CN110444414B - 铜基铬二铌电触头材料及其制备方法，铜基电触头和空气型高压隔离开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜基铬二铌电触头材料，包括纯铜层以及形成在所述纯铜层上的复合层，所述复合层包括依次层叠设置的多层Cu‑Cr2Nb合金层，每层所述Cu‑Cr2Nb合金层包括不同质量百分含量的Cu和Cr2Nb，且所述Cu和Cr2Nb的质量百分含量在厚度方向上呈梯度分布，从所述纯铜层往上，每层所述Cu‑Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次增加。
Description
技术领域
本发明涉及电触头复合材料制备技术领域，特别是涉及一种铜基铬二铌电触头材料及其制备方法，铜基电触头和空气型高压隔离开关。
背景技术
高压开关电触头主要承担着接通、分断电路及负载电流的作用，其性能直接影响着开关电器的安全可靠运行，良好的电触头应具有高导热性、高抗烧蚀、低截流值、稳定而低的接触电阻，化学性质稳定等特性，目前应用较多的为铜基与银基电触头，随着技术的不断发展，替代材料被广泛研究，在真空开关电触头领域往往为铜基复合材料，尤其是以铜铬合金为主。对于空气中运行的高压隔离开关，触头工作在空气中而且热流密度更集中，对触头材料抗烧蚀性能和导热性能提出了更高要求。由于Cr2Nb的高温抗氧化性、抗烧蚀性、硬度和熔点高、抗腐蚀等特点，Cu-Cr2Nb触头材料体系与其制备方法得到深入研究。但是Cu-Cr2Nb作为电触头，与纯铜的导电基底连接时，一方面由于Cr2Nb复合材料层与纯铜基底成分差异较大，两者之间的连接部位由于接触电阻大容易发热、热变形，长期使用会导致电触头与导电基底之间的连接处出现脱皮，导致电触头的松动或脱落。另一方面为了使电触头与导电基底之间的连接更牢固，通常会采用焊料进行焊接，但是焊料的加入会影响电触头与导电基底之间的导热和导电性能。
发明内容
基于此，有必要提供一种铜基铬二铌电触头材料及其制备方法、铜基电触头和空气型高压隔离开关。
本发明提供一种铜基铬二铌电触头材料，包括纯铜层以及形成在所述纯铜层上的复合层，所述复合层包括依次层叠设置的多层Cu-Cr2Nb合金层，每层所述Cu-Cr2Nb合金层包括不同质量百分含量的Cu和Cr2Nb，且所述Cu和Cr2Nb的质量百分含量呈梯度分布，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次增加。
在其中一个实施例中，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次均匀增加。
在其中一个实施例中，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量增加1％至10％。
在其中一个实施例中，所述Cr2Nb的质量百分含量由0％依次递增，最高含量优选为5％至30％。
在其中一个实施例中，所述复合层包括2层至30层所述Cu-Cr2Nb合金层。
在其中一个实施例中，所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度相同或不同，每层所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度为0.1mm至0.2mm。
在其中一个实施例中，所述复合层的厚度为6mm至12mm。
本发明还提供一种根据所述的铜基铬二铌电触头材料的制备方法，包括：
提供多种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉的混合粉体，依次将每种重量配比的所述Cu粉、Cr粉、Nb粉的混合粉体通过3D打印技术打印成型，得到所述复合层，其中，所述复合层以Cr粉和Nb粉总含量从低到高呈梯度分层打印形成在纯铜基板上。
在其中一个实施例中，通过3D打印技术将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉打印成型的步骤包括：
将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉按比例混合得到混合粉体；
将所述混合粉体倒入3D打印机中的粉体缸中；
在计算机中建立打印模型，选择电子束烧结成型技术在真空环境中进行3D打印成型。
在其中一个实施例中，所述电子束烧结成型技术的功率为300W至500W，扫描速度为300mm/s至900mm/s，扫描间距为0.08mm至0.2mm，分层厚度为0.1mm至0.2mm。
在其中一个实施例中，所述真空环境压力为10-3Pa至10-2Pa。
本发明进一步提供一种由所述的铜基铬二铌电触头材料或由所述的制备方法得到的铜基铬二铌电触头材料制备的铜基电触头。
更进一步地，本发明提供一种空气型高压隔离开关，包括所述的铜基电触头。
本发明实施例提供的铜基铬二铌电触头材料中，Cu和Cr2Nb的含量呈梯度分布，由富Cr2Nb层逐步过渡到富Cu层，各层之间成分差异较小，热弹性模量差异小，因此材料的热形变小，不易引起脱皮等热缺陷，以该材料形成的电触头与导电基底之间的结合更牢固，可有效防止电触头松动或脱落的问题，同时，电触头与导电基底之间可不使用焊料直接焊接，保证了铜基铬二铌电触头材料优异的导热、导电和抗烧蚀性能。此外，该铜基铬二铌电触头材料在保证其作为触头材料的高硬度、高熔点、抗烧蚀、抗腐蚀等性质的同时，由于厚度方向上Cr2Nb含量呈梯度分布，在该方向上随Cr2Nb含量的递减其传热热阻逐渐变小，传热性能较一般的电触头复合材料更强。
