CN112692305A - 一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，包括以下步骤：1）将雾化Cu粉、Cr粉混合球磨，得到CuCr混合粉；2）将黄铜板材切割成留有加工余量的单片并固定在基板上；3）采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件；4）线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr复合触头；5）将CuCr复合触头用真空气氛炉热处理并保温3‑6h。本发明制备得到的CuCr复合触头具有复合界面细密无孔洞、组织晶超细化、加工周期短、可批量生产、成品率高、热处理工艺简单、触头形状可定制等优点。

Description

一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法
技术领域
本发明属于金属粉末制造制品技术领域，具体是涉及一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法。
背景技术
铜基触头具有很好的应用市场，但是随着5G时代的来临，低成本、多样化的产品需求已经成为当代共识；而目前降低成本的方式有两种，一种是复合材料的开发：将触头作支撑的部分使用廉价材料代替；一种是开发新技术：开发出工序更少性能更优的工艺。
现有技术中专利CN111636061A公布了一种批量式激光熔覆生产CuCr复合触头的方法，该专利是将所需材料粉末熔覆在铜基表面，成品是机加坯料，达到了一定的成本节约效果，但是没有3D打印加工方式的材料利用率高，另外熔覆的生产方式不能支持复杂产品订制；
专利CN109261961A公布了一种基于3D打印技术制备铜基电接触材料的制备方法，具体做法是先3D打印Cr骨架，然后熔渗铜形成铜铬产品，效果是提高材料的分断电流能力和耐电压击穿能力，没有铜基复合3D打印的降成本效果和混粉直接打印的Cr颗粒弥散特性。
以上两个专利在设计上都对目前现有的铜合金生产方式进行了工艺优化或者成本优化，但是成本降低或者工艺优化效果有限。如专利CN111636061A进行铜板复合熔覆，缩短了加工周期，降低了材料成本，但是机加成本未降低；专利CN109261961A打印Cr骨架后熔渗成产品，降低了加工成本，没有节约材料成本。
根据以往触头使用正常情况下残余量报废统计：触头的利用率基本在厚度方向上的1/3-1/2，也就是在使用一半左右的时候触头就会因为粘结或者簧片失效报废。这样触头的无效成本太大，如果将剩余未使用部分使用铜片代替，不仅能很大程度节约制造成本，剩余的铜甚至还可以回炉再利用。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，主要包括以下步骤：
1）混粉
按照50-90wt/%雾化Cu粉、10-50wt/%Cr粉的质量百分比称取原料，将球磨机用纯度99.9%的氩气反复洗气，将称量好的雾化Cu粉和Cr粉在氩气氛围下装入球磨机中，球料比为1:3-5，然后抽球磨机中真空至0.05-0.1Pa，再充入氢气使球磨机中真空至0.5-0.7MPa，开始球磨，球磨时间2-8h，得到CuCr混合粉；
2）板材加工
准备基板和黄铜板材，将黄铜板材根据基板尺寸切割成留有1/10-1/8加工余量的单片备用，用黏胶将切割后的黄铜板材固定在基板上；
3）3D打印
将步骤2）中固定有黄铜板材的基板用螺栓固定在打印区域，将步骤1）中CuCr混合粉装填至3D打印机中，向3D打印机中持续充入纯度99.9%的氩气作为保护气体进行正压保护，采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件；
4）余量加工
用脱胶剂从基板上将黄铜板材拆下，线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr复合触头；
5）热处理
将步骤4）中CuCr复合触头用真空气氛炉600-800℃热处理3-6小时。
优选地，所述雾化Cu粉的粉末粒度为25-55μm，Cr粉的粉末粒度为20-50μm，且雾化Cu粉和Cr粉的粉体球形度均为80-99.9%。
