CN114171334A - 一种复合触头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于触头制备技术领域，涉及一种复合触头的制备方法，包括以下步骤：利用粉末冶金工艺，将触点材料预压后得到触点预压块，将触点预压块置于触头组件模具内，并在所述触头组件模具内填充触头基材材料，预压后得到触头预压块，将触头预压块放在粉末冶金设备中压制、烧结，制备触头组件并组装形成复合触头；所述触点材料包括铜铬合金粉和强化颗粒，强化颗粒是Cr2Nb、Al2O3和WCu粉末的一种。通过将动、静触头相接触的区域替换为具有抗烧蚀和耐腐蚀的铜铬合金基弥散增强材料而使得该区域的抗烧蚀和耐腐蚀性能提高50％以上。
Description
技术领域
本发明属于触头制备技术领域，涉及一种复合触头的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
高压隔离开关在电路中起隔离作用，用来分、合无负荷状态电路。分离状态能够安全隔离检修设备和转换电器，闭合状态应能可靠的通过额定电流，是高压开关电器中使用最多的一种电器。受到设备质量、运行环境的影响，隔离开关在运行过程中频繁出现触头发热现象，甚至导致触头烧毁，严重威胁到电力设备安全和电网的稳定运行。
高压隔离开关的触头一般采用动、静触头配合并承担接通或开断电路及负载电流的作用，其性能直接影响着开关电器的使用寿命。动、静触头之间带负荷拉开时，由于触头两端的高电压将两触头间的介质击穿形成电弧，使滑动触头和固定触头表面产生烧蚀，经过多次烧蚀后，触头容易烧损失效，同时触头在使用过程中的变形、腐蚀和磨损也是触头烧蚀的重要因素。为了提高触头的抗烧蚀性能和使用寿命，研究人员研究了高强度、抗烧蚀和耐腐蚀材料，通过将触头整体材料替换为高强度、耐腐蚀和抗烧蚀触头材料，虽然能够减少触头的烧蚀故障，但是会导致触头导电性显著下降，无法在高压和特高压线路中应用。纯铜是一种应用广泛的高导电触头材料基，但是存在强度低、不耐腐蚀和抗烧蚀性能差问题。因此兼具抗烧蚀、高强度、耐腐蚀及高导电性的触头能够应用在更多的输电线路中。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种复合触头的制备方法，通过将动、静触头相接触的区域替换为具有抗烧蚀和耐腐蚀的铜铬合金基弥散增强材料而使得该区域的抗烧蚀和耐腐蚀性能提高50％以上。
具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
在本发明的第一方面，一种复合触头的制备方法，包括以下步骤：
利用粉末冶金工艺，将触点材料预压后得到触点预压块，将触点预压块置于触头组件模具内，并在所述触头组件模具内填充基材材料，预压后得到触头预压块，将触头预压块放在粉末冶金设备中压制、烧结，触头预压块的触点材料被烧结成触点，基材材料被烧结成基材，制备出包含触点和基材的触头组件并组装形成复合触头；所述触点材料包括铜铬合金粉和强化颗粒，强化颗粒是Cr2Nb、Al2O3和WCu粉末的一种，基材材料使用铜铬锆合金粉。
在本发明的第二方面，一种复合触头，采用任一所述的制备方法得到。
本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
(1)对于具体的实施方式，通过将动、静触头相接触的区域替换为具有抗烧蚀和耐腐蚀的铜铬合金基弥散增强材料而使得该区域的抗烧蚀和耐腐蚀性能提高50％以上，作为触头的主体材料，触头基材材料采用高强度高导电的铜铬锆合金材料，能够保障触头的整体电导率不低于60％IACS，抗拉强度不低于350MPa。与传统的纯铜触头相比，局部耐烧蚀和耐腐蚀的复合触头能够减少因起弧烧蚀造成触头损毁进而引发电路故障的概率，延长触头的使用寿命，在此基础上触头保持了高导电和高强度的特性，能够显著增加触头的应用范围。
(2)选用粉末冶金法相较于传统的铸造和压力成形方法，更适合复合触头的制造，满足局部结构的强化和性能控制需求，制备效率较高，能够实现大批量制造，满足局部结构强化复合触头工业化需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为实施例1中制造的复合触头的结构示意图；
图2为实施例1制造的复合触头中动触头组件的结构示意图；
图3为图2中A部的放大图；
图4为实施例1制造的复合触头中静触头组件的结构示意图；
1、动触头；2、静触头；3、连接件；4、触点；5、基材；6、强化颗粒；7、铜铬合金。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
目前，通过将触头整体材料替换为高强度、耐腐蚀和抗烧蚀触头材料，虽然能够减少触头的烧蚀故障，但是，会导致触头导电性显著下降，无法在高压和特高压线路中应用。纯铜触头材料基，但是存在强度低、不耐腐蚀和抗烧蚀性能差问题。为此，本发明提供了一种复合触头的制备方法。
