CN117995577A - 铜底银钨涂层触头的加工工艺和铜底银钨涂层触头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了铜底银钨涂层触头的加工工艺和铜底银钨涂层触头，铜底银钨涂层触头的加工工艺，包括以下步骤：将触头铜芯进行喷砂处理，得到一次处理铜芯；将一次处理铜芯加热至240~600℃，退火冷却后得到二次处理铜芯；使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品,经过喷砂处理、高温退火、超音速冷喷涂在铜芯表面形成银钨合金涂层，银钨合金粉末与触头铜芯处理面结合更为紧密，由此使银钨合金更为稳定结合固定于铜芯表面并形成完整的层，该层的电阻更低，触头的使用寿命更长。
Description
技术领域
本申请涉及电触头，尤其是涉及铜底银钨涂层触头的加工工艺和铜底银钨涂层触头。
背景技术
电触头为铜芯的电气触头，一般用于配电柜、高压线路接驳处的高压接地开关。在接地开关合到接地触头上将开关设备转为接地状态的过程，需要考虑到电路中出现短路时能够迅速切断电流，并将短路电流引导到地，以确保人身安全和设备的保护，故而高压接地开关在高压电路的开关检修时起到十分关键的作用。在接地开关大电流关合过程中，因为电弧高温作用下，触头的熔焊粘连是不可避免的，但是触头熔焊粘连直接影响了接地开关关合能力，即接地关合操作后能否顺利一次分闸并具备下次接地关合的能力，接地开关关合次数体现了开关接地能力的分级水平，所以为了保证提升开关接地关合的能力，需要提升触头的电弧下耐高温能力。
现有普通的接地触头为纯铜材质，接地电阻优良而电弧下耐腐蚀性能差，在接地关合过程中极容易出现大损伤和严重的融焊现象，影响接地关合的能力。故而现有另一种用银钨合金为基材直接作为接地触头，其优点抗电弧性能优良，但缺点也是十分明显，一是接地电阻不如纯铜材质，二是成本高，推广使用困难。
本申请人研发过程中意图以纯铜为基材，在其表面镀覆、涂覆或其他方式形成一种耐高温、耐电弧、低电阻的导电层，以此兼具纯铜触头和银钨触头的优点，同时液节约了成本。但银钨合金难以通过电镀的方式镀覆且熔点高难以通过熔融浸涂的方式涂覆，故而如何将银钨合金附着在铜芯上，并形成结合强度高的导电层是一个严峻的问题。
发明内容
为使银钨合金稳定结合固定于铜芯表面并形成完整的层，提供了铜底银钨涂层触头的加工工艺，还有该工艺加工得到的铜底银钨涂层触头。
本发明的上述第一个发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
铜底银钨涂层触头的加工工艺，包括以下步骤：
将触头铜芯进行喷砂处理，得到一次处理铜芯；
将一次处理铜芯加热至240～600℃，退火冷却后得到二次处理铜芯；
使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
通过采用上述技术方案，触头铜芯经喷砂处理，去除表面氧化物的同时亦在其表面形成由撞击形成的密布触头铜芯处理面的微小凹陷和微小划痕；
然后通过高温退火，使微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面韧性回升，不易在冲击下断裂；由此再在经超音速冷喷涂法进行喷涂银钨合金粉末，银钨合金粉末撞击触头铜芯处理面时，其与微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面接触，在微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面具备足够韧性的情况下，微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面变形卡紧银钨合金粉末，使得银钨合金粉末与触头铜芯处理面结合更为紧密，由此使银钨合金更为稳定结合固定于铜芯表面并形成完整的层，该层的电阻更低，触头的使用寿命更长。
可选的：所述一次处理铜芯加热至460～520℃。
通过采用上述技术方案，该温度对铜芯处理效果较好，铜芯处理表面退火后凹陷、划痕依旧留存较多，加工所得涂层中银钨合金更为稳定结合固定。
可选的：退火冷却采用堆冷。
通过采用上述技术方案，所得的铜芯处理面的韧性更好，加工所得涂层中银钨合金更为稳定结合固定。