进一步地，所述雾化铜粉为水雾化铜粉，且水雾化铜粉表面经过抗氧化处理，抗氧化处理的具体步骤为：将苯骈三氮唑以质量比1:5-8溶解于质量浓度为75%的乙醇中得到抗氧化溶液，将密封保存的水雾化铜粉浸入抗氧化溶液中进行表面抗氧化处理，处理时间3-5h，处理后清洗干燥，即得到具有抗氧化表面的水雾化铜粉，对雾化铜粉表面进行抗氧化处理可以避免雾化铜粉在使用过程中氧化，造成CuCr复合触头性能降低。
进一步地，所述CuCr混合粉粒径为10-55μm，且CuCr混合粉的氧含量≤600ppm、氮含量≤400ppm。
进一步地，所述黄铜板材切割后需浸泡在铜材脱脂稀释液中以除去表面油脂，清洗后冷风风干，用1000#砂纸打磨黄铜板材表面及边缘至光滑，再固定在基板上，除去黄铜板材表面油脂并打磨可以使CuCr混合粉牢固打印在黄铜板材上。
优选地，所述黏胶为环氧树脂与乙二胺以质量比100:3-4混合而成。
进一步地，所述SLM 3D打印技术的具体步骤为：将CuCr复合触头的3D模型数据导入3D打印机中，先在黄铜板材上铺设一层厚度为0.02-0.08mm的CuCr混合粉，然后3D打印机的打印激光器根据CuCr复合触头的3D模型数据在铺设的CuCr混合粉上进行照射，照射区域内的CuCr混合粉在激光照射下熔化并在打印激光器移走后快速冷却凝固，单层打印结束后间隔3-5s，再铺设一层CuCr混合粉，重复上述步骤进行3D打印，得到复合触头零件，这种技术加工的CuCr复合触头因为Cr颗粒细小弥散、硬度较高，具有很好的耐腐蚀性和极好的导热性，还有良好的开端能力，因此可适用于开关装置、变压器等电工材料领域。
更进一步地，在每次铺粉打印前，对装填至3D打印机的CuCr混合粉进行100-200℃预热，预热时间3-5s，预热可以优化CuCr混合粉导热性能，利于激光照射熔化。
进一步地，3D打印机的激光光斑直径为0.04-0.06mm，打印功率为200-500W，扫描速度为500-1200mm/s。
进一步地，持续充入保护气体的进气量为30-50CFM，正压保护可以避免外界杂气进入3D打印机中。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，将CuCr混合粉直接打印在黄铜板材表面，符合“无效触头部分用廉价材料代替，节约原材料”的降低成本方式，并且3D打印直接是粉末成型成品，只保留极少的余量机加工，达到了缩短加工周期的效果，可以同时进行多个产品的打印，机械化操作，可复制性强、精度高、适合批量生产；且制备得到的CuCr复合触头弥散性好、硬度较高，具有极好的导电、导热、耐腐蚀性及易开断等特点，因此可适用于开关装置、变压器等电工材料领域。本发明制备得到的CuCr复合触头具有复合界面细密无孔洞、组织晶超细化、加工周期短、可批量生产、成品率高、热处理工艺简单、触头形状可定制等优点。
附图说明
图1是本发明制备CuCr复合触头表面50倍放大图；
图2是本发明制备CuCr复合触头表面100倍放大图。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-2和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
实施例1：
一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，主要包括以下步骤：
1）混粉
按照90wt/%雾化Cu粉、10wt/%Cr粉的质量百分比称取原料，雾化Cu粉的粉末粒度为55μm，Cr粉的粉末粒度为50μm，且雾化Cu粉和Cr粉的粉体球形度均为80%，将球磨机用纯度99.9%的氩气反复洗气，将称量好的雾化Cu粉和Cr粉在氩气氛围下装入球磨机中，球料比为1:3，然后抽球磨机中真空至0.1Pa，再充入氢气使球磨机中真空至0.7MPa，开始球磨，球磨时间2h，得到CuCr混合粉，CuCr混合粉粒径为55μm，且CuCr混合粉的氧含量为600ppm、氮含量为400ppm；
2）板材加工
准备基板和黄铜板材，将黄铜板材根据基板尺寸切割成留有1/8加工余量的单片备用，用黏胶将切割后的黄铜板材固定在基板上，黏胶为环氧树脂与乙二胺以质量比100:4混合而成；
3）3D打印
