CN112658243A - 一种CuW/CuCr整体触头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,包括以下步骤:S1:粉体混合:按照重量百分比为:0.1‑0.5%钴粉,0.1‑3%稀土氧化物,0.1‑0.5%镍粉,钨粉余量,原料混合后得到混合粉末;S2:放电等离子烧结骨架;S3:气体保护熔渗渗铜;S4:CuCr合金粉末喷涂,形成CuW/CuCr整体触头;S5:热处理;S6:机械加工得到成品整体触头。本发明的制备方法工艺设计合理,所制备得到的CuW/CuCr整体触头电导率、硬度及抗拉强度等性能均较优,且生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及电触头制备技术领域,具体是涉及一种CuW/CuCr整体触头的制备方法。
背景技术
电触头是高压断路器、开关柜、隔离开关、接地开关的重要部件,其性能直接影响高压电器的质量及使用寿命。
CuW触头由于综合W的高熔点、高硬度、高强度、良好的抗电弧烧蚀能力和铜良好的导电性,广泛应用于超高压、高压断路器、真空接触器、负荷开关的触头材料。
整体电触头是耐弧CuW端与导电端(CuCr1、CuCr1Zr、Cu)通过烧结、焊接的方法连接成一体的电触头元件。
目前CuW/CuCr整体触头制备方法主要有:
钎焊:此工艺容易产生气孔、夹渣等焊接缺陷。一般接头结合强度较低,触头承受载荷的能力较小,易脱落。
整体烧结熔渗法:CuW/CuCr(铬)界面处铬的富集造成界面结合强度低,生产过程中容易出现氧化、脏化等,容易产生触头的“脱落”。
真空电子束焊接:此工艺在真空条件下焊接、间歇式生产,生产成本高,效率低。电子束焊接需在CuW覆纯铜、覆铜层为铸态组织、硬度低,带覆铜层铜钨合金与导电铜端在焊缝附近会发生退火而软化,特别是动触头切割成多瓣时,有弹力不足缺陷。
摩擦焊接工艺:适用于直径小、长度较长的杆类触头的焊接。
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种制备CuW/CuCr整体触头的制备方法,此方法CuW与CuCr结合强度高,无纯铜过渡软化区域、适用于开瓣触头、杆状触头、各类复杂形状整体触头,生产效率高、材料利用率高。
发明内容
本发明解决的技术问题是现今电触头的制备方法存在一定的不足导致生产的电触头具有强度低,导电率低,易脱落的缺陷。
本发明的技术方案是,一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,包括以下步骤:
S1:粉体混合
按照重量百分比为:0.1-0.5%钴粉,0.1-3%稀土氧化物,0.1-0.5%镍粉,钨粉余量,取原料混合后得到混合粉末;
S2:放电等离子烧结骨架
将S1混合后的粉末倒入石墨模具,放入等离子烧结炉抽真空并加压,当压力达到10-50MPa后,通入脉冲直流电流并升温至1200-1300℃,保温3-5min后,随炉冷却得到钨骨架;
S3:气体保护熔渗渗铜
在钨骨架上端放等直径纯铜,纯铜通量为熔渗理论量的1.2-2倍,放入石墨坩埚中,采用连续式气氛保护在熔渗炉中熔渗,得到带覆铜层的CuW60-CuW85合金,后将覆铜层车加工,至铜层0.2-0.5mm;
S4:CuCr合金粉末喷涂
将S3得到的合金清洗干净,去掉表面油污及氧化物,将CuCr合金粉末输入冷喷涂的送粉系统,采用加热气体进行喷涂,形成CuW/CuCr整体触头;
S5:热处理
对S4得到的CuW/CuCr整体触头进行固溶、时效处理,其中,固溶处理的温度为960-980℃,时间为1-1.5h,之后进行快速水淬,时效处理的温度为450-480℃,时间为2-4.5h,后随炉冷却,固溶处理和时效处理的保护气氛为氮气;
S6:机械加工得到成品整体触头。
进一步地,钨粉的粒径为4-8um,钴粉的粒径为1-4um,镍粉的粒径为1-10um,稀土氧化物的粒径为1-10um,镍粉和钴粉活化烧结,增加致密度,粉体在放电等离子烧结的环境中,不需要加成型剂,不需要常规烧骨架工艺脱除成型剂、无成型剂残留,熔渗后电导率高,生产效率高。
进一步地,S4步骤中加热气体温度为500-900℃,CuCr合金粉末在1.0-7.0MPa高压条件下,碰撞S3得到合金的纯铜层,将CuCr合金粉末沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合,此方法CuW与CuCr结合强度高,无纯铜过渡软化区域,适用于多种整体触头。
