CN104028982A - 一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，将清洗完成后熔焊材料和CuW合金一次放置于钢的凹槽内，将待烧结工件放置在特定烧结石墨坩埚中并填埋石英砂，在气氛保护炉内进行烧结，烧结曲线为：室温45～60分钟升温到1100～1500℃，在1100～1500℃保温90～120分钟，最后随炉冷。对加工好的工件进行机械加工，将连杆与烧好工件进行旋转摩擦焊连接，对焊后工件按电阻触头零件机加工即可获得性能良好的电阻触头。

Description

一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法
【技术领域】
本发明涉及触头制备领域，特别涉及一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法。
【背景技术】
高压电器用构成为CuW合金+钢复合结构类触头在我国基本都是以钎焊的方法获得，钎焊时由于其结构限制在焊后易出现气孔等缺陷。由于电阻触头部件中有20钢存在，所以该零件需要磷化上油进行防锈处理。在磷化上油之前其表面必须进行酸洗处理，用的酸为盐酸(HCl)。由于盐酸与Fe发生反应，因此在焊缝处不允许有孔洞出现，孔洞的出现将在酸洗过程中在孔洞内部有酸残留，残留酸的存在为零件的使用埋下安全隐患。
该结构中的钎焊时，流星锤型的钢部分采用旋压方法或者由大尺寸棒材机加工而成，这样增加了制备该类零件的周期和生产成本。另外，由于钢部分存在有较长的细杆部分，因此在钎焊时没法满足定向凝固的需要，这样一来，焊缝处将会出现由于非顺序凝固而出现的缩孔。
而CuW合金与Fe部分的焊接采用银焊条，银焊条与Fe和W之间相溶性不好。而且银钎焊温度低于Cu的熔点，这样的连接方式不满足冶金结合的需要，因此CuW合金、钢部分与焊缝之间的结合属于机械结合而非冶金结合。而银焊条由多种成分组成，在材料合成过程中，引入材料种类越多材料的合成难度就越大。再考虑到材料之间的固溶、扩散以及润湿性等元素，合成材料的种类越多其形成零件的抗拉强度、韧性以及塑性都会受其决定。由于焊接方法的限制该类零件合格率较低，一般在8％左右。
因此、考虑到Ag与钢以及CuW合金的润湿性，采用Ag钎焊将不是一个十分合理的工艺方法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，以克服上述技术问题，提高流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的合格率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，包括以下步骤：
第一部分：CuW合金与钢的熔焊连接：
(1)加工圆柱状钢结构、CuW合金和熔焊材料，钢结构的顶部加工凹槽；熔焊材料的直径小于CuW合金直径1～3mm，质量为CuW合金块的15～30％；
(2)对加工好的钢结构、CuW合金和熔焊材料进行清洗，清洗完后将熔焊材料放置在凹槽的底部，CuW合金放置在凹槽内且位于熔焊材料上部；在CuW合金和凹槽的内壁之间留有缝隙；
在石墨舟的底部铺上若干层第一石墨纸，将钢结构放置在第一石墨纸上，在第一石墨纸上铺上若干层第二石墨纸，在钢结构与石墨舟之间以及第二石墨纸上方装填砂子；
将装填好的石墨舟放入氮气或者氩气气氛保护烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：室温45～60分钟升温到1100～1500℃，在1100～1500℃保温90～120分钟，最后随炉冷却获得烧结毛坯；
第二部分：钢连杆部分焊接
(1)将烧结毛坯的钢结构底部机械加工形成凸台，凸台的直径与待连接的连杆的直径相同；将凸台及连杆旋转摩擦焊连接；
(2)进行机加工，除去烧结毛坯上CuW合金和结构钢的余量，获得流星锤型CuW合金和钢复合结构触头。
优选的，熔焊材料为纯铜或者铬铜，熔焊材料中Cr含量小于1.2wt％。
优选的，旋转摩擦焊的工艺参数为：主轴转速1350～1600rpm，工进速度0.2～0.5mm/s，工进压力0.2～0.6MPa，摩擦压力1.0～3MPa，摩擦时间1.5～2.5s，顶锻压力6～8MPa，顶锻保压时间2～6s。
优选的，凸台的高度大于或等于15cm。
优选的，第二石墨纸以上砂子的高度为CuW合金高度的两倍。
优选的，所述气氛保护烧结炉底部有水循环冷却系统。
优选的，CuW合金放于凹槽内时，与凹槽的侧壁之间的缝隙小于1mm。
优选的，所述缝隙能够使熔焊材料的熔液通过。
