CN104120245A - 一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，触头材料进行机加工、清洗、干燥后，采用高能电子束对材料表面进行扫描，获得厚度约100μm的电子束重熔层，且重熔层内Cr颗粒尺寸小于1μm。上述电子束扫描过程在真空环境下进行，真空度＜0.1Pa，电子束扫描频率为350-450HZ，电压55-65KV，电流60-70mA。由于经电子束扫描后，触头材料表面的晶粒明显细化，因此其物理机械性能及电性能均有很大程度改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
由于真空断路器具有高可靠、长寿命等优异性能备，因此备受市场青睐，其令人瞩目的技术特点之一是，用真空灭弧室替代传统的空气灭弧栅，提高了断路器关合与分断短路电流的能力与次数，且电寿命高达万次以上。
真空灭弧室开断与关合短路电流的能力，除需与其配合的机械力学参数外，主要取决于灭弧室触头的材料及磁场结构。CuCr合金材料是一种很好的长寿命真空触头材料，是现有触头材料中最理想的触头材料，其具有高的耐电压强度、优良的耐电弧侵蚀性、低的截断电流和优良的截流能力。触头材料在保证具有良好的抗电弧侵蚀的同时还要保证有良好的导电性，因此CuCr合金中Cr组元必须均匀的分布于Cu组元之中，同时Cu组元必须连成一体，以使得传输电子可在材料中任意位置顺利传输，从而减小材料不同位置的差异。材料的致密度应较高，否则触头材料的稳定性、使用寿命等都会大打折扣，不利于降低触头材料的使用成本。为提高CuCr合金触头材料的性能，Cr组元的晶粒细化是重要而且有效的手段。Cr组元的晶粒细化有利于提高耐电压强度，降低截流电流，降低触头材料表面粗糙度，增强触头材料的耐电弧侵蚀性。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。因此需要对CuCr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。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CuCr合金触头材料进行处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法。该方法是通过电子束扫描对CuCr触头材料进行表面强化处理，进而获得表面晶粒细化层。该细化层使材料表面的硬度、电导等性能得到改善，从而进一步提高了触头材料的电性能。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来完成的，一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，包括以下步骤：
(1)制备CuCr触头材料，先将金属Cr在低温液体保护下，通过研磨破碎机加工制成Cr粉；以Cr粉、Cu粉为原材料，采用粉末冶金、真空电弧熔炼等工艺制得CuCr电触头材料；或者将制得的Cr粉进行烧结制成Cr粉坯，然后以Cu块与Cr粉坯为原材料，采用真空熔铸工艺制得CuCr电触头材料；
(2)将制得的CuCr触头材料进行清洗，将CuCr电触头材料依次浸入盛有碳氢清洗剂与酒精的槽中，进行超声波振动清洗，清洗完成后将CuCr电触头材料送入烘道进行热风风干；
(3)将干燥后的CuCr触头材料置于电子束扫描设备真空腔内，抽真空至真空度＜0.1Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；
(4)开启电子束对CuCr触头材料表面进行扫描的表面强化处理，并加载高压，主要工艺参数包括：电子束扫描频率为350-450HZ、电压55-65KV、电流60-70mA；
(5)经表面强化处理后，CuCr触头材料表面形成厚度100μm的晶粒细化层，其Cr颗粒尺寸小于1μm。
优选的是，CuCr电触头材料中Cr的重量百分比为25～50％。
在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中的惰性保护气体为氩气或氦气。
在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中的主要工艺参数包括：电子束扫描频率为350-450HZ、电压55-65KV、电流60-70mA。
本发明的有益效果是：
1.该方法是通过电子束扫描对CuCr触头材料进行表面强化处理，进而获得表面晶粒细化层。该细化层使材料表面的硬度、电导等性能得到改善，从而进一步提高了触头材料的电性能。
2.本发明的CuCr触头材料，Cr组元晶粒尺寸可以得到很大细化，且材料致密性良好，CuCr触头材料具有高强度、高导电、高耐电弧侵蚀的性能，同时该方法可以节约能源和原材料的消耗。
3.采用本发明的表面处理方法处理的CuCr触头材料用于真空灭弧室，其开断能力与使用寿命均有所提高，真空灭弧室的成本也得到大幅度降低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，包括以下步骤：
(1)制备CuCr触头材料，先将金属Cr在低温液体保护下，通过研磨破碎机加工制成Cr粉；将制得的Cr粉经压制后进行烧结制成Cr粉坯，烧结温度为1325℃；将Cu块与Cr粉坯一起装入真空炉中进行真空感应熔炼，制得CuCr电触头材料；CuCr电触头材料中Cr的重量百分比为25％。
(2)将制得的CuCr触头材料进行清洗，将CuCr电触头材料置于盛有碳氢清洗剂的槽中进行超声波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中进行二次清洗；清洗完成后将CuCr电触头材料送入烘道进行热风风干。
