CN115094358B - 一种电触头材料表面纳米化处理方法及其装置 - Google Patents

一种电触头材料表面纳米化处理方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电触头材料表面纳米化处理方法及其装置，所述方法包括以下步骤：(1)将待处理的电触头的表面进行打磨，然后依次置于丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，再将清洗后的电触头进行干燥处理；(2)将经过步骤(1)预处理后的电触头固定于密封腔内的滚轴上，开始对密封腔内进行抽真空处理；(3)密封腔内真空度达到要求后，开启转动电机和振动电机，通过振动电机带动钢球对转动电机带动步骤(2)中滚轴上的电触头进行不停地轰击，即得表面纳米化的电触头材料。本发明表面纳米化处理方法使电触头材料的晶粒尺寸达到纳米化，提升了电触头的电导率、导热率、良好的耐磨性等性能。

Description

一种电触头材料表面纳米化处理方法及其装置
技术领域
本发明属于电触头材料表面处理技术领域，具体涉及一种电触头材料表面纳米化处理方法及其装置。
背景技术
随着科学技术的飞速发展及电器产品的更新换代，电接触元件在电力系统和通信系统的作用日益突出。电接触元件是电器开关、仪器仪表的核心部件之一，在电路中起着接通、承载和分断电路电流等作用。电触头是开关电器中通过机械动作对电路进行接触、分断和连接载流的电接触元件。电触头在开闭过程中产生的现象极为复杂，一般要求其具有高电导率、高导热率、良好的耐磨性、耐蚀性、低而稳定的接触电阻等特性。
在低压和中、高压应用中，电弧作用对电触头的侵蚀起主要作用，电弧是气体放电的一种形式，在动态接触中很常见，会带来电触头表面的熔化、汽化、喷溅等侵蚀。电弧侵蚀是电触头材料损耗的主要形式，是限制各类电器开关工作寿命和可靠性的关键因素。有研究者发现，通过将电触头材料的晶粒细化不仅能改善电触头的各项性能指标，而且还可以解决电触头材料耐电压与截流等性能之间此消彼长的矛盾。因此，降低电触头材料的晶粒尺寸使其纳米化成为提升电触头性能的重要途径之一。
目前，电子束表面处理技术是将高能量密度的电子束轰击到金属表面，并采用高速扫描的方式，使电子束能量均匀地分布于金属表面。电子束表面处理技术在机械制造业中得到很好的应用，如在燃气轮机叶片上、模具上以及各种工具进行表面强化，达到提高其耐热、耐蚀、耐磨等性能。脉冲电子束通过将材料快速加热使材料的表面达到熔化温度后再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率抑制晶粒长大可以在材料表面获得纳米晶体组织。但是脉冲电子束这种表面处理技术由于需要将电触头材料在经历急速高温与冷却的过程，可能容易导致电触头发生破裂损坏，缩短其使用寿命。因此，为了解决上述问题，研究一种使电触头材料表面获得纳米晶体组织，同时还能够保证电触头材料内部的晶体组织和性能不改变的表面处理方法是目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种一种电触头材料表面纳米化处理方法。该表面纳米化处理方法通过对电触头材料表面进行高频高速、无特定方向的重复轰击，使材料表面的粗晶组织在外加载荷的作用下，在不同方向上产生强烈塑性变形并逐渐细化至纳米量级，从而提升了电触头材料的表面性能。
本发明的目的之二是提供一种电触头材料表面纳米化处理装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的电触头的表面进行打磨，然后依次置于丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，再将清洗后的电触头进行干燥处理；
(2)将经过步骤(1)预处理后的电触头固定于密封腔内的滚轴上，开始对密封腔内进行抽真空处理；
(3)密封腔内真空度达到要求后，开启转动电机和振动电机，通过振动电机带动钢球对转动电机带动步骤(2)中滚轴上的电触头进行不停地轰击，即得表面纳米化的电触头材料。
进一步的，所述电触头材料为铜基材料或铝基材料。
进一步的，所述步骤(1)中电触头在丙醇和无水乙醇中超声清洗的时间均为5-10min；
进一步的，所述步骤(2)中滚轴的另一端与密封腔体外的转动电机连接，所述密封腔体内的下部设置若干个直径为0.5-2mm的钢球，所述钢球下部连接有振动电机的振动托盘。
进一步的，所述步骤(3)中密封腔内的真空度为1-10mbar。
进一步的，所述步骤(3)中振动电机的振动频率为50-100HZ；所述转动电机的转动频率为20-500r/min。
进一步的，所述步骤(3)中轰击的时间为5-120min。
进一步的，所述步骤(3)中得到的表面纳米化的电触头材料的晶粒尺寸为20-200nm；所述电触头表面纳米晶层的厚度为50-100μm。
进一步的，一种电触头材料表面纳米化处理装置，所述装置包括密封腔，所述密封腔一端设置有滚轴，所述滚轴的一端连接与电触头，另一端连接有转动电机，所述密封腔的上部设置有进气口和抽气口，所述抽气口的一端连接有真空泵，所述密封腔内的下部设置有钢球，所述钢球下部连接有振动托盘，所述振动托盘的下方连接有振动电机。