将步骤2）中固定有黄铜板材的基板用螺栓固定在打印区域，将步骤1）中CuCr混合粉装填至3D打印机中，向3D打印机中持续充入纯度99.9%的氩气作为保护气体进行正压保护，充入保护气体的进气量为30CFM，采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件，3D打印机的激光光斑直径为0.04mm，打印功率为200W，扫描速度为500mm/s，SLM 3D打印技术的具体步骤为：将CuCr复合触头的3D模型数据导入3D打印机中，先在黄铜板材上铺设一层厚度为0.08mm的CuCr混合粉，然后3D打印机的打印激光器根据CuCr复合触头的3D模型数据在铺设的CuCr混合粉上进行照射，照射区域内的CuCr混合粉在激光照射下熔化并在打印激光器移走后快速冷却凝固，单层打印结束后间隔5s，再铺设一层CuCr混合粉，重复上述步骤进行3D打印，得到复合触头零件；
4）余量加工
用脱胶剂从基板上将黄铜板材拆下，线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr10复合触头；
5）热处理
将步骤4）中CuCr10复合触头用真空气氛炉600℃热处理3小时。
实施例2：
一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，主要包括以下步骤：
1）混粉
按照70wt/%雾化Cu粉、30wt/%Cr粉的质量百分比称取原料，雾化Cu粉的粉末粒度为40μm，Cr粉的粉末粒度为35μm，且雾化Cu粉和Cr粉的粉体球形度均为90%，将球磨机用纯度99.9%的氩气反复洗气，将称量好的雾化Cu粉和Cr粉在氩气氛围下装入球磨机中，球料比为1:4，然后抽球磨机中真空至0.07Pa，再充入氢气使球磨机中真空至0.6MPa，开始球磨，球磨时间5h，得到CuCr混合粉，CuCr混合粉粒径为35μm，且CuCr混合粉的氧含量为400ppm、氮含量为300ppm；
2）板材加工
准备基板和黄铜板材，将黄铜板材根据基板尺寸切割成留有1/9加工余量的单片备用，用黏胶将切割后的黄铜板材固定在基板上，黏胶为环氧树脂与乙二胺以质量比100:3混合而成；
3）3D打印
将步骤2）中固定有黄铜板材的基板用螺栓固定在打印区域，将步骤1）中CuCr混合粉装填至3D打印机中，向3D打印机中持续充入纯度99.9%的氩气作为保护气体进行正压保护，充入保护气体的进气量为40CFM，采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件，3D打印机的激光光斑直径为0.06mm，打印功率为300W，扫描速度为1200mm/s，SLM 3D打印技术的具体步骤为：将CuCr复合触头的3D模型数据导入3D打印机中，先在黄铜板材上铺设一层厚度为0.05mm的CuCr混合粉，然后3D打印机的打印激光器根据CuCr复合触头的3D模型数据在铺设的CuCr混合粉上进行照射，照射区域内的CuCr混合粉在激光照射下熔化并在打印激光器移走后快速冷却凝固，单层打印结束后间隔4s，再铺设一层CuCr混合粉，重复上述步骤进行3D打印，得到复合触头零件；
4）余量加工
用脱胶剂从基板上将黄铜板材拆下，线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr30复合触头；
5）热处理
将步骤4）中CuCr30复合触头用真空气氛炉700℃热处理5小时。
实施例3：
一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，主要包括以下步骤：
1）混粉
按照50wt/%雾化Cu粉、50wt/%Cr粉的质量百分比称取原料，雾化Cu粉的粉末粒度为25μm，Cr粉的粉末粒度为20μm，且雾化Cu粉和Cr粉的粉体球形度均为99.9%，将球磨机用纯度99.9%的氩气反复洗气，将称量好的雾化Cu粉和Cr粉在氩气氛围下装入球磨机中，球料比为1:5，然后抽球磨机中真空至0.05Pa，再充入氢气使球磨机中真空至0.5MPa，开始球磨，球磨时间8h，得到CuCr混合粉，CuCr混合粉粒径为10μm，且CuCr混合粉的氧含量为200ppm、氮含量为200ppm；
2）板材加工
准备基板和黄铜板材，将黄铜板材根据基板尺寸切割成留有1/10加工余量的单片备用，用黏胶将切割后的黄铜板材固定在基板上，黏胶为环氧树脂与乙二胺以质量比100:3混合而成；
3）3D打印