进一步地,CuCr合金粉采用真空气雾化合金粉,其中合金粉:Cr含量0.4-1.1wt%,粒度80-400目,氧含量<100ppm,氮含量<20ppm,真空气雾化合金粉具有更好的附着能力。
进一步地,稀土氧化物为La2O3、CeO2中的一种,稀土氧化物可以增加整体触头的抗电弧烧蚀能力。
进一步地,合金清洗中去油污用弱碱Na2CO3溶液,去氧化用弱酸或草酸溶液,弱酸弱碱不会造成整体触头表面的过度腐蚀。
更进一步地,熔渗温度为1300-1400℃,时间为2-6h,保护气氛选自氢气、氮气、氩气中的一种,连续式气氛保护熔渗,生产效率高、得到合金覆0.2-0.5mm铜层,后续与CuCr结合强度高。
优选地,加热气体采用氮气、氩气中的一种,连续式气氛保护熔渗,保证了较高的生产效率。
优选地,固溶和时效处理的保护气氛为氮气,在氮气保护下,经固溶、时效工艺的CuW/CuCr整体触头CuCr端导电率、硬度得到提高。
优选地,可通过机床或加工中心对触头进行机械加工,将触头去余量后加工成开瓣触头或杆状触头,也可以是其他各类复杂形状的整体触头,此种方法生产效率高、材料利用率高。
进一步优选地,将S4步骤中的CuCr合金粉替换为CuCr1Zr粉末后,本制备方法就能够用于制备CuW/CuCrZr整体触头,可见此方法不仅局限CuW/CuCr整体触头的制备,还可用于CuW/CuCrZr整体触头。
本发明的有益效果是:
1、本发明第一步产生的钨骨架采用放电等离子烧结,粉体不需要加成型剂,不需要常规烧骨架工艺脱除成型剂、无成型剂残留,熔渗后电导率高,生产效率高;
2、本发明采用连续式气氛保护熔渗,生产效率高、得到合金覆0.2-0.5mm铜层,后续与CuCr结合强度高;
3、本发明采用加热气体进行喷涂,加热气体温度500-900℃,合金粉末在1.0-7.0MPa高压气体条件下,将CuCr合金粉沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合,形成CuW/CuCr整体触头;
4、通过本发明制备方法获得的整体触头,CuCr端导电率≥80%IACS,硬度≥110HB,CuW与CuCr抗拉强度≥230MPa。
具体实施方式
实施例1
一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,包括以下步骤:
S1:粉体混合
按照重量百分比为:0.1%钴粉,0.1%La2O3粉,0.1%镍粉,钨粉余量;取原料混合后得到混合粉末;钨粉的粒径为4um,钴粉的粒径为1um,镍粉的粒径为1um,稀土氧化物的粒径为1um;
S2:放电等离子烧结骨架
将S1混合后的粉末倒入石墨模具,放入等离子烧结炉抽真空并加压,当压力达到10MPa后,通入脉冲直流电流并升温至1200℃,保温3min后,随炉冷却得到钨骨架,控制钨骨架的密度8g/cm3;
S3:气体保护熔渗渗铜:在钨骨架上端放等直径纯铜,纯铜通量为熔渗理论量的1.2倍,放入石墨坩埚中,采用连续式气氛保护在熔渗炉中熔渗,得到带覆铜层的CuW60-CuW85合金,后将覆铜层车加工,至铜层0.2mm,其中,熔渗温度为1300℃,时间为2h,气氛为氢气;
S4:CuCr合金粉末喷涂:将S3得到的合金清洗干净,去掉表面油污、氧化等异物,其中,去油污用弱碱Na2CO3溶液,去氧化用草酸溶液,将CuCr合金粉末输入冷喷涂的送粉系统,采用加热气体进行喷涂,加热气体温度为500℃,CuCr合金粉末在1.0MPa高压条件下,碰撞S3得到合金的纯铜层,将CuCr合金粉末沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合,形成CuW/CuCr整体触头,其中,CuCr合金粉采用真空气雾化合金粉,其中合金粉:Cr含量0.4wt%,粒度80目,氧含量为80ppm,氮含量为15ppm;
S5:热处理:对S4得到的CuW/CuCr整体触头进行固溶、时效处理,其中,固溶处理的温度为960℃,时间为1h,之后进行快速水淬,时效处理的温度为450℃,时间为2h,后随炉冷却,在固溶处理和时效处理的过程中,保护气氛为氮气;
S6:机械加工得到成品整体触头:通过机床对触头进行机械加工,将触头去余量后加工成开瓣触头。
对通过实施例1的制备方法得到的CuW/CuCr整体触头进行性能检测,检测所得的性能为:CuCr端导电率=81%IACS,硬度=115HB,CuW与CuCr抗拉强度=238MPa。
实施例2
一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,包括以下步骤:
S1:粉体混合
按照重量百分比为:0.25%钴粉,1.5%La2O3粉,0.25%镍粉,钨粉余量;取原料混合后得到混合粉末;钨粉的粒径为6um,钴粉的粒径为2.5um,镍粉的粒径为6um,稀土氧化物的粒径为5.5um;
S2:放电等离子烧结骨架
将S1混合后的粉末倒入石墨模具,放入等离子烧结炉抽真空并加压,当压力达到30MPa后,通入脉冲直流电流并升温至1250℃,保温4min后,随炉冷却得到钨骨架,控制钨骨架的密度10.5/cm3;
S3:气体保护熔渗渗铜:在钨骨架上端放等直径纯铜,纯铜通量为熔渗理论量的1.6倍,放入石墨坩埚中,采用连续式气氛保护在熔渗炉中熔渗,得到带覆铜层的CuW60-CuW85合金,后将覆铜层车加工,至铜层0.35mm,其中,熔渗温度为1350℃,时间为4h,气氛为氮气;
S4:CuCr合金粉末喷涂:将S3得到的合金清洗干净,去掉表面油污、氧化等异物,其中,去油污用弱碱Na2CO3溶液,去氧化用草酸溶液,将CuCr合金粉末输入冷喷涂的送粉系统,采用加热气体进行喷涂,加热气体温度为700℃,CuCr合金粉末在4.0MPa高压条件下,碰撞S3得到合金的纯铜层,将CuCr合金粉末沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合,形成CuW/CuCr整体触头,其中,CuCr合金粉采用真空气雾化合金粉,其中合金粉:Cr含量0.7wt%,粒度260目,氧含量为50ppm,氮含量为10ppm;
S5:热处理:对S4得到的CuW/CuCr整体触头进行固溶、时效处理,其中,固溶处理的温度为970℃,时间为1.25h,之后进行快速水淬,时效处理的温度为465℃,时间为3h,后随炉冷却,在固溶处理和时效处理的过程中,保护气氛为氮气;
S6:机械加工得到成品整体触头:通过机床对触头进行机械加工,将触头去余量后加工成杆状触头。
对通过实施例2的制备方法得到的CuW/CuCr整体触头进行性能检测,检测所得的性能为:CuCr端导电率=83%IACS,硬度=127HB,CuW与CuCr抗拉强度=249MPa。
实施例3
一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,包括以下步骤:
S1:粉体混合
按照重量百分比为:0.5%钴粉,3%CeO2粉,0.5%镍粉,钨粉余量;取原料混合后得到混合粉末;钨粉的粒径为8um,钴粉的粒径为4um,镍粉的粒径为10um,稀土氧化物的粒径为10um;
S2:放电等离子烧结骨架
将S1混合后的粉末倒入石墨模具,放入等离子烧结炉抽真空并加压,当压力达到50MPa后,通入脉冲直流电流并升温至1300℃,保温5min后,随炉冷却得到钨骨架,控制钨骨架的密度13g/cm3;
S3:气体保护熔渗渗铜:在钨骨架上端放等直径纯铜,纯铜通量为熔渗理论量的2倍,放入石墨坩埚中,采用连续式气氛保护在熔渗炉中熔渗,得到带覆铜层的CuW60-CuW85合金,后将覆铜层车加工,至铜层0.5mm,其中,熔渗温度为1400℃,时间为6h,气氛为氩气;
S4:CuCr合金粉末喷涂:将S3得到的合金清洗干净,去掉表面油污、氧化等异物,其中,去油污用弱碱Na2CO3溶液,去氧化用草酸溶液,将CuCr合金粉末输入冷喷涂的送粉系统,采用加热气体进行喷涂,加热气体温度为900℃,CuCr合金粉末在7.0MPa高压条件下,碰撞S3得到合金的纯铜层,将CuCr合金粉末沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合,形成CuW/CuCr整体触头,其中,CuCr合金粉采用真空气雾化合金粉,其中合金粉:Cr含量1.1wt%,粒度400目,氧含量为30ppm,氮含量为5ppm;
S5:热处理:对S4得到的CuW/CuCr整体触头进行固溶、时效处理,其中,固溶处理的温度为980℃,时间为1.5h,之后进行快速水淬,时效处理的温度为480℃,时间为4.5h,后随炉冷却,在固溶处理和时效处理的过程中,保护气氛为氮气;
S6:机械加工得到成品整体触头:通过机床对触头进行机械加工,将触头去余量后加工成开瓣触头。
对通过实施例3的制备方法得到的CuW/CuCr整体触头进行性能检测,检测所得的性能为:CuCr端导电率=85%IACS,硬度=141HB,CuW与CuCr抗拉强度=267MPa。
实施例4
实施例4与实施例2不同之处在于,将所述CuCr合金粉替换为CuCr1Zr合金粉,其余均相同,即可制备得到CuW/CuCrZr整体触头。
对通过实施例4的制备方法得到的CuW/CuCrZr整体触头进行性能检测,检测所得的性能为:CuCrZr端导电率=88%IACS,硬度=145HB,CuW与CuCrZr抗拉强度=256MPa。
Claims (9)
1.一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:粉体混合
按照重量百分比为:0.1-0.5%钴粉,0.1-3%稀土氧化物,0.1-0.5%镍粉,钨粉余量;取原料混合后得到混合粉末;
S2:放电等离子烧结骨架
将S1混合后的粉末倒入石墨模具,放入等离子烧结炉抽真空并加压,当压力达到10-50MPa后,通入脉冲直流电流并升温至1200-1300℃,保温3-5min后,随炉冷却得到钨骨架,钨骨架的密度为8-13g/cm3;
S3:气体保护熔渗渗铜
在钨骨架上端放等直径纯铜,纯铜通量为熔渗理论量的1.2-2倍,放入石墨坩埚中,采用连续式气氛保护在熔渗炉中熔渗,得到带覆铜层的CuW60-CuW85合金,后将覆铜层车加工,至铜层0.2-0.5mm;
S4:CuCr合金粉末喷涂
将S3得到的合金清洗干净,去掉表面油污及氧化物,将CuCr合金粉末输入冷喷涂的送粉系统,采用加热气体进行喷涂,形成CuW/CuCr整体触头;
S5:热处理
对S4得到的CuW/CuCr整体触头进行固溶、时效处理,其中,固溶处理的温度为960-980℃,时间为1-1.5h,之后进行快速水淬,时效处理的温度为450-480℃,时间为2-4.5h,后随炉冷却,固溶处理和时效处理的保护气氛为氮气;
S6:机械加工得到成品整体触头。
2.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,所述钨粉的粒径为4-8um,所述钴粉的粒径为1-4um,所述镍粉的粒径为1-10um,所述稀土氧化物的粒径为1-10um。
3.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,S4步骤中加热气体温度为500-900℃,CuCr合金粉末在1.0-7.0MPa高压条件下,碰撞S3得到合金的纯铜层,将CuCr合金粉末沉积在CuW合金上,CuCr与CuW之间形成冶金结合。
4.根据权利要求3所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,所述CuCr合金粉采用真空气雾化合金粉,其中合金粉:Cr含量0.4-1.1wt%,粒度80-400目,氧含量<100ppm,氮含量<20ppm。
5.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,所述熔渗温度为1300-1400℃,时间为2-6h,保护气氛选自氢气、氮气、氩气中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中合金清洗时,去油污用弱碱Na2CO3溶液,去氧化用弱酸或草酸溶液。
7.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,所述加热气体采用氮气、氩气中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,可通过机床或加工中心对触头进行机械加工,将触头去余量后加工成开瓣触头或杆状触头。
9.根据权利要求1所述的一种CuW/CuCr整体触头的制备方法,其特征在于,将S4步骤中的所述CuCr合金粉替换为CuCr1Zr合金粉后,即可制备得到CuW/CuCrZr整体触头。
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