附图说明
图1为本发明一实施例的铜基铬二铌电触头材料示意图；
图2为本发明另一实施例的铜基铬二铌电触头材料示意图；
图3为本发明实施例的电子束烧结成型装置的结构示意图。
附图标号如下：
成型缸11，
第一升降台12，
Cu-Cr2Nb合金层13，
粉体缸21，
第二升降台22，
混合粉体23，
铺粉装置3，
电子束4，
电子束发生器及扫描系统5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种铜基铬二铌电触头材料，包括纯铜层以及形成在所述纯铜层上的复合层，所述复合层包括依次层叠设置的多层Cu-Cr2Nb合金层，每层所述Cu-Cr2Nb合金层包括不同质量百分含量的Cu和Cr2Nb，且所述Cu和Cr2Nb的质量百分含量呈梯度分布，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次增加。
本发明实施例提供的铜基铬二铌电触头材料中，Cu和Cr2Nb的含量呈梯度分布，由富Cr2Nb层逐步过渡到富Cu层，各层之间成分差异较小，热弹性模量差异小，因此材料的热形变小，不易引起脱皮等热缺陷，以该材料形成的电触头与导电基底之间的结合更牢固，可有效防止电触头松动或脱落的问题，同时，电触头与导电基底之间可不使用焊料直接焊接，保证了铜基铬二铌电触头材料优异的导热、导电和抗烧蚀性能。此外，该铜基铬二铌电触头材料在保证其作为触头材料的高硬度、高熔点、抗烧蚀、抗腐蚀等性质的同时，由于厚度方向上Cr2Nb含量呈梯度分布，在该方向上随Cr2Nb含量的递减其传热热阻逐渐变小，传热性能较一般的电触头复合材料更强。
在一实施例中，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次均匀增加，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量增加的幅度相同。在一实施例中，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量增加1％至10％。
所述Cr2Nb的质量百分含量由0％依次递增，最高含量优选为5％-30％。从所述纯铜层往上，最上层的所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量优选为5％-30％。
所述复合层包括2层至30层所述Cu-Cr2Nb合金层。
在一实施例中，所述复合层包括4层所述Cu-Cr2Nb合金层，以所述纯铜层为最底层，顶层含量为30％，所述复合层从下至上依次为第一梯度层、第二梯度层、第三梯度层、第四梯度层，以质量百分含量记，
第一梯度层中包括95％至100％Cu和0％至5％的Cr2Nb，
第二梯度层包括90％至95％Cu和5％至10％的Cr2Nb，
第三梯度层包括80％至90％Cu和10％至20％的Cr2Nb，
第四梯度层包括70％至80％Cu和20％至30％的Cr2Nb。
在另一实施例中，所述复合层包括6层所述Cu-Cr2Nb合金层，以所述纯铜层为最底层，顶层含量为30％，所述复合层从下至上依次为第一梯度层、第二梯度层、第三梯度层、第四梯度层，以质量百分含量记，
第一梯度层中包括95％至100％Cu和0％至5％的Cr2Nb，
第二梯度层中包括90％至95％Cu和5％至10％的Cr2Nb，
第三梯度层中包括85％至90％Cu和10％至15％的Cr2Nb，
第四梯度层中包括80％至85％Cu和15％至20％的Cr2Nb，
第五梯度层中包括75％至80％Cu和20％至25％的Cr2Nb，
第六梯度层中包括70％至75％Cu和25％至30％的Cr2Nb。
在一实施例中，所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度相同或不同，每层所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度为0.1mm至0.2mm。
在一实施例中，所述复合层的厚度为6mm至12mm。
本发明实施例还提供一种所述的铜基铬二铌电触头材料的制备方法，其特征在于，包括：
提供多种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉，依次将每种重量配比的所述Cu粉、Cr粉、Nb粉通过3D打印技术打印成型，得到所述复合层，其中，所述复合层以Cr粉和Nb粉总含量从低到高呈梯度分层打印形成在纯铜基板上。
本发明实施例提供的铜基铬二铌电触头材料的制备方法，采用3D打印技术将多种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉制备得到Cu和Cr2Nb的质量百分含量呈梯度分布的铜基铬二铌电触头材料，各层之间可以不使用焊料进行焊接，而且每层的厚度可以做到更薄，并且由富Cr2Nb层到富Cu层过渡更平缓，层与层之间结合更好，使得沿厚度方向的热阻更小，传热性更好。