优选的，随炉冷却过程中，CuW合金和结构钢之间的焊缝自下而上凝固。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明方法的第一部分采用整体烧结法，首先省去了钎焊所需的银焊条，其次整体烧结法可批量生产，大大的提高了生产效率。本发明整体烧结时保温温度在Cu的熔点之上时间较长，而这样的温度对Cu和Fe、Fe和W等元素来说有利于其进行扩散，扩散的发生利于Cu和CuW合金及钢界面之间的冶金结合，因此整体烧结法对提高其界面结合强度有利；另外，由于在气氛炉内烧结时，气氛炉底部有水冷却循环系统，可以保证待烧工件实现从底部先凝固的目的，另外，石墨舟内填充的砂子具有良好的保温性能，可以保证最上端的Cu液最后凝固，为实现顺序凝固所需的铸造补缩提供液态铜，这样的顺序凝固可以从根本上消除气孔，一次合格率为90％以上。
与现有的钎焊法制备钢+CuW合金结构工艺相比，本发明通过整体烧结的工艺制备钢+CuW合金结构时，只需控制CuW与结构钢的配合间隙，按照该发明所制定的升降温曲线进行加热即可制备合格的钢+CuW合金结构。相比钎焊法而言，该方法受人为、环境等因素影响较小。
本发明的烧结工艺，将铜钨合金和钢通过中间材料连接，在高温下通过扩散与固溶在界面形成结合强度较高复合钢+CuW合金结构触头。本发明通过以铬铜(纯铜)为填充金属，使其在一定温度下熔化。通过扩散固溶等形式来连接CuW合金与结构钢，使之成为一个整体部件即钢+CuW合金结构触头。该工艺的特点在于工艺可控性强，零件质量稳定的特点。
本发明将不同直径的钢材进行摩擦焊连接，这样不仅节约成本而且大大节约了生产周期。
【附图说明】
图1为本发明制备CuW合金和钢复合结构触头的示意图；
图2为本发明制备CuW合金和钢复合结构触头的烧结示意图；
图3为本发明制备触头待焊接结构爆炸图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图3所示，本发明一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，包括以下步骤：
第一部分：CuW合金与钢的熔焊连接：
(1)加工圆柱状钢结构1、CuW合金2和熔焊材料3，钢结构1的顶部加工凹槽11，用于在其中熔焊CuW合金2；CuW合金2放于凹槽11内时，与凹槽11的侧壁间隙小于1mm；熔焊材料3的直径小于CuW合金2直径1～3mm，质量为CuW合金块2的15～30％；熔焊材料3为纯铜或者铬铜(Cr含量小于1.2wt％)；
(2)对加工好的钢结构1、CuW合金2和熔焊材料3进行清洗，清洗完后将熔焊材料3放置在凹槽11的底部，CuW合金2放置在凹槽11内且位于熔焊材料3上部；CuW合金块2、结构钢1以及熔焊材料3同轴设置，在CuW合金2和凹槽11的内壁之间留有缝隙，且该缝隙小于1mm；
在石墨舟4的底部铺上多层第一石墨纸5，将钢结构1放置在第一石墨纸5上，在第一石墨纸5上铺上多层第二石墨纸6，在钢结构1与石墨舟4之间以及第二石墨纸6上方装填砂子7；
将装填好的石墨舟4放入气氛保护烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：从室温45～60分钟升温至1100～1500℃，在1100～1500℃保温90～120分钟，最后随炉冷获得烧结毛坯；
第二部分：钢连杆部分焊接
(1)请参阅图3所示，将烧结毛坯的钢结构1底部机械加工形成凸台10，凸台10的高度15cm以上，凸台10的直径与待连接的连杆8的直径相同；将凸台10及连杆8按旋转摩擦焊连接，旋转摩擦焊的工艺参数为：主轴转速1350～1600rpm，工进速度0.2～0.5mm/s，工进压力0.2～0.6MPa，摩擦压力1.0～3MPa，摩擦时间1.5～2.5s，顶锻压力6～8MPa，顶锻保压时间2～6s。
(2)根据图纸进行机加工，除去烧结毛坯上CuW合金2和结构钢1的余量，获得图1所示流星锤型CuW合金和钢复合结构触头，该触头包括钢结构1、固定于钢结构1前端凹槽11中的CuW合金2，以及与钢结构1后部凸台10固定连接的连杆8。
本发明中，通过烧结方法将CuW合金与“凹”型钢结构实现冶金结合；采用纯铜或者铬铜(Cr含量小于1.2wt％)作为熔焊材料；烧结时在钢的“凹”型槽中先放置熔焊材料，再放置CuW合金；将工件置于石墨坩埚内并在坩埚内填充石英砂，砂子高度高出工件部分(第二石墨纸6以上部分)为CuW合金2高度h的两倍。
本发明采用烧结方法制备该类零件时，流星锤型的钢部分则采用旋转摩擦焊接的方法，将不同直径的钢材进行连接，这样不仅节约成本而且大大节约了生产周期。
考虑到连接界面的冶金特性，对于待焊件的主要成分Cu、W及Fe来说，熔焊材料必须考虑与CuW侧的冶金特性，同时要考虑与钢侧Fe的冶金特性。
