使制得的高性能铜合金复合整体触头材料能够满足高压开关与断路器用自力型整体触头的要求。
本发明提供的高性能铜合金复合整体触头材料的制备方法工艺简单，易于控制、成本低、效率高。制得的高性能铜合金复合整体触头材料改善了触头的性能，制备的整体触头材料具有高的高温强度、高的抗电弧烧损等优异特性，适用于制造高压开关和高压断路器触头零部件。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的高性能铜合金复合整体触头材料，通过包括以下步骤的制备方法制得：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：将直径14mm的QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂和表面喷砂处理，其中QCr0.5铜合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y，使用的金属清洗剂采用通用工业金属清洗剂，目的是除去QCr0.5铜合金棒表面粘附的油污，表面喷砂处理采用自循环喷砂机进行，采用棕刚玉砂，粒度-20～+40目，喷砂距离300mm，喷砂角度70～80°；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，Cu粉末的粒度为200～400目，TiC粉末、La2O3粉末和W粉末的粒度为2～5μm；按照TiC粉末含量为2.00wt％、La2O3粉末含量为0.50wt％、W粉末含量为58.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，然后采用V型混粉机充分混合3小时，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
采用JP-5000超音速火焰喷涂设备对预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂热喷涂粉末，制备热喷涂预置层，预置层厚度为3.5mm；其喷涂工艺参数为：氧气流速800升/分钟、煤油流速0.30升/分钟，喷涂距离300mm，热喷涂供粉速度60克/分钟；
(3)低真空高频感应熔焊
将预置有热喷涂预置层的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面局部依次重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率2mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从QCr0.5铜合金棒的一端匀速移动至另一端，之后冷却5分钟，取出；
(4)固溶和时效处理
对步骤(3)处理后的QCr0.5铜合金棒进行固溶和时效处理，以提高QCr0.5铜合金棒心部力学性能和导电率，固溶处理温度980℃，保温30分钟，水冷；时效处理温度425℃，保温2小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
制得的高性能铜合金复合整体触头材料可根据零件形状进行车削、弯曲等机械加工和修整，制得所需零件。
对本实施例制得的高性能铜合金复合整体触头材料进行结合强度测试，测试结果为335MPa，高于目前高压开关厂所采用的256MPa的标准，能够满足高压开关与断路器用自力型整体触头的要求。
实施例2
本实施例提供的高性能铜合金复合整体触头材料，通过包括以下步骤的制备方法制得：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：将直径14mm的QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂和表面喷砂处理，其中QCr0.5铜合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y，使用的金属清洗剂采用通用工业金属清洗剂，目的是除去QCr0.5铜合金棒表面粘附的油污，表面喷砂处理采用自循环喷砂机进行，采用棕刚玉砂，粒度-20～+40目，喷砂距离300mm，喷砂角度70～80°；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，Cu粉末的粒度为300～400目，TiC粉末、La2O3粉末和W粉末的粒度为2～5μm；按照TiC粉末含量为1.50wt％、La2O3粉末含量为0.20wt％、W粉末含量为50.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，然后采用V型混粉机充分混合3小时，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
采用JP-5000超音速火焰喷涂设备对预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂热喷涂粉末，制备热喷涂预置层，预置层厚度为5.0mm；其喷涂工艺参数为：氧气流速900升/分钟、煤油流速0.40升/分钟，喷涂距离250mm，热喷涂供粉速度80克/分钟；
(3)低真空高频感应熔焊
将预置有热喷涂预置层的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面局部依次重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率0.1mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从QCr0.5铜合金棒的一端匀速移动至另一端，之后冷却5分钟，取出；
(4)固溶和时效处理
对步骤(3)处理后的QCr0.5铜合金棒进行固溶和时效处理，以提高QCr0.5铜合金棒心部力学性能和导电率，固溶处理温度1000℃保温10分钟，水冷；时效处理温度500℃，保温4小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
制得的高性能铜合金复合整体触头材料可根据零件形状进行车削、弯曲等机械加工和修整，制得所需零件。
对本实施例制得的高性能铜合金复合整体触头材料进行结合强度测试，测试结果为330MPa。
实施例3
本实施例提供的高性能铜合金复合整体触头材料，通过包括以下步骤的制备方法制得：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：将直径16mm的QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂和表面喷砂处理，其中QCr0.5铜合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y，使用的金属清洗剂采用通用工业金属清洗剂，目的是除去QCr0.5铜合金棒表面粘附的油污，表面喷砂处理采用自循环喷砂机进行，采用棕刚玉砂，粒度-20～+40目，喷砂距离300mm，喷砂角度70～80°；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，Cu粉末的粒度为300～400目，TiC粉末、La2O3粉末和W粉末的粒度为10～15μm；按照TiC粉末含量为1.00wt％、La2O3粉末含量为1.00wt％、W粉末含量为90.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，然后采用V型混粉机充分混合3小时，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