可选的：所述二次处理铜芯喷涂银钨合金粉末先涂覆处理助剂，所述处理助剂为液态聚醚和纳米石墨粉按质量比100：:(13～16)复配得到；
通过采用上述技术方案，处理助剂涂覆于铜芯表面，形成一层临时的保护膜，减少由于银钨合金粉末撞击导致铜芯表面局部高温而引发的氧化，同时纳米石墨粉除其调节处理助剂稠度外，其在受到银钨合金粉末撞击时会破碎，残留的纳米石墨粉一方面起到润滑作用，另一方面残留的纳米石墨粉会掺杂入银钨合金内，在银钨合金涂层贴合铜芯表面的一侧形成形成过渡区，利于石墨其热膨胀系数较低的优势，减少银钨合金涂层与铜芯表面结合处的热膨胀，使得银钨合金涂层在高温下或高温加热后亦不易剥离。
可选的：所述纳米石墨粉与银钨合金粉末的粒径比为1：(4.2～5.6)。
通过采用上述技术方案，该粒径比下纳米石墨粉掺杂入银钨合金内的量较多，对银钨合金涂层在高温下或高温加热后的结合强度提升效果较好。
可选的：所述聚醚为聚乙二醇600。
通过采用上述技术方案，聚醚与铜芯表面接触的界面能更低，易浸润，有利于涂覆形成临时保护膜以及使纳米石墨粉通过液面张力滞留在铜芯表面，由此提效处理助剂的作用。
可选的：所述银钨合金粉末粒径为0.9～2μm。
通过采用上述技术方案，所得银钨涂层结合强度高。
本发明的上述第二个发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种铜底银钨涂层触头，由上述的铜底银钨涂层触头的加工工艺制得。
通过采用上述技术方案，所得电触头接电不易发热且发热高温使用寿命长。
综上所述，本申请至少具备以下有益效果：
1.经过喷砂处理、高温退火、超音速冷喷涂在铜芯表面形成银钨合金涂层，银钨合金粉末与触头铜芯处理面结合更为紧密，由此使银钨合金更为稳定结合固定于铜芯表面并形成完整的层，该层的电阻更低，触头的使用寿命更长；
2.超音速冷喷涂前使用有聚醚和纳米石墨粉配置的处理助剂，润滑合金粉末撞击，减少氧化，并且将纳米石墨粉会掺杂入银钨合金内，减少银钨合金涂层与铜芯表面结合处的热膨胀，使得银钨合金涂层在高温下或高温加热后亦不易剥离。
3.根据本申请加工工艺得以获得一种接电不易发热且耐高温，使用寿命长的铜底银钨涂层触头。
具体实施方式
原料：
银钨合金粉末，其银含量为65wt％，钨含量大于44wt％，其余杂质含量小于1wt％。
聚醚有聚乙二醇600和聚乙二醇650。
触头铜芯选用纯铜T2材质。
实施例1
一种铜底银钨涂层触头，其加工工艺如下：
将触头铜芯进行喷砂处理，喷砂压力为3.4bar，喷砂距离为5cm，喷射角度为56°，喷砂时间为1.6s，磨料为4～5μm粒径分布的氧化锆，处理完毕后得到一次处理铜芯，根据GB/T1031-2009检测，一次处理铜芯表面粗糙度为Ra0.4。
将一次处理铜芯加热至480℃，退火堆冷4h空冷至室温，得到二次处理铜芯；
再将二次处理铜芯浸入处理助剂内，使其表面浸润液体后，使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
处理助剂为聚乙二醇600与纳米石墨粉按质量比100:15复配得到，纳米石墨粉粒径为240±20nm。
银钨合金粉末粒径为1.2±0.1μm。
超音速冷喷涂法参数：载气预热温度为340℃，喷涂距离为20mm，喷涂压力为1.8MPa，送粉频率为27Hz。
对比例1
一种铜底银钨涂层触头，其加工工艺如下：
将触头铜芯加热至480℃，退火堆冷4h空冷至室温，得到二次处理铜芯；
将二次处理铜芯使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
银钨合金粉末粒径为1.2±0.1μm。
超音速冷喷涂法参数：载气预热温度为340℃，喷涂距离为20mm，喷涂压力为1.8MPa，送粉频率为27Hz。
对比例2
一种铜底银钨涂层触头，其加工工艺如下：
将触头铜芯加热至480℃，退火堆冷4h空冷至室温，得到二次处理铜芯；
再将二次处理铜芯浸入处理助剂内，使其表面浸润液体后，使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
处理助剂为聚乙二醇600与纳米石墨粉按质量比100:15复配得到，纳米石墨粉粒径为240±20nm。
银钨合金粉末粒径为1.2±0.1μm。
超音速冷喷涂法参数：载气预热温度为340℃，喷涂距离为20mm，喷涂压力为1.8MPa，送粉频率为27Hz。
对比例3