在本发明的一种或多种实施例中，一种复合触头的制备方法，包括以下步骤：
利用粉末冶金工艺，将触点材料预压后得到触点预压块，将触点预压块置于触头组件模具内，并在所述触头组件模具内填充基材材料，预压后得到触头预压块，将触头预压块放在粉末冶金设备中压制、烧结，触头预压块的触点材料被烧结成触点，基材材料被烧结成基材，制备出包含触点和基材的触头组件并组装形成复合触头；所述触点材料包括铜铬合金粉和强化颗粒，强化颗粒是Cr2Nb、Al2O3和WCu粉末的一种，基材材料使用铜铬锆合金粉。
进一步地，所述触头组件包括动触头组件和静触头组件。通过粉末冶金和局部强化工艺，在保证触头高导电性能基础上对动、静触头的接触区域(触点)进行抗烧蚀强化，提高了动触头和静触头的使用寿命。而且触点与基材之间无需使用焊料进行焊接，保证了复合触头优异的导电、导热性及抗烧蚀性。此外，在厚度方向上，包含强化颗粒的触点与不包含强化颗粒的基材构成了复合材料，从而使得传热热阻随整体强化颗粒含量的降低而减小，传热性能优于传统的整体包含强化颗粒的触头。
在一些实施方式中，复合触头为滑动触头或固定触头。需要说明的是，当复合触头为滑动触头时，在整个滑动过程中，动触头组件和静触头组件接触的区域始终有触点。当复合触头为固定触头时，所述动触头组件与静触头组件相接触的部位均为平面结构，所述触点紧密贴合于平面结构上。通过将动、静触头组件的接触面均设为平面结构可以增加导电面积，且能够避免杂质进入互相接触的部位，从而降低接触电阻并缓解其表面腐蚀。
进一步地，每个所述触头组件上触点的厚度为0.2mm～2mm。将触点的厚度控制在所述范围内既可以保证触点具有优异的耐磨性和强度，又不会因为厚度过厚而导致复合触头的导电性下降。
在一些实施方式中，所述动触头组件之间及所述静触头组件之间均可通过连接件组装形成动触头和静触头。所述连接件可以为螺母或螺栓，为了保证复合触头的导电性，所述连接件的材质为金属铜。
在一些实施方式中，静触头组件的触点，即静触头组件与动触头组件相接触的部位为平面结构，所述触点材料位于所述平面结构上。通过将该部位设为平面结构能够增大导电面积。
在一些实施方式中，动触头组件的触点，即动触头组件与静触头组件接触的部位为弧状结构，所述触点材料的形状同样为弧状，并紧密贴合于动触头组件的弧状结构上。
在一些实施方式中，形成所述触头材料的方法包括将铜铬合金粉与强化颗粒混合预压成型。其中，混合所用的方法可以为常用的任意一种固体混合方法，包括但不限于干研磨、球磨干法、球磨湿法、三维混合法。优选为球磨干法。
将铜铬合金粉和强化颗粒球磨后能够优化强化颗粒的形态，进而可以改善触点材料的硬度和耐磨性。
进一步地，形成所述触点预压块和触头预压块预压成型所采用的压力为200MPa～500MPa。
进一步地，所述触点材料中所述强化颗粒的质量百分含量为3％～15％，其余为铜铬合金粉；所述铜铬合金粉中铬元素质量百分含量0.6-1.5％，所述触头基材材料中铜铬锆合金粉中铬元素质量百分含量0.2-0.5％，锆元素质量百分含量0.01-0.03％。
进一步地，所述铜铬合金粉、铜铬锆合金粉和强化颗粒的粒径为0.2μm～200μm；或，为1-180μm；优选的，为1-50μm；还可以为1μm、5μm、10μm、20μm、50μm、70μm、100μm、130μm、150μm、180μm等。
进一步地，所述压制所采用的压力为2MPa～5MPa；或，所述烧结的温度为750℃～1000℃；优选的，为850-950℃。烧结的时间为20min～60min。烧结的氛围为非氧化气氛，所述非氧化气氛可以为氮气气氛、氩气气氛、氦气气氛等。
在本发明的一种或多种实施例中，一种复合触头，采用任一所述的制备方法得到。
在一些实施方式中，预压成型所采用的仪器可以为本领域常用的压力成型仪器，例如可以为冷等静压试验机，其中所述压力可以为200MPa～500MPa。
在一些实施方式中，触点材料中强化颗粒的质量百分含量为3％～15％，还可以为5％、8％、10％、12％等。
在一些实施方式中，所用模具本身具有压制作用，从而可以确保在烧结过程中可以持续压制。
在一些实施方式中，所用模具的材质可以为本领域常用的任意一种，例如可以为碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等。所述碳素工具钢包括但不限于T10A、T12A，所述合金工具钢包括但不限于GCr15、Cr12、Cr12Mo、Cr12W、Cr12MoV、9CrSi、CrWMn、CrW5等，所述高速钢包括但不限于W18Cr4V、W9Cr4V、W12Cr4V4Mo等，所述硬质合金包括但不限于刚结硬质合金、YG15、YG8等。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例制得的复合触头的结构如图1～4所示。具体步骤如下：