采用SPH 3型氧乙炔火焰喷涂设备对预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂热喷涂粉末，制备热喷涂预置层，预置层厚度为1.5mm；其喷涂工艺参数为：中性偏还原性火焰，喷涂距离200mm；
(3)低真空高频感应熔焊
将预置有热喷涂预置层的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面局部依次重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率10mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从QCr0.5铜合金棒的一端匀速移动至另一端，之后冷却5分钟，取出；
(4)固溶和时效处理
对步骤(3)处理后的QCr0.5铜合金棒进行固溶和时效处理，以提高QCr0.5铜合金棒心部力学性能和导电率，固溶处理温度1000℃，保温30分钟，水冷；时效处理温度450℃，保温4小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
制得的高性能铜合金复合整体触头材料可根据零件形状进行车削、弯曲等机械加工和修整，制得所需零件。
对本实施例制得的高性能铜合金复合整体触头材料进行结合强度测试，测试结果为315MPa。

Claims (9)

1.一种高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，通过包括以下步骤的制备方法制得：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：取直径12～30mm的QCr0.5铜合金棒，对所述QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂处理和表面喷砂处理；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，按照TiC粉末含量为1.00～2.00wt％、La2O3粉末含量为0.20～1.00wt％、W粉末含量为50.00～90.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂所述热喷涂粉末，在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层，所述热喷涂预置层的厚度为1.5～5.0mm；
(3)低真空高频感应熔焊
将经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率为0.1～10mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的一端移动至经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的另一端，之后冷却，取出；
(4)固溶和时效处理
所述QCr0.5铜合金棒经步骤(3)处理后，再进行固溶和时效处理，固溶处理温度为980～1000℃，保温10～30分钟，水冷；时效处理的温度为425～500℃，保温2～4小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
2.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述QCr0.5铜合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y。
3.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述金属清洗剂为通用工业金属清洗剂。
4.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述表面喷砂处理采用自循环喷砂机进行，采用棕刚玉砂，粒度为-20～+40目，喷砂距离300mm，喷砂角度70～80°。
5.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述Cu粉末的粒度为200～400目。
6.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述TiC粉末的粒度为2～15μm。
7.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述La2O3粉末的粒度为2～15μm。
8.根据权利要求1所述的高性能铜合金复合整体触头材料，其特征在于，所述W粉末的粒度为2～15μm。
9.一种高性能铜合金复合整体触头材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)QCr0.5铜合金棒预处理及热喷涂粉末配制
QCr0.5铜合金棒预处理：取直径12～30mm的QCr0.5铜合金棒，对所述QCr0.5铜合金棒表面依次进行金属清洗剂清洗脱脂处理和表面喷砂处理；
热喷涂粉末配制：取TiC粉末、La2O3粉末、W粉末和Cu粉末，按照TiC粉末含量为1.00～2.00wt％、La2O3粉末含量为0.20～1.00wt％、W粉末含量为50.00～90.00wt％、余量为Cu粉末的配比进行混合配料，制得热喷涂粉末；
(2)喷制热喷涂预置层
在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面喷涂所述热喷涂粉末，在预处理后的QCr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层，所述热喷涂预置层的厚度为1.5～5.0mm；
(3)低真空高频感应熔焊
将经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，真空度为10-2Pa，感应圈宽50mm，感应圈移动速率为0.1～10mm/s，感应加热温度1100～1150℃，从经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的一端移动至经步骤(2)处理后的QCr0.5铜合金棒的另一端，之后冷却，取出；
(4)固溶和时效处理
所述QCr0.5铜合金棒经步骤(3)处理后，再进行固溶和时效处理，固溶处理温度为980～1000℃，保温10～30分钟，水冷；时效处理的温度为425～500℃，保温2～4小时，空冷；制得高性能铜合金复合整体触头材料。
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