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在喷射角度为27°，根据GB/T 1031-2009检测，一次处理铜芯表面粗糙度为Ra0.1。
对实施例1和对比例1～2所得铜底银钨涂层触头进行检测或制备相对应的试样进行检测。
检测内容如下，原始涂层结合强度检测：根据ASTM C633进行检测，试样采用纯铜T2为基体制备，银钨涂层厚度大于0.5mm，粘结用胶为E-7胶，固化温度为100℃，固化时间为3h，室温静置24h后进行检测，检测结果以结合强度表示。
高温膨胀变形后结合强度受损检测：根据原始涂层结合强度检测方法制备相同的试样，将试样加热至250℃，保持温度8h后取出通风空冷，在30min内降温至80℃，再自然冷却至室温，重复加热冷却步骤，循环共计4次后，得到试样。试样根据原始涂层结合强度检测相同参数进行检测，检测结果以结合强度保留率表示。
检测结果如下：
表一.实施例1和对比例1～2试样的检测记录表
结合表1可知，实施例1检测结果中银钨合金涂层的结合强度、结合强度保留率显著优于对比例1～3，
对比例1～2中触头铜芯表面未尽喷砂处理去除氧化物，其与银钨合金粉末结合力差，对比例3中喷砂角度小，对比例3Ra为0.1，去除触头铜芯表面氧化物时对触头铜芯表面产生的凹陷和划痕少；
实施例1中喷砂角度小，实施例1中Ra为0.3，去除触头铜芯表面氧化物时对触头铜芯表面产生的凹陷和划痕多，由此触头铜芯经喷砂处理，去除表面氧化物的同时亦在其表面形成由撞击形成的密布触头铜芯处理面的微小凹陷和微小划痕；然后通过高温退火，使微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面韧性回升，不易在冲击下断裂；由此再在经超音速冷喷涂法进行喷涂银钨合金粉末，银钨合金粉末撞击触头铜芯处理面时，其与微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面接触，在微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面具备足够韧性的情况下，微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面变形卡紧银钨合金粉末，使得银钨合金粉末与触头铜芯处理面结合更为紧密，由此使银钨合金更为稳定结合固定于铜芯表面并形成完整的层，该层的电阻更低，触头的使用寿命更长。
实施例2
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在于一次处理铜芯加热至400℃。
实施例3
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在于一次处理铜芯加热至460℃。
实施例4
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在于一次处理铜芯加热至520℃。
实施例5
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在于一次处理铜芯加热至580℃。
实施例6
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在于一次处理铜芯加热后采用油冷降温。
实施例7
一种铜底银钨涂层触头，其加工工艺如下：
将触头铜芯进行喷砂处理，喷砂压力为3.4bar，喷砂距离为5cm，喷射角度为56°，喷砂时间为1.6s，磨料为4～5μm粒径分布的氧化锆，处理完毕后得到一次处理铜芯，根据GB/T1031-2009检测，一次处理铜芯表面粗糙度为Ra0.4。
将一次处理铜芯加热至480℃，退火堆冷4h空冷至室温，得到二次处理铜芯；
将二次处理铜芯浸泡在聚乙二醇600中10min，取出再使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
银钨合金粉末粒径为1.2±0.1μm。
超音速冷喷涂法参数：载气预热温度为340℃，喷涂距离为20mm，喷涂压力为1.8MPa，送粉频率为27Hz。
实施例8
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在处理助剂为聚乙二醇600和纳米石墨粉按质量比100：10复配得到.
