CN104805392B - 一种铜铝复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜铝复合材料及其制备方法，属于金属加工技术领域。本发明铜铝复合材料，采用电弧喷涂，喷涂电压为30～35V，喷涂距离为100～150mm，送丝速度为3～4m/min，电流为120～150A，压缩气体压力为0.65～0.75MPa，压缩气体流量为1.6～2.0m3/min，在惰性气体保护气氛中向铝合金基体表面喷涂铜形成铜涂层，铝合金基体表面喷涂的铜涂层不被氧化，且均匀致密，呈紫红色光亮，并且与基体结合强度高，导电性好，可用于高压电器产品的制备。本发明铜铝复合材料的制备方法，采用电弧喷涂的方式喷涂铜涂层，相比传统的电镀和化学镀的方法，对环境无污染，操作简便，快速省时，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种铜铝复合材料及其制备方法。
背景技术
所有导体材料中，贵金属最适于制作电气产品的接触面导电材料，其中银材料所占比例很大，电气产品上的Ag及Ag合金不仅用量大，而且在使用过程中Ag基触头易硫化，易磨损，寿命波动较大，报废电器上所剩余的白银或银合金触头，由于分散也难于回收，普遍认为，替代Ag作为导电材料最合适的是Cu，因为Cu具有与Ag相近的物理、化学、电学等性能，作为电接触材料，Cu有着导电导热性好、抗电弧侵蚀、价格低廉等优势。
目前，高压电气开关产品很大一部分采用的是表面镀铜工艺。但对于铝及铝合金件，由于其与氧有较高的亲和力，在电镀前需要在碱液中溶解氧化膜，再用浸锌法沉积薄锌层，有时需要二次浸锌，再进行水洗-中和-氰化镀铜-水洗等工序。电镀过程中，金属离子电解液易与铝制件发生置换反应，得到疏松、粗糙的镀层，并且严重影响镀层与基体金属结核强度。因此，中间镀层采用化学浸镀锌方法必不可少。这样，导致表面镀铜时间较长，工艺较为复杂，并且有污染物残留，影响环境。
热喷涂方法是表面涂层制备的另一种技术，其中的电弧喷涂方法效率高，成本低，利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层。常见的电弧喷涂铝、锌、巴氏合金等用于钢铁材料的耐腐蚀防护。由于不存在电解液或化学溶液，对环境无污染，并且熔化颗粒与基体形成局部冶金结合，结合强度较高。但是不同的金属材料结合性能不同，利用电弧喷涂方法在金属基体上喷涂金属涂层，需要控制合适的喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离，送丝速度等参数，来保证不同金属之间的集合强度和喷涂涂层的质量。
目前对于利用电弧喷涂方法制备高压开关接触面铜导电层尚未有研究报道。“十一五”期间，银基、铜基和真空电触头材料发展迅速，产量以每年近20％的增长率增长，产品总量在2010年达到1690吨，工业总产值14.2亿，随着银价的上涨，势必会刺激一部分拥有研发实力的企业开发无银触头来降低成本，例如铜涂层可应用于部分高压开关领域。而电镀铜工艺存在时间长、对环境有污染等问题，亟需开发新型的工艺在铝合金基体上进行铜涂层制备。因此研究开发一种铜涂层电弧喷涂方法代替传统的电镀方法，具有重大的实际意义。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种表面铜涂层致密均匀光亮，导电性好，与基体结合强度高的铜铝复合材料。
同时，本发明还在于提供一种成本低、环保无害铜铝复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铜铝复合材料，由以下方法制备而得：包括利用电弧喷涂装置，在惰性气体保护气氛中向铝合金基体表面喷涂铜涂层，即得；所述电弧喷涂的喷涂电压为30～5V，喷涂距离为100～150mm，送丝速度为3～4m/min，电流为120～150A，压缩气体压力为0.65～0.75MPa，压缩气体流量为1.6～2.0m3/min。
所述铜涂层的厚度为30-50μm。
所述喷涂时间为1～3min。
所述喷涂采用的喷涂铜原材料为Φ2.0-Φ3.0mm的纯度为99.85％-99.99％的铜丝。