将步骤2）中固定有黄铜板材的基板用螺栓固定在打印区域，将步骤1）中CuCr混合粉装填至3D打印机中，向3D打印机中持续充入纯度99.9%的氩气作为保护气体进行正压保护，充入保护气体的进气量为50CFM，采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件，3D打印机的激光光斑直径为0.05mm，打印功率为400W，扫描速度为800mm/s，SLM 3D打印技术的具体步骤为：将CuCr复合触头的3D模型数据导入3D打印机中，先在黄铜板材上铺设一层厚度为0.02mm的CuCr混合粉，然后3D打印机的打印激光器根据CuCr复合触头的3D模型数据在铺设的CuCr混合粉上进行照射，照射区域内的CuCr混合粉在激光照射下熔化并在打印激光器移走后快速冷却凝固，单层打印结束后间隔3s，再铺设一层CuCr混合粉，重复上述步骤进行3D打印，得到复合触头零件；
4）余量加工
用脱胶剂从基板上将黄铜板材拆下，线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr50复合触头；
5）热处理
将步骤4）中CuCr50复合触头用真空气氛炉800℃热处理3小时。
实施例4：
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
步骤1）中取用的雾化铜粉为水雾化铜粉，且水雾化铜粉表面经过抗氧化处理，抗氧化处理的具体步骤为：将苯骈三氮唑以质量比1:5溶解于质量浓度为75%的乙醇中得到抗氧化溶液，将密封保存的水雾化铜粉浸入抗氧化溶液中进行表面抗氧化处理，水雾化铜粉与苯骈三氮唑质量比为1:5，处理时间3h，处理后清洗干燥，即得到具有抗氧化表面的水雾化铜粉。
实施例5：
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
步骤1）中取用的雾化铜粉为水雾化铜粉，且水雾化铜粉表面经过抗氧化处理，抗氧化处理的具体步骤为：将苯骈三氮唑以质量比1:6溶解于质量浓度为75%的乙醇中得到抗氧化溶液，将密封保存的水雾化铜粉浸入抗氧化溶液中进行表面抗氧化处理，水雾化铜粉与苯骈三氮唑质量比为1:4，处理时间5h，处理后清洗干燥，即得到具有抗氧化表面的水雾化铜粉。
实施例6：
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
步骤1）中取用的雾化铜粉为水雾化铜粉，且水雾化铜粉表面经过抗氧化处理，抗氧化处理的具体步骤为：将苯骈三氮唑以质量比1:8溶解于质量浓度为75%的乙醇中得到抗氧化溶液，将密封保存的水雾化铜粉浸入抗氧化溶液中进行表面抗氧化处理，水雾化铜粉与苯骈三氮唑质量比为1:3，处理时间4h，处理后清洗干燥，即得到具有抗氧化表面的水雾化铜粉。
实施例7：
本实施例与实施例5基本相同，不同之处在于：
步骤2）中，黄铜板材切割后需浸泡在铜材脱脂稀释液中以除去表面油脂，清洗后冷风风干，用1000#砂纸打磨黄铜板材表面及边缘至光滑，再固定在基板上。
实施例8：
本实施例与实施例7基本相同，不同之处在于：
步骤3）中，在每次铺粉打印前，对装填至3D打印机的CuCr混合粉进行100℃预热，预热时间5。
实施例9：
本实施例与实施例7基本相同，不同之处在于：
步骤3）中，在每次铺粉打印前，对装填至3D打印机的CuCr混合粉进行150℃预热，预热时间4s。
实施例10：
本实施例与实施例7基本相同，不同之处在于：
步骤3）中，在每次铺粉打印前，对装填至3D打印机的CuCr混合粉进行200℃预热，预热时间3s。
实验例：研究CuCr复合触头的相关性能
对实施例1-10分别制备得到的CuCr复合触头进行性能检测，检测结果如表1所示：
表1 实施例1-10制备的CuCr复合触头性能参数对比表
组别 热处理前硬度/HB 热处理前导电率/IACS 热处理温度/℃ 热处理后硬度/HB 热处理后导电率/IACS
实施例1 130 40 600 110 90
实施例2 183 36 700 142 70
实施例3 191 28 800 150 68
实施例4 196 27 800 153 68
实施例5 207 29 800 158 69
实施例6 203 28 800 156 68
实施例7 208 30 800 159 68
实施例8 212 29 800 168 69
实施例9 217 29 800 175 69
实施例10 220 30 800 180 70
结论：实施例1-10制备出来的CuCr复合触头的硬度可以达到130HB以上，导电率可以达到70IACS以上，优于现有产品，并且，其中实施例10制备得到的CuCr复合触头热处理前硬度最高，实施例1制备得到的CuCr复合触头热处理前导电率最高，实施例10制备得到的CuCr复合触头热处理后硬度最高，实施例1制备得到的CuCr复合触头热处理后导电率最高，但是实施例1-实施例10制备得到的CuCr复合触头在热处理后硬度均有不同程度的下降，这是因为热处理后CuCr复合触头金相中Cr颗粒细小弥散，分布均匀，硬度和导电率可根据使用需求进行选择调整，适用范围广。