1)将粒径为3μm的铜铬合金粉与0.2μm Cr2Nb粉末混合，其中Cr2Nb粉末的质量百分含量为3％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在500MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的触点预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆合金粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在5MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。如图1所示，动触头组件21共有2个，通过连接件4连接形成动触头2，静触头组件31共有6个，也通过连接件4形成静触头3。
如图2和图3所示，位于动触头组件21上的第一触点11的形状为弧状，且通过压制与动触头组件21的基材之间紧密贴合为统一整体。
如图4所示，位于静触头组件31上的第二触点12的形状为矩形，且通过压制与静触头组件31的基材之间紧密贴合为统一整体。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的耐腐蚀性和导电性能优异，抗烧蚀性能和耐磨性能良好，适合对导电性能要求极高的输送电线路。
实施例2
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：Cr2Nb粉末的质量百分含量为9％。具体步骤如下：
1)将粒径为15μm的铜铬合金粉与10μmCr2Nb粉末混合，其中Cr2Nb粉末的质量百分含量为9％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在350MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的触点预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆合金粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在3.5MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的耐腐蚀性能优异，抗烧蚀性能、耐磨性能和导电性能较好，适合对导电性能要求较高的输送电线路。
实施例3
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：Cr2Nb粉末的质量百分含量为15％。具体步骤如下：
1)将粒径为30μm的铜铬合金粉与20μmCr2Nb粉末混合，其中Cr2Nb粉末的质量百分含量为15％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在200MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在2MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的导电性能一般，耐磨性能较好，耐腐蚀性能和抗烧蚀性能优异，适合对导电性能要求一般的输送电线路。
实施例4
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：强化颗粒的种类为WC和Al2O3中的一种，质量百分含量为3％。具体步骤如下：
1)将粒径为15μm的铜铬合金粉与10μm强化颗粒混合，其中强化颗粒的质量百分含量为3％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在350MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的触点预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆合金粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在3.5MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的抗腐蚀性和导电性能优异，耐磨性能较好，抗烧蚀性能一般，适合对导电性能要求极高和开关开合较频繁的输送电线路。
实施例5
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：强化颗粒的种类为WC和Al2O3中的一种，质量百分含量为9％。具体步骤如下：