所述喷涂前铝合金基体采用碱洗液进行表面清理，具体方法为，将碱洗液加热至70-80℃，将铝合金基体置于碱液中3～5min，即完成铝合金基体表面清理。
所述碱洗液为质量浓度为3.0-5.0％的氢氧化钠水溶液。
所述喷涂前铝合金基体采用有机溶剂进行表面清理。
所述有机溶剂为丙酮或甲醇。
所述喷涂前铝合金基体进行表面粗化处理，具体方法为：使用磨粒对铝合金基体表面喷砂处理至基体表面出现银白色金属光泽后，高压空气清洗基体表面，即完成铝合金基体表面粗化处理。
所述磨粒为180-200目氧化铝。
所述喷砂角度为75-90°，气体压力为0.65-0.75MPa，喷砂距离为100-150mm。
一种铜铝复合材料的制备方法，包括利用电弧喷涂装置，在惰性气体保护气氛中向铝合金基体表面喷涂铜涂层，即得；所述电弧喷涂的喷涂电压为30～5V，喷涂距离为100～150mm，送丝速度为3～4m/min，电流为120～150A，压缩气体压力为0.65～0.75MPa，压缩气体流量为1.6～2.0m3/min。
所述表面粗化处理后与喷涂的时间间隔≤2h。
本发明铜铝复合材料，采用在惰性气体保护下，在铝合金表面电弧喷涂铜涂层的方式实现铜铝复合，通过控制电弧喷涂的电流、电压、送丝速度、压缩气体流量和速度、喷涂距离等参数条件，使铝合金基体表面喷涂的铜涂层不被氧化，且均匀致密，呈紫红色光亮，并且与基体结合强度高，导电性好，可用于高压电器产品的制备。
本发明铜铝复合材料的制备方法，采用电弧喷涂的方式喷涂铜涂层，相比传统的电镀和化学镀的方法，该方法不存在电解液或化学溶液，对环境无污染，操作简便，且喷涂的铜涂层与铝合金基体结合强度高。本发明制备方法通过控制电弧喷涂的参数条件，在短时间内(1～3min)即可喷涂50μm铜涂层，且涂层表面均匀致密，呈紫红色光亮，快速省时，节约成本。
附图说明
图1为实施例1使用的气氛保护装置；
图2为实施例1制备的铜铝复合材料表面的铜涂层；
图3为实施例1制备的铜铝复合材料表面的铜涂层的微观组织形貌；
图4为实施例1制备的铜铝复合材料表面的铜涂层的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
本实施例铜铝复合材料，由以下方法制备而得，具体操作步骤如下：
1)铝合金基体表面处理：将厚度为3mm的40mm×40mm铝合金用丙酮去除表面油污后，用180目氧化铝磨粒对工件表面喷砂处理，喷砂角度为90°，气体压力0.7MPa，喷砂距离为150mm，待表面完全出现银白色金属光泽后，完成铝合金基体的表面处理；
2)将表面处理后的铝合金基体放入如图1所示的长宽高为400×300mm×200mm的一端开口的气氛保护装置中，使用Φ2.0mm的纯度为99.85％的铜丝作为喷涂原材料进行电弧喷涂铜涂层，压缩气体来源为瓶装氮气，利用减压阀调整氮气瓶出口压力为0.7Mpa，流量为1.8m3/min，控制喷涂电流为120A，喷涂电压为35V，送丝速度为3m/min，喷涂距离为120mm，喷涂1min，即得所述的铜铝复合材料。
本实施例制备的铜铝复合材料的表面铜涂层及其微观结构如图2和图3所示，铜涂层均匀致密光亮，并经过对铜涂层表面X射线衍射分析，如图4所示，铜涂层为纯铜，没有氧化亚铜的出现。
实施例2
本实施例铜铝复合材料，由以下方法制备而得，具体操作步骤如下：
1)铝合金基体表面处理：将厚度为3mm的40mm×40mm铝合金置于70℃，质量浓度为3.0％的氢氧化钠水溶液中，浸泡4min，去除表面油污后，用200目氧化铝磨粒对工件表面喷砂处理，喷砂角度为75°，气体压力0.65MPa，喷砂距离为100mm，待表面完全出现银白色金属光泽后，完成铝合金基体的表面处理；
2)将表面处理后的铝合金基体放入如图1所示的长宽高为400×300mm×200mm的一端开口的气氛保护装置中，使用Φ3.0mm的纯度为99.99％的铜丝作为喷涂原材料进行电弧喷涂铜涂层，压缩气体来源为瓶装氮气，利用减压阀调整氮气瓶出口压力为0.65Mpa，流量为1.6m3/min，控制喷涂电流为140A，喷涂电压为32V，送丝速度为4m/min，喷涂距离为100mm，喷涂2min，即得所述的铜铝复合材料。
本实施例制备的铜铝复合材料的表面铜涂层均匀致密光亮，为纯铜，没有氧化亚铜的出现。
