CN109261961A - 一种基于3d打印技术制备铜基电接触材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)建立Cr的三维骨架模型，3D打印成型；(2)在步骤(1)得到的Cr三维骨架中置入软磁相芯结构；以及(3)将高导电相Cu渗入步骤(2)得到的骨架中。本发明的铜基电接触材料具有有序的磁场微结构单元，能够在起表面产生较大的磁场驱动电弧斑点运动，提高材料的分断电流能力和耐电压击穿能力。

Description

一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法
技术领域
本发明涉及铜基复合触头材料技术领域，具体是涉及一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法。
背景技术
目前，国内外在中高压真空开关中广泛采用CuCr合金系列真空触头材料，其中Cu作为导电基体，Cr作为骨架材料，近年来CuCr合金的制备工艺也获得较大的发展，获得了较好的综合机械和电性能已经在中低压各种型号的真空断路器中得到普及，大大推动了我国真空开关的快速发展。
然而，在现有技术中，真空触头材料采用的CuCr合金是通过粉末冶金工艺生产的，其中的耐电弧烧蚀相Cr均为无序状态，无法实现在触头内部的导电电流的定向传导流动，只能通过外部设计实现磁场对真空电弧阴极斑点的有限控制。同时由外部结构产生的磁场强度较低、均降低了额定条件下导电的有效面积，较高的温升导致真空断路器的额定电流能力尚无法满足大电流高电压电网的需求。
因此，发明提出通过3D打印技术制备具有高导电相Cu、耐电弧烧蚀相Cr、软磁相Fe组成的具有导流微结构的复合触头材料，将导流相和耐电弧烧蚀相由无序变为有序，在触头内部形成微小的结构单元，增大电弧存在是的磁场强度和电弧分散能力，进而提高触头的分断电流能力和耐电压击穿能力。基于现有技术的缺陷，提出一种全新的一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明旨在提供一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，属于高电压等级复合触头材料的制备方法。
本发明的技术方案为，一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)建立Cr的三维骨架模型，3D打印成型；
(2)在步骤(1)得到的Cr三维骨架中置入软磁相芯结构并进行烧结处理；以及，
(3)将高导电相Cu渗入步骤(2)得到的骨架中。
在本发明中，在步骤(1)中，在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，采用选择性激光烧结技术进行3D打印成型。
在本发明中，在步骤(2)中，将软磁相Fe、Co或者Ni细丝放入步骤(1)制备的Cr三维骨架中。
在本发明中，在步骤(2)中，将含有Fe、Co或者Ni细丝的Cr三维骨架进行烧结处理。
在本发明中，在步骤(3)中，将高导电相Cu通过熔渗方法渗入步骤(2)骨架中制备出可控微结构的铜铬铁触头材料。
进一步的，在步骤(1)中，所述选择性激光烧结是在氩气或者氮气气氛下进行的。
进一步的，在步骤(3)中，所述熔渗是在真空下进行的。
本发明取得了有益的技术效果：
通过本发明的方法获得的复合触头材料即铜基电接触材料具有有序的磁场微结构单元，能够在起表面产生较大的磁场，进而驱动电弧斑点运动，降低电弧对材料表面的烧蚀，提高材料的分断电流能力和耐电压击穿能力。
现有的真空触头材料采用的CuCr合金是通过粉末冶金工艺生产的，其中的耐电弧烧蚀相Cr均为无序状态，无法实现在触头内部的导电电流的定向传导流动，只能通过外部设计实现磁场对真空电弧阴极斑点的有限控制。
同时由外部结构产生的磁场强度较低、加工复杂、降低了触头面的机械强度，导致开断大电流时触头会因较大的热应力引起形变和裂纹。与目前方法不同的是本发明采用基于3D打印技术制备出具有有序微结构的铜铬铁复合触头材料。
附图说明
图1是本发明触头材料剖面图；
图2是本发明触头间距5mm时表面的磁场分布与变化曲线图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的实施方式，本发明的一个实施方式为，本发明旨在提供一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，属于高电压等级复合触头材料的制备方法。