1)将粒径为15μm的铜铬合金粉与10μm强化颗粒混合，其中强化颗粒的质量百分含量为9％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在350MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的触点预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆合金粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在3.5MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的导电性能较好，耐磨性能、耐腐蚀性能和耐磨性能优异，适合对导电性能要求较高和开关开合很频繁的输送电线路。
实施例6
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：强化颗粒的种类为WC和Al2O3中的一种，质量百分含量为15％。具体步骤如下：
1)将粒径为15μm的铜铬合金粉与10μm强化颗粒混合，其中强化颗粒的质量百分含量为15％。将混合后的粉末置于球磨机中进行球磨混合后在350MPa下预压成型得到触点预压块；
2)将上述预压成型后的触点预压块置于具有压制功能的触头组件模具内，填充铜铬锆合金粉压制成型，并将触头组件模具置于粉末冶金真空炉中，在3.5MPa、900℃下烧结30min，触点材料被烧结成触点1，基材材料被烧结成基材，制备出动触头组件21和静触头组件31，并将其进行组装后形成复合触头。所述触点1包括位于所述动触头组件21上的第一触点11和位于所述静触头组件31上的第二触点12。
经测试发现，通过以上方法制备的复合触头的导电性能一般，耐磨性能、耐蚀性能和抗烧蚀性能优异，适合对导电性能要求一般、触头磨损快和开关开合很频繁的输送电线路。
对比例1：
与实施例1的区别在于：所述触头材料为Cu-Cr2Nb合金时，触头的耐蚀性差、耐磨性一般，所述3D打印技术成形方法制备过程复杂、成本高和生产效率低。
对比例2：
与实施例1的区别在于：采用Cu-CuCr合金制备复合触头，产品抗烧蚀性差，整体强度和耐磨性虽得到一定提高，但是效果不明显。
对比例3：
与实施例1的区别在于：采用传统的轧制和冲压方法制备纯铜触头，产品导电性极高，但是产品耐腐蚀性、耐磨性和抗烧蚀性均较差。
将实施例1-6和对比例3的产品进行材料理化性能测试，结果如下表所示，其中实施例1-6的抗烧蚀性能和耐磨性能以对比例3作为对比材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合触头的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
利用粉末冶金工艺，将触点材料预压后得到触点预压块，将触点预压块置于触头组件模具内，并在所述触头组件模具内填充基材材料，预压后得到触头预压块，将触头预压块放在粉末冶金设备中压制、烧结，触头预压块的触点材料被烧结成触点，基材材料被烧结成基材，制备出包含触点和基材的触头组件并组装形成复合触头；所述触点材料包括铜铬合金粉和强化颗粒，强化颗粒是Cr2Nb、Al2O3和WCu粉末的一种，基材材料使用铜铬锆合金粉。
2.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，所述触头组件包括动触头组件和静触头组件；或，所述复合触头为滑动触头或固定触头。
3.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，每个所述触头组件上触点的厚度为0.2mm～2mm。
4.如权利要求2所述的复合触头的制备方法，其特征是，所述动触头组件之间及所述静触头组件之间均可通过连接件组装形成动触头和静触头。
5.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，形成所述触头材料的方法包括将铜铬合金粉与强化颗粒混合预压成型；或，形成所述触点预压块和触头预压块预压成型所采用的压力为200MPa～500MPa。
6.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，所述触点材料中所述强化颗粒的质量百分含量为3％～15％，其余为铜铬合金粉；所述铜铬合金粉中铬元素质量百分含量0.6-1.5％，所述触头基材材料中铜铬锆合金粉中铬元素质量百分含量0.2-0.5％，锆元素质量百分含量0.01-0.03％。
7.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，所述铜铬合金粉、铜铬锆合金粉和强化颗粒的粒径为0.2μm～200μm；或，为1-180μm；优选的，为1-50μm。
8.如权利要求1所述的复合触头的制备方法，其特征是，所述压制所采用的压力为2MPa～5MPa；或，所述烧结的温度为750℃～1000℃；优选的，为850-950μm。
9.一种复合触头，其特征是，采用权利要求1-8任一所述的制备方法得到。
10.如权利要求9所述的一种复合触头，其特征是，所述复合触头为滑动触头或固定触头。
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