实施例3
本实施例铜铝复合材料，由以下方法制备而得，具体操作步骤如下：
1)铝合金基体表面处理：将厚度为3mm的40mm×40mm铝合金用甲醇去除表面油污后，用190目氧化铝磨粒对工件表面喷砂处理，喷砂角度为90°，气体压力0.7MPa，喷砂距离为150mm，待表面完全出现银白色金属光泽后，完成铝合金基体的表面处理；
2)将表面处理后的铝合金基体放入如图1所示的长宽高为400×300mm×200mm的一端开口的气氛保护装置中，使用Φ2.5mm的纯度为99.95％的铜丝作为喷涂原材料进行电弧喷涂铜涂层，压缩气体来源为瓶装氮气，利用减压阀调整氮气瓶出口压力为0.70Mpa，流量为2.0m3/min，控制喷涂电流为150A，喷涂电压为30V，送丝速度为3m/min，喷涂距离为150mm，喷涂3min，即得所述的铜铝复合材料。
本实施例制备的铜铝复合材料的表面铜涂层均匀致密光亮，为纯铜，没有氧化亚铜的出现。
试验例
分别检测实施例1～3制备的铜铝复合材料铜涂层与铝基体的结合强度及铜铝复合材料的电阻率：
1、铜铝复合材料铜涂层与铝基体的结合强度：检测方法：分别截取厚度为3mm直径为Φ40mm的实施例1～3制备的铜铝复合材料，依据GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法进行结合力测试，结果如下表1所示；
2、铜铝复合材料电阻率：检测方法：分别截取厚度为3mm的12mm×12mm的实施例1～3制备的铜铝复合材料，采用数字式四探针测试仪的多次测量电阻率取平均值，检测结果如下表1所示：
| 实施例 | 结合强度(N/mm2) | 电阻率(mΩ·cm) |
| 实施例1 | 16.3 | 0.6 |
| 实施例2 | 16.9 | 0.6 |
| 实施例3 | 17.2 | 0.6 |
Claims (9)
1.一种高压开关接触面铜导电层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用电弧喷涂，在惰性气体保护气氛中向铝合金基体表面喷涂铜形成铜涂层，即得；所述电弧喷涂的喷涂电压为30～35V，喷涂距离为100～150mm，送丝速度为3～4m/min，电流为120～150A，压缩气体压力为0.65～0.75MPa，压缩气体流量为1.6～2.0m3/min；所述铜涂层的厚度为30～50μm。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂时间为1～3min。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂采用的喷涂铜原材料为Φ2.0-Φ3.0mm的纯度为99.85％-99.99％的铜丝。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂前铝合金基体采用碱洗液进行表面清理，具体方法为，将碱洗液加热至70-80℃，将铝合金基体置于碱液中3～5min，即完成铝合金基体表面清理。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碱洗液为质量浓度为5.0％的氢氧化钠水溶液。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂前铝合金基体采用有机溶剂进行表面清理。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或甲醇。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂前铝合金基体进行表面粗化处理，具体方法为：使用磨粒对铝合金基体表面喷砂处理至基体表面出现银白色金属光泽后，高压空气清洗基体表面，即完成铝合金基体表面粗化处理。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂角度为75-90°，气体压力为0.65-0.75MPa，喷砂距离为100-150mm。
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