(3)将干燥后的CuCr触头材料置于电子束扫描设备真空腔内，抽真空至真空度为4×10-2Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；惰性保护气体为氩气。
(4)开启电子束对CuCr触头材料表面进行扫描的表面强化处理，并加载高压，主要工艺参数包括：电子束扫描频率为350HZ、电压65KV、电流60mA；
(5)经表面强化处理后，CuCr触头材料表面形成厚度100μm的晶粒细化层，其平均Cr颗粒尺寸约为0.5μm。
实施例2
一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，包括以下步骤：
(1)制备CuCr触头材料，先将金属Cr在低温液体保护下，通过研磨破碎机加工制成Cr粉；将Cr粉与铜棒放入真空烧结炉中进行真空熔渗，制得CuCr电触头材料；CuCr电触头材料中Cr的重量百分比为50％。
(2)将制得的CuCr触头材料进行清洗，将CuCr电触头材料置于盛有碳氢清洗剂的槽中进行超声波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中进行二次清洗；清洗完成后将CuCr电触头材料送入烘道进行热风风干。
(3)将干燥后的CuCr触头材料置于电子束扫描设备真空腔内，抽真空至真空度为3×10-2Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；惰性保护气体为氦气。
(4)开启电子束对CuCr触头材料表面进行扫描的表面强化处理，并加载高压，主要工艺参数包括：电子束扫描频率为450HZ、电压60KV、电流70mA；
(5)经表面强化处理后，CuCr触头材料表面形成厚度100μm的晶粒细化层，其平均Cr颗粒尺寸约为0.2μm。
实施例3
一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，包括以下步骤：
(1)制备CuCr触头材料，先将金属Cr在低温液体保护下，通过研磨破碎机加工制成Cr粉；将制得的Cr粉经压制后进行烧结制成Cr粉坯，烧结温度为1320℃；将Cu块与Cr粉坯一起装入真空炉中进行真空感应熔炼，制得CuCr电触头材料；CuCr电触头材料中Cr的重量百分比为30％。
(2)将制得的CuCr触头材料进行清洗，将CuCr电触头材料置于盛有碳氢清洗剂的槽中进行超声波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中进行二次清洗；清洗完成后将CuCr电触头材料送入烘道进行热风风干。
(3)将干燥后的CuCr触头材料置于电子束扫描设备真空腔内，抽真空至真空度为5×10-2Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；惰性保护气体为氩气。
(4)开启电子束对CuCr触头材料表面进行扫描的表面强化处理，并加载高压，主要工艺参数包括：电子束扫描频率为400HZ、电压60KV、电流65mA；
(5)经表面强化处理后，CuCr触头材料表面形成厚度100μm的晶粒细化层，其平均Cr颗粒尺寸约为0.4μm。
采用本发明的方法，通过电子束扫描对CuCr触头材料进行表面强化处理，进而获得表面晶粒细化层。该细化层使材料表面的硬度、电导等性能得到改善，从而进一步提高了触头材料的电性能。本发明的CuCr触头材料，Cr组元晶粒尺寸可以得到很大细化，且材料致密性良好，CuCr触头材料具有高强度、高导电、高耐电弧侵蚀的性能，同时该方法可以节约能源和原材料的消耗。采用本发明的表面处理方法处理的CuCr触头材料用于真空灭弧室，，开断能力及使用寿命均有所提高，真空灭弧室的成本也得到大幅度降低。由此表明，本发明方法中的各个参数均是最佳选择，可实现本发明方法的最优效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备CuCr触头材料，先将金属Cr在低温液体保护下，通过研磨破碎机加工制成Cr粉；以Cr粉、Cu粉为原材料，采用粉末冶金、真空电弧熔炼等工艺制得CuCr电触头材料；或者将制得的Cr粉进行烧结制成Cr粉坯，然后以Cu块与Cr粉坯为原材料，采用真空熔铸工艺制得CuCr电触头材料；
(2)将制得的CuCr触头材料进行清洗，将CuCr电触头材料依次浸入盛有碳氢清洗剂与酒精的槽中，进行超声波振动清洗，清洗完成后将CuCr电触头材料送入烘道进行热风风干；
(3)将干燥后的CuCr触头材料置于电子束扫描设备真空腔内，抽真空至真空度＜0.1Pa，然后向真空室内充入惰性保护气体；
(4)开启电子束对CuCr触头材料表面进行扫描的表面强化处理，并加载高压，主要工艺参数包括：电子束扫描频率为350-450HZ、电压55-65KV、电流60-70mA；
(5)经表面强化处理后，CuCr触头材料表面形成厚度100μm的晶粒细化层，其Cr颗粒尺寸小于1μm。
2.根据权利要求书1所述的真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，其特征在于CuCr电触头材料中Cr的重量百分比为25～50％。
3.根据权利要求2所述的真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，其特征在于步骤(3)中的惰性保护气体为氩气或氦气。
4.根据权利要求3所述的真空灭弧室用CuCr触头材料表面处理方法，其特征在于步骤(4)中的主要工艺参数包括：电子束扫描频率为350-450HZ、电压55-65KV、电流60-70mA。
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