与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果在于：
(1)本发明采用钢球对电触头材料表面进行高频高速、无特定方向的重复轰击，使电触头材料面的粗晶组织在外加载荷的作用下，在不同方向上产生强烈塑性变形并逐渐细化至纳米量级的晶体的表面纳米化处理方法，该表面纳米化处理方法使电触头材料的晶粒尺寸达到纳米化，从而提升了电触头的电导率、导热率、良好的耐磨性等性能。
(2)本发明的方法简单，易操作，环保无污染，能显著提升电触头材料的表面性能，而且表面纳米化处理装置投资少，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明电触头材料表面纳米化处理装置的结构示意图；
其中，图中各标号代表的名称分别如下：
1、密封腔；2、滚轴；3、转动电机；4、进气口；5、抽气口；6、真空泵；7、钢球；8、振动托盘；9、振动电机；10、电触头。
具体实施方式
下面通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种铜基电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的铜基电触头的表面使用#500砂纸打磨平整，然后将打磨平整后的铜基电触头依次置于丙酮和无水乙醇中各进行超声清洗5min，最后将超声清洗后的铜基电触头使用风机进行干燥处理；
(2)将步骤(1)干燥处理后的铜基电触头固定于密封腔内的滚轴一端上，开始对密封腔内进行抽真空处理；滚轴的另一端连接密封腔外的转动电机，密封腔内的下部设置若干个直径为0.5mm的钢球，钢球下部连接有振动托盘，振动托盘的下方连接有振动电机；
(3)密封腔内真空度达到1mbar后，开始开启转动电机和振动电机，转动电机带动滚轴另一端连接的铜基电触头转动，转动电机的频率为50r/min，振动电机带动振动托盘上的钢球振动，振动电机的振动频率为50HZ，铜基电触头在不停地转动过程中与不断振动的钢球进行随机、无固定方向的轰击，轰击5min，即得表面纳米化的电触头材料。钢球在对电触头轰击的过程中，轰击接触到的只是电触头的表层，电触头材料最表层因为钢球的不断轰击后，其晶粒被打碎变小为纳米晶，因此电触头最表层的材料晶粒尺寸最小，随着电触头由最表层向内的厚度不断增加，电触头表面材料晶粒尺寸也会随之增加，而且随着钢球轰击电触头的频率和轰击时间的不同也会影响电触头表面材料晶粒尺寸的大小，本实施例中所得的表面纳米化的铜基电触头纳米晶材料的晶粒尺寸为200nm，其纳米晶层厚度为50μm。
实施例2
一种铝基电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的铝基电触头的表面使用#500砂纸打磨平整，然后将打磨平整后的铝基电触头依次置于丙酮和无水乙醇中各进行超声清洗8min，最后将超声清洗后的铝基电触头使用风机进行干燥处理；
(2)将步骤(1)干燥处理后的铝基电触头固定于密封腔内的滚轴一端上，开始对密封腔内进行抽真空处理；滚轴的另一端连接密封腔外的转动电机，密封腔内的下部设置若干个直径为1mm的钢球，钢球下部连接有振动托盘，振动托盘的下方连接有振动电机；
(3)密封腔内真空度达到3mbar后，开始开启转动电机和振动电机，转动电机带动滚轴另一端连接的铝基电触头转动，转动电机的频率为100r/min，振动电机带动振动托盘上的钢球振动，振动电机的振动频率为70HZ，铝基电触头在不停地转动过程中与不断振动的钢球进行随机、无固定方向的轰击，轰击30min，即得表面纳米化的电触头材料。本实施例中所得的表面纳米化的铜基电触头纳米晶材料的晶粒尺寸为100nm，其纳米晶层厚度为70μm。
实施例3
一种铝基电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的铝基电触头的表面使用#500砂纸打磨平整，然后将打磨平整后的铝基电触头依次置于丙酮和无水乙醇中各进行超声清洗9min，最后将超声清洗后的铝基电触头使用风机进行干燥处理；
(2)将步骤(1)干燥处理后的铝基电触头固定于密封腔内的滚轴一端上，开始对密封腔内进行抽真空处理；滚轴的另一端连接密封腔外的转动电机，密封腔内的下部设置若干个直径为1.5mm的钢球，钢球下部连接有振动托盘，振动托盘的下方连接有振动电机；
(3)密封腔内真空度达到5mbar后，开始开启转动电机和振动电机，转动电机带动滚轴另一端连接的铜基电触头转动，转动电机的频率为200r/min，振动电机带动振动托盘上的钢球振动，振动电机的振动频率为80HZ，铝基电触头在不停地转动过程中与不断振动的钢球进行随机、无固定方向的轰击，轰击50min，即得表面纳米化的电触头材料。本实施例中所得的表面纳米化的铜基电触头纳米晶材料的晶粒尺寸为80nm，其纳米晶层厚度为80μm。
实施例4
一种铜基电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的铜基电触头的表面使用#500砂纸打磨平整，然后将打磨平整后的铜基电触头依次置于丙酮和无水乙醇中各进行超声清洗10min，最后将超声清洗后的铜基电触头使用风机进行干燥处理；