在一实施例中，通过3D打印技术将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉打印成型的步骤包括：
S10，将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉按比例混合得到混合粉体；
S20，将所述混合粉体倒入3D打印机中的粉体缸中；
S30，在计算机中建立打印模型，选择电子束烧结成型技术在真空环境中进行3D打印成型。
所述电子束烧结成型技术的功率为300W至500W，扫描速度为300mm/s至900mm/s，扫描间距为0.08mm至0.2mm，分层厚度为0.1mm至0.2mm。
采用电子束烧结成型技术，采用高功率密度、高粉床温度、低成形应力，真空环境下烧结，可保证铜基铬二铌电触头材料的高导热、导电性能和抗烧蚀性能。
可选的，步骤S10中，所述Cu粉、Cr粉、Nb粉在三维混合机中进行充分混合，混合时间可以为3小时至5小时。
步骤S30，形成所述真空环境的方法可以为，通过真空泵对所述3D打印机抽真空使之后的所述电子束烧结步骤处于真空环境中，所述真空环境压力为10-3Pa至10-2Pa。
所述的铜基铬二铌电触头材料的制备方法，还包括步骤S40，当前一层所述Cu-Cr2Nb合金层打印成型后，放入下一层所需的混合粉体，抽真空，重复进行步骤S30的打印操作，按照Cr粉和Nb粉总含量从低到高的顺序依次进行打印。
当各层均打印完成后，将成型的电触头材料进行机加工塑性，得到需要的铜基电触头材料。
步骤S30中，还包括对所述纯铜基板进行预热，预热时间为20分钟到60分钟。所述纯铜基板的厚度为0.5mm至20mm。
步骤S30所述电子束烧结步骤采用电子束烧结成型装置进行操作，请参阅图3，本发明所用的电子束烧结成型装置包括成型缸11、第一升降台12、粉体缸21、第二升降台22，铺粉装置3、电子束4、电子束发生器及扫描系统5，第一升降台12置于成型缸11内，第二升降台21置于粉体缸21内，成型缸11和粉体缸21高度相同且相邻并排设置，电子束4与电子束发生器及扫描系统5连接并置于成型缸11上方。使用时，将混合粉体23(即Cu粉、Cr粉、Nb粉的混合粉体)放入粉体缸21中，混合粉体23置于第二升降台22上，通过第二升降台22将混合粉体23送至粉体缸21的端口，同时铺粉装置3将混合粉体23送至成型缸11，并在第一升降台12上铺平形成薄层，形成薄层后的混合粉体23在电子束4的轰击下烧结熔化形成Cu-Cr2Nb合金层13，当前一层Cu-Cr2Nb合金层13形成后，第一升降台12下降，第二升降台22上升重复上述操作形成后一层Cu-Cr2Nb合金层13，最终在成型缸11内形成铜基铬二铌电触头材料，合金层的厚度由第一升降台12下降和第二升降台22上升控制。铺粉装置3可以为辊轴或刮片。电子束4与电子束发生器及扫描系统5连接，所述电子束烧结成型技术的功率、扫描速度、扫描间距均由电子束发生器及扫描系统5控制。
所述Cu粉纯度大于等于99.9％，所述Cr粉纯度大于等于99.95％，所述Nb粉纯度大于等于99.9％。所述Cu粉、Cr粉、Nb粉的粉体粒径均小于50μm。
本发明实施例还提供一种所述的铜基铬二铌电触头材料或由所述的制备方法得到的铜基铬二铌电触头材料制备的铜基电触头。
所述铜基电触头的制备方法，可以为直接将所述铜基铬二铌电触头材料焊接到导电基底上或者直接以导电基底作为基板采用所述的铜基铬二铌电触头材料的制备方法将所述铜基铬二铌电触头材料打印形成在所述导电基底上。
本发明实施例进一步提供一种空气型高压隔离开关，包括所述的铜基电触头。
实施例1
S00，提供4种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉，以质量百分含量记，分别为：70％Cu粉、15.84％Cr粉和14.16％Nb粉，80％Cu粉、10.56％Cr粉和9.44％Nb粉，90％Cu粉、5.28％Cr粉和4.72％Nb粉，95％Cu粉、2.64％Cr粉和2.36％Nb粉。Cu粉、Cr粉、Nb粉的纯度均大于等于99.95％，粒径均小于50μm。
S10，分别将4种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉在三维混粉机中充分混合3小时，得到4种混合粉体。
S20，将0.05mm厚的纯铜作为基板置于第一升降台12，然后将95％Cu粉、2.64％Cr粉和2.36％Nb粉重量配比的混合粉体放入3D打印机的粉体缸21中，混合粉体置于第二升降台22上。
S30，在计算机中建立打印模型，设置电子束烧结成型技术功率为300W，扫描速度为400，扫描间距为0.08mm，分层厚度为0.1mm；对3D打印机进行抽真空处理，使得真空环境压力为10-3Pa至10-2Pa，并对纯铜基板进行预热20min，开启电子束烧结成型装置进行烧结打印，在纯铜基板上打印形成一层合金层，打印完成后，清理粉末回收重复利用。
S40，将90％Cu粉、5.28％Cr粉和4.72％Nb粉混合粉体放入粉体缸21内，重复步骤S30，直至形成完1～4层Cu-Cr2Nb合金层，得到所需的铜基铬二铌电触头材料，其结构如图1所示，从纯铜基板往上，各个合金层中Cr2Nb的含量分别为5％、10％、20％和30％。