采用纯铜连接时，纯铜与CuW合金中的铜为同种金属不存在冶金困难；对于Cu、Fe而言，两者属于单纯的包晶反应系，Cu在Fe中的溶解度因温度不同而发生变化，具体为在841℃溶解度为1.79％，801℃为1.22％，759℃为0.86％，698℃为0.44％。根据Cu-Fe二元相图可知，Cu、Fe之间的固溶从固态即可发生，也就是说在Cu的熔点以下，保持一定的温度，即可实现Cu在Fe中的扩散和两者之间的冶金结合。
采用铬铜连接时，对于CuW侧Cu而言，Cr在Cu中的溶解度可达到0.89％，而且开始的固溶温度在1076℃，也就是说，Cr元素在Cu中的溶解发生在固态状况下，这样一来，在固态情况下Cr与Cu即可发生扩撒与冶金结合。对于Cr-W两相而言，Cr、W属于同主族元素，两者具有相同的晶格类型和小的原子比，因此两者在适当的温度下具有无限的固溶量，也就是说Cr、W两种元素在高温下容易进行扩散和冶金熔合。对于钢侧，Fe的熔点为1538℃，Cr的熔点为1863℃，两者在830℃以上为无限固溶体，在此温度以下为有限固溶体。可知Fe、Cr之间很容易发生扩散和固溶。
烧结时按照特定顺序放置连接材料及待焊部件，将放置好的待烧件放置于石墨坩埚内，并填入保温砂。烧结时选择使用炉底部有水循环冷却系统的烧结炉，这样一来在烧结完成后可以实现焊缝区域的定向凝固。

Claims (9)

1.一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一部分：CuW合金与钢的熔焊连接：
(1)加工圆柱状钢结构(1)、CuW合金(2)和熔焊材料(3)，钢结构(1)的顶部加工凹槽(11)；熔焊材料(3)的直径小于CuW合金(2)直径1～3mm，质量为CuW合金块(2)的15～30％；
(2)对加工好的钢结构(1)、CuW合金(2)和熔焊材料(3)进行清洗，清洗完后将熔焊材料(3)放置在凹槽(11)的底部，CuW合金(2)放置在凹槽(11)内且位于熔焊材料(3)上部；在CuW合金(2)和凹槽(11)的内壁之间留有缝隙；
在石墨舟(4)的底部铺上若干层第一石墨纸(5)，将钢结构(1)放置在第一石墨纸(5)上，在第一石墨纸(5)上铺上若干层第二石墨纸(6)，在钢结构(1)与石墨舟(4)之间以及第二石墨纸(6)上方装填砂子(7)；
将装填好的石墨舟(4)放入气氛保护烧结炉中进行烧结，室温45～60分钟升温到1100～1500℃，在1100～1500℃保温90～120分钟，最后随炉冷，最后随炉冷却获得烧结毛坯；
第二部分：钢连杆部分焊接
(1)将烧结毛坯的钢结构(1)底部机械加工形成凸台(10)，凸台(10)的直径与待连接的连杆(8)的直径相同；将凸台(10)及连杆(8)旋转摩擦焊连接；
(2)进行机加工，除去烧结毛坯上CuW合金(2)和结构钢(1)的余量，获得流星锤型CuW合金和钢复合结构触头。
2.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，熔焊材料(3)为纯铜或者铬铜，熔焊材料(3)中Cr含量小于1.2wt％。
3.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，旋转摩擦焊的工艺参数为：主轴转速1350～1600rpm，工进速度0.2～0.5mm/s，工进压力0.2～0.6MPa，摩擦压力1.0～3MPa，摩擦时间1.5～2.5s，顶锻压力6～8MPa，顶锻保压时间2～6s。
4.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，凸台(10)的高度大于或等于15cm。
5.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，第一石墨舟内除放置待烧工件外，全部填入保温石英砂，并且石英砂高出第二石墨纸(6)部分高度为CuW合金高度2倍以上。
6.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，所述烧结炉底部有水循环冷却系统。
7.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，CuW合金(2)放于凹槽(11)内时，与凹槽(11)的侧壁之间的缝隙小于1mm。
8.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，所述缝隙能够使熔焊材料(3)的熔液通过。
9.根据权利要求1所述的一种流星锤型CuW合金和钢复合结构触头的制备方法，其特征在于，随炉冷却过程中，CuW合金(2)和结构钢(1)之间的焊缝自下而上凝固。
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