本发明的技术方案为，一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)建立Cr的三维骨架模型，3D打印成型；
(2)在步骤(1)得到的Cr三维骨架中置入芯结构并进行烧结处理；以及，
(3)将高导电相Cu渗入步骤(2)得到的骨架中。
在本发明中，在步骤(1)中，在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，采用选择性激光烧结技术进行3D打印成型。
在本发明中，在步骤(2)中，将软磁相Fe、Co或者Ni细丝放入步骤(1)制备的Cr三维骨架中。
在本发明中，在步骤(3)中，将高导电相Cu通过熔渗方法渗入步骤(2)骨架中制备出可控微结构的铜铬铁触头材料。
进一步的，在步骤(1)中，所述选择性激光烧结是在氩气或者氮气气氛下进行的。
进一步的，在步骤(3)中，所述熔渗是在真空下进行的。
本发明的一个实施方式为一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法：(1)将平均粒径20-100μm的铬粉倒入3D打印机的粉末缸中；(2)在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，骨架模型中预留有芯丝的孔阵列，例如预留芯丝的孔阵列倾斜10-25度，以及导电相Cu的空间；(3)选择选择性激光烧结技术进行耐电弧烧蚀相Cr的3D打印成型，步骤(3)需要在氩气气氛下进行；(4)将直径0.5-2mm的软磁相Fe、Co或者Ni放入Cr三维骨架中的孔阵列中；(5)将步骤(4)获得的骨架进行烧结处理，处理温度1100-1400℃，(6)采用熔渗技术将0.5-5μm粒径的高导电相Cu粉末渗入步骤(5)形成的含有芯丝的Cr骨架中制备出铜铬铁复合触头材料，所述熔渗温度为1100-1300℃，所述熔渗在真空下进行。
进一步的，对于本实施方式，具体包括如下步骤：(1)将平均粒径35um的铬粉倒入3D打印机的粉末缸中；(2)在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，Cr骨架模型中预留Co丝的孔阵列倾斜15度，其余为导电相Cu的预留空间；(3)在氩气气氛下，选择选择性激光烧结技术进行耐电弧烧蚀相Cr的3D打印成型；(4)将直径0.75mm的软磁相Co放入Cr三维骨架中的孔阵列中；(5)采用熔渗技术将2um粒径的高导电相Cu粉末渗入步骤(4)形成的含有Co丝的Cr骨架中制备出含有纵向磁场分量和横向磁场分量铜铬钴复合触头材料。
进一步的，所述铜基电接触材料的原料为Cr三维骨架中含有的铬粉、高导电相Cu中含有的铜粉和软磁相中的铁或钴丝，所述铬粉、铜粉、铁/钴/镍丝的重量比为(40-60)∶(45-50)∶(2-4)；优选，所述铬粉、铜粉、铁/钴/镍丝的重量比为50∶47∶3或50∶45∶5。
本发明取得了有益的技术效果：
图1是本发明触头材料剖面图。
图2是本发明触头间距5mm时表面的磁场分布与变化曲线图。
通过本发明的方法获得的复合触头材料具有有序的磁场微结构单元，能够在起表面产生较大的磁场驱动电弧斑点运动，提高材料的分断电流能力和耐电压击穿能力。
现有的真空触头材料采用的CuCr合金是通过粉末冶金工艺生产的，其中的耐电弧烧蚀相Cr均为无序状态，无法实现在触头内部的导电电流的定向传导流动，只能通过外部设计实现磁场对真空电弧阴极斑点的有限控制。
同时由外部结构产生的磁场强度较低、加工复杂、降低了触头面的机械强度，导致开断大电流时触头会因较大的热应力引起形变和裂纹。与目前方法不同的是本发明采用基于3D打印技术制备出具有有序微结构的铜铬铁复合触头材料。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
下结合参考图1和图2，对本发明做进一步详细说明，但这些实施例，不得用于解释对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，所属触头材料的原料为铬粉、铜粉和铁丝，三种材料的重量比为50∶47∶3，如图2所制备的微结构单个单元的在分断短路电流时可以产生高达150mT的磁场，可以达到大电流分断成功所需磁场强度的要求。制备具体步骤如下：
(1)将平均粒径20um的铬粉倒入3D打印机的粉末缸中；
(2)在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，如图1所示骨架模型中预留有Fe丝的孔阵列以及导电相Cu的空间；
(3)在氩气气氛下选择选择性激光烧结技术进行耐电弧烧蚀相Cr的3D打印成型；
(4)将直径1mm的软磁相Fe放入Cr三维骨架中的孔阵列中；