实施例2
S00，提供6种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉，以质量百分含量记，分别为：70％Cu粉、15.84％Cr粉和14.16％Nb粉，75％Cu粉、13.2％Cr粉和11.8％Nb粉，80％Cu粉、10.56％Cr粉和9.44％Nb粉，85％Cu粉、7.92％Cr粉和7.08％Nb粉，90％Cu粉、5.28％Cr粉和4.72％Nb粉，95％Cu粉、2.64％Cr粉和2.36％Nb粉。Cu粉、Cr粉、Nb粉的纯度均大于等于99.95％，粒径均小于50μm。
S10，分别将6种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉在三维混粉机中充分混合3小时，得到6种混合粉体。
S20，将0.05mm厚的纯铜基板作为基板置于第一升降台12，然后将95％Cu粉、2.64％Cr粉和2.36％Nb粉重量配比的混合粉体放入3D打印机的粉体缸21中，混合粉体置于第二升降台22上。
S30，在计算机中建立打印模型，设置电子束烧结成型技术功率为300W，扫描速度为400，扫描间距为0.08mm，分层厚度为0.1mm；对3D打印机进行抽真空处理，使得真空环境压力为10-3Pa至10-2Pa，并对纯铜基板进行预热20min，开启电子束烧结成型装置进行烧结打印，在纯铜基板上打印形成一层合金层，打印完成后，清理粉末回收重复利用。
S40，将90％Cu粉、5.28％Cr粉和4.72％Nb粉混合粉体放入粉体缸21内，重复步骤S30，直至形成完1～6层Cu-Cr2Nb合金层，得到所需的铜基铬二铌电触头材料，其结构如图2所示，从纯铜基板往上，各个合金层中Cr2Nb的含量分别为5％、10％、15％、20％、25％和30％。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种Cu-Cr2Nb电触头复合材料，其特征在于，包括纯铜层以及形成在所述纯铜层上的复合层，所述复合层包括依次层叠设置的多层Cu-Cr2Nb合金层，每层所述Cu-Cr2Nb合金层包括不同质量百分含量的Cu和Cr2Nb，且所述Cu和Cr2Nb的质量百分含量呈梯度分布，从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次增加；
从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量依次均匀增加, 每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb重量百分含量增加的幅度相同，且从所述纯铜层往上，每层所述Cu-Cr2Nb合金层中Cr2Nb质量百分含量增加1%至10%。
2.根据权利要求1所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料，其特征在于，所述Cr2Nb的质量百分含量由0%依次递增，最高含量为5%至30%。
3.根据权利要求1所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料，其特征在于，所述复合层包括2层至30层所述Cu-Cr2Nb合金层。
4.根据权利要求1所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料，其特征在于，所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度相同或不同，每层所述Cu-Cr2Nb合金层的厚度为0.1 mm 至0.2mm。
5.一种根据权利要求1~4任一项所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
提供多种不同重量配比的Cu粉、Cr粉、Nb粉的混合粉体，依次将每种重量配比的所述Cu粉、Cr粉、Nb粉的混合粉体通过3D打印技术打印成型，得到所述复合层，其中，所述复合层以Cr粉和Nb粉总含量从低到高呈梯度分层打印形成在纯铜基板上。
6.根据权利要求5所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料的制备方法，其特征在于，通过3D打印技术将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉打印成型的步骤包括：
将所述Cu粉、Cr粉、Nb粉按比例混合得到混合粉体；
将所述混合粉体倒入3D打印机中的粉体缸中；
在计算机中建立打印模型，选择电子束烧结成型技术在真空环境中进行3D打印成型；
所述电子束烧结成型技术的功率为300W至500W，扫描速度为300mm/s至900mm/s，扫描间距为0.08mm至0.2mm，分层厚度为0.1mm至0.2mm。
7.一种由权利要求1~4任一项所述的Cu-Cr2Nb电触头复合材料或由权利要求5~6任一项所述的制备方法得到的Cu-Cr2Nb电触头复合材料制备的铜基电触头。
8.一种空气型高压隔离开关，其特征在于，包括权利要求7所述的铜基电触头。
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