实施例9
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在处理助剂为聚乙二醇600和纳米石墨粉按质量比100：13复配得到。
实施例10
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在处理助剂为聚乙二醇600和纳米石墨粉按质量比100：16复配得到。
实施例11
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别在处理助剂为聚乙二醇600和纳米石墨粉按质量比100：20复配得到。
实施例12
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为纳米石墨粉粒径为340±20nm。
实施例13
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为纳米石墨粉粒径为280±20nm。
实施例14
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为纳米石墨粉粒径为210±20nm。
实施例15
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为纳米石墨粉粒径为180±20nm。
实施例16
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为处理助剂为聚乙二醇400和纳米石墨粉混合复配得到。
实施例17
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为处理助剂为聚乙二醇800和纳米石墨粉混合复配得到。
实施例18
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为银钨合金粉末粒径为0.9±0.1μm，纳米石墨粉末粒径为180±20nm。
实施例19
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为银钨合金粉末粒径为2.0±0.1μm，纳米石墨粉末粒径为400±20nm。
实施例20
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为银钨合金粉末粒径为2.4±0.1μm，纳米石墨粉末粒径为480±20nm。
实施例21
一种铜底银钨涂层触头，与实施例1的区别为银钨合金粉末粒径为3.0±0.1μm，纳米石墨粉末粒径为600±20nm。
对实施例2～21的所得铜底银钨涂层触头进行检测或制备相对应的试样进行检测，检测结构如下：
表二.实施例2～21试样的检测记录表
结合实施例1和实施例2～5，一次处理铜芯加热温度影响微小凹陷、微小划痕的边沿以及侧面韧性，亦会使其在退火过程中发生变形的可能和程度。
一次处理铜芯加热温度过低，其韧性回升少，对银钨合金粉末结合强度提升效果少，对应实施例2的结合强度和结合强度保留率较实施例1弱；实施例3的结合强度和结合强度保留率则因加热温度提升，而较实施例2大。
一次处理铜芯加热温度过高，会使较薄的边沿和侧面发生形变，使微小凹陷、微小划痕减少，如实施例4～5的结合强度和结合强度保留率较实施例1而言下降，且随温度进一步提升下降趋势更为明显。
综上本申请中一次处理铜芯加热温度在460～520℃，所得铜底银钨涂层触头的涂层结合强度好且发热高温使用寿命长。
对比实施例1和实施例6可知，实施例6的结合强度、结合强度保留率低于实施例1，故而本申请中一次铜芯加热后冷却方式采用堆冷较好，所得铜底银钨涂层触头的涂层结合强度以及发热高温使用寿命较长。
对比实施例1和实施例7可知，实施例1的结合强度优于实施例7，实施例1的结合强度保留率显著优于实施例7，其是由于本申请中处理助剂涂覆于铜芯表面，形成一层临时的保护膜外，纳米石墨粉在受到银钨合金粉末撞击时会破碎，残留的纳米石墨粉一方面起到润滑作用，另一方面残留的纳米石墨粉会掺杂入银钨合金内，在银钨合金涂层贴合铜芯表面的一侧形成形成过渡区，利于石墨其热膨胀系数较低的优势，减少银钨合金涂层与铜芯表面结合处的热膨胀，使得银钨合金涂层在高温下或高温加热后亦不易剥离。
由此再结合实施例1和实施例8～11可知，处理助剂中聚乙二醇和纳米石墨粉的占比不同会影响到处理助剂中纳米石墨粉对银钨合金涂层的结合强度以及高温膨胀变形后结合强度保留率产生影响.
其中由实施例8、实施例9、实施例1可知，在纳米石墨粉质量占比低于阈值时，随纳米石墨粉末质量占比增加，所得铜底银钨涂层触头的涂层结合强度、结合强度保留率随之增加；而在纳米石墨粉质量占比超过阈值后，纳米石墨粉在铜芯表面的覆盖过多，反过来影响银钨合金粉末在超音速喷涂下的嵌合，故而随纳米石墨粉质量占比的继续增加，如实施例10、实施例11的检测结构，其涂层的结合强度、结合强度保留率出现下降。
综上，本申请中为保持涂层的结合强度、结合强度保留率位于较优状态，其处理助剂中聚醚和纳米石墨粉的质量占比为100：:(13～16)较佳。
此外本申请中纳米石墨粉的粒径附着在铜芯表面后受银钨合金粉末撞击，形成掺杂纳米石墨粉的银钨合金涂层过渡区，其中纳米石墨粉和所用银钨合金粉末粒径关系，对其过渡区构造强度、铜芯表面结合强度存在影响，反映至铜底银钨涂层触头上便表现出涂层不同的结合强度以及不同的结合强度保留率。
如实施例1和实施例12～15所示，在银钨合金粉末粒径不变的情况下调节所用纳米石墨粉的粒径，以此改变两者之间的粒径比例，所得铜底银钨涂层中以实施例13、实施例1、实施例14为较优，其中实施例1为最优，由此本申请中纳米石墨粉与银钨合金粉末的粒径比为1：(4.2～5.6)较佳。
结合实施例16～17和实施例7可知，实施例16～17所得铜底银钨涂层触头的涂层结合强度、结合强度保留率均显著优于实施例7，故而本申请所用处理助剂中聚醚还可以为聚乙二醇400或聚乙二醇800。
结合实施例1和实施例18～21，实施例1和实施例18～21使用不同粒径的银钨合金，并根据实施例1所用纳米石墨粉末与银钨合金粉末粒径比配用对应粒径的纳米石墨粉末，所得的铜底银钨涂层触头中实施例1、实施例19、实施例20的结合强度、结合强度保留率优于实施例18、实施例21，根据其使用银钨合金粉末粒径情况可知，本申请中银钨合金粉末粒径为0.9～2μm较佳。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的要求保护范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将触头铜芯进行喷砂处理，得到一次处理铜芯；
将一次处理铜芯加热至240~600℃，退火冷却后得到