(2)将步骤(1)干燥处理后的铜基电触头固定于密封腔内的滚轴一端上，开始对密封腔内进行抽真空处理；滚轴的另一端连接密封腔外的转动电机，密封腔内的下部设置若干个直径为2mm的钢球，钢球下部连接有振动托盘，振动托盘的下方连接有振动电机；
(3)密封腔内真空度达到7mbar后，开始开启转动电机和振动电机，转动电机带动滚轴另一端连接的铜基电触头转动，转动电机的频率为300r/min，振动电机带动振动托盘上的钢球振动，振动电机的振动频率为90HZ，铜基电触头在不停地转动过程中与不断振动的钢球进行随机、无固定方向的轰击，轰击80min，即得表面纳米化的电触头材料。本实施例中所得的表面纳米化的铜基电触头纳米晶材料的晶粒尺寸为50nm，其纳米晶层厚度为90μm。
实施例5
一种铜基电触头材料表面纳米化处理方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的铜基电触头的表面使用#500砂纸打磨平整，然后将打磨平整后的铜基电触头依次置于丙酮和无水乙醇中各进行超声清洗10min，最后将超声清洗后的铜基电触头使用风机进行干燥处理；
(2)将步骤(1)干燥处理后的铜基电触头固定于密封腔内的滚轴一端上，开始对密封腔内进行抽真空处理；滚轴的另一端连接密封腔外的转动电机，密封腔内的下部设置若干个直径为2mm的钢球，钢球下部连接有振动托盘，振动托盘的下方连接有振动电机；
(3)密封腔内真空度达到10mbar后，开始开启转动电机和振动电机，转动电机带动滚轴另一端连接的铜基电触头转动，转动电机的频率为500r/min，振动电机带动振动托盘上的钢球振动，振动电机的振动频率为100HZ，铜基电触头在不停地转动过程中与不断振动的钢球进行随机、无固定方向的轰击，轰击120min，即得表面纳米化的电触头材料。本实施例中所得的表面纳米化的铜基电触头纳米晶材料的晶粒尺寸为30nm，其纳米晶层厚度为100μm。
实施例1-5中电触头材料表面纳米化处理方法采用的装置，包括密封腔1，密封腔一端设置有滚轴2，滚轴的一端连接与电触头10，另一端连接有转动电机3，密封腔1的上部设置有进气口4和抽气口5，抽气口5的一端连接有真空泵6，密封腔1内的下部设置有钢球7，钢球7下部连接有振动托盘8，振动托盘的下方连接有振动电机9。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，包括以下步骤：
(1)将待处理电触头的表面进行打磨，然后依次置于丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，再将清洗后的电触头进行干燥处理；
(2)将经过步骤(1)预处理后的电触头固定于密封腔内的滚轴上，开始对密封腔内进行抽真空处理；
(3)密封腔内真空度达到要求后，开启转动电机和振动电机，通过振动电机带动钢球对转动电机带动步骤(2)中滚轴上的电触头进行不停地轰击，即得表面纳米化的电触头材料。
2.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述电触头材料为铜基材料或铝基材料。
3.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(1)中电触头在丙醇和无水乙醇中超声清洗的时间均为5-10min。
4.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(2)中滚轴的另一端与密封腔体外的转动电机连接，所述密封腔体内的下部设置若干个直径为0.5-2mm的钢球，所述钢球下部连接有振动电机的振动托盘。
5.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(3)中密封腔内的真空度为1-10mbar。
6.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(3)中振动电机的振动频率为50-100HZ；所述转动电机的转动频率为20-500r/min。
7.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(3)中轰击的时间为5-120min。
8.根据权利要求1所述的电触头材料表面纳米化处理方法，其特征在在于，所述步骤(3)中得到的表面纳米化的电触头材料的晶粒尺寸为20-200nm；所述电触头表面纳米晶的层厚为50-100μm。
9.一种电触头材料表面纳米化处理装置，其特征在于，所述装置包括密封腔(1)，所述密封腔(1)一端设置有滚轴(2)，所述滚轴(2)的一端连接与电触头(10)，另一端连接有转动电机(3)，所述密封腔(1)的上部设置有进气口(4)和抽气口(5)，所述抽气口(5)的一端连接有真空泵(6)，所述密封腔(1)内的下部设置有钢球(7)，所述钢球(7)下部连接有振动托盘(8)，所述振动托盘(8)的下方连接有振动电机(9)。
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