(5)将步骤(4)形成的含有1mm软磁相Fe的Cr三维骨架进行烧结处理，烧结温度1260℃；
(6)在真空下采用熔渗技术将1um粒径的高导电相Cu粉末渗入步骤(4)形成的含有Fe丝的Cr骨架中制备出铜铬铁复合触头材料，熔渗温度为1100℃。
实施例2
一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，将微结构单元倾斜15度，即可在触头表面获得具有纵向磁场分量和横向磁场分量，所属触头材料的原料为铬粉、铜粉和钴丝，三种材料的重量比为50∶45∶5，制备具体步骤如下：
(1)将平均粒径50um的铬粉倒入3D打印机的粉末缸中；
(2)在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，Cr骨架模型中预留钴丝的孔阵列倾斜15度，其余为导电相Cu的预留空间；
(3)在氩气气氛下选择选择性激光烧结技术进行耐电弧烧蚀相Cr的3D打印成型；
(4)将直径0.75mm的软磁相钴放入Cr三维骨架中的孔阵列中；
(5)将步骤(4)形成的含有0.75mm软磁相Co的Cr三维骨架进行烧结处理，烧结温度1180℃；
(6)在真空下进行采用熔渗技术将2um粒径的高导电相Cu粉末渗入步骤(4)形成的含有钴丝的Cr骨架中制备出含有纵向磁场分量和横向磁场分量铜铬钴复合触头材料，熔渗温度为1200℃。
通过图1-2展示了上述实施例的触头材料剖面情况，以及触头间距5mm时表面的磁场分布与变化曲线情况，通过上述实施例的方法获得的复合触头材料具有有序的磁场微结构单元，能够在起表面产生较大的磁场驱动电弧斑点运动，提高材料的分断电流能力和耐电压击穿能力。
上述内容仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其它等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，其特征如下，所述方法包括以下步骤：
(1)建立Cr的三维骨架模型，3D打印成型；
(2)在步骤(1)得到的Cr三维骨架中置入软磁相芯结构；以及，
(3)将高导电相Cu渗入步骤(2)得到的骨架中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，在步骤(1)中，在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，采用选择性激光烧结技术进行3D打印成型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，将软磁相细丝放入步骤(1)制备的Cr三维骨架中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，将含有铁芯的Cr三维骨架进行烧结处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，将高导电相Cu通过熔渗方法渗入步骤(2)骨架中制备出可控微结构的铜铬铁触头材料。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述选择性激光烧结是在氩气或者氮气气氛下进行的。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述熔渗是在真空下进行的。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将平均粒径20-100μm的铬粉倒入3D打印机的粉末缸中；
(2)在计算机中建立耐电弧烧蚀相Cr的三维骨架模型，骨架模型中预留有芯丝的孔阵列，以及导电相Cu的空间；
(3)选择选择性激光烧结技术进行耐电弧烧蚀相Cr的3D打印成型，步骤(3)在氩气气氛下进行；
(4)将软磁相芯结构放入Cr三维骨架中的孔阵列中；
(5)将步骤(2)形成的含有铁芯丝的Cr骨架烧结处理，所述烧结温度为1100-1400℃；
(6)采用熔渗技术将高导电相Cu粉末渗入步骤(5)形成的含有芯丝的Cr骨架中制备出铜铬铁复合触头材料，所述熔渗温度为1100-1300℃，所述熔渗在真空下进行。
9.如权利要求3或6所述的方法，其特征在于，所述软磁相为铁Fe、钴Co或者镍Ni。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述软磁相的直径为0.5-2mm；所述高导电相Cu粉末的粒径为0.5-5μm。
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