Claims (10)

1.一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1）混粉
按照50-90wt/%雾化Cu粉、10-50wt/%Cr粉的质量百分比称取原料，将球磨机用纯度99.9%的氩气反复洗气，将称量好的雾化Cu粉和Cr粉在氩气氛围下装入球磨机中，球料比为1:3-5，然后抽球磨机中真空至0.05-0.1Pa，再充入氢气使球磨机中真空至0.5-0.7MPa，开始球磨，球磨时间2-8h，得到CuCr混合粉；
2）板材加工
准备基板和黄铜板材，将黄铜板材根据基板尺寸切割成留有1/10-1/8加工余量的单片备用，用黏胶将切割后的黄铜板材固定在基板上；
3）3D打印
将步骤2）中固定有黄铜板材的基板用螺栓固定在打印区域，将步骤1）中CuCr混合粉装填至3D打印机中，向3D打印机中持续充入纯度99.9%的氩气作为保护气体进行正压保护，采用SLM 3D打印技术将CuCr混合粉在黄铜板材上打印成复合触头零件；
4）余量加工
用脱胶剂从基板上将黄铜板材拆下，线切割走刀取下打印好的复合触头零件，机器加工去除打印余量，得到CuCr复合触头；
5）热处理
将步骤4）中CuCr复合触头用真空气氛炉600-800℃热处理3-6小时。
2.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述雾化Cu粉的粉末粒度为25-55μm，Cr粉的粉末粒度为20-50μm，且雾化Cu粉和Cr粉的粉体球形度均为80-99.9%。
3.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述雾化铜粉为水雾化铜粉，且水雾化铜粉表面经过抗氧化处理，抗氧化处理的具体步骤为：将苯骈三氮唑以质量比1:5-8溶解于质量浓度为75%的乙醇中得到抗氧化溶液，将密封保存的水雾化铜粉浸入抗氧化溶液中进行表面抗氧化处理，水雾化铜粉与苯骈三氮唑质量比为1:3-5，处理时间3-5h，处理后清洗干燥，即得到具有抗氧化表面的水雾化铜粉。
4.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述CuCr混合粉粒径为10-55μm，且CuCr混合粉的氧含量≤600ppm、氮含量≤400ppm。
5.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述黄铜板材切割后需浸泡在铜材脱脂稀释液中以除去表面油脂，清洗后冷风风干，用1000#砂纸打磨黄铜板材表面及边缘至光滑，再固定在基板上。
6.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述黏胶为环氧树脂与乙二胺以质量比100:3-4混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，所述SLM 3D打印技术的具体步骤为：将CuCr复合触头的3D模型数据导入3D打印机中，先在黄铜板材上铺设一层厚度为0.02-0.08mm的CuCr混合粉，然后3D打印机的打印激光器根据CuCr复合触头的3D模型数据在铺设的CuCr混合粉上进行照射，照射区域内的CuCr混合粉在激光照射下熔化并在打印激光器移走后快速冷却凝固，单层打印结束后间隔3-5s，再铺设一层CuCr混合粉，重复上述步骤进行3D打印，得到复合触头零件。
8.根据权利要求7所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，在每次铺粉打印前，对装填至3D打印机的CuCr混合粉进行100-200℃预热，预热时间3-5s。
9.根据权利要求7所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，3D打印机的激光光斑直径为0.04-0.06mm，打印功率为200-500W，扫描速度为500-1200mm/s。
10.根据权利要求1所述的一种批量式3D打印CuCr复合触头的制备方法，其特征在于，持续充入保护气体的进气量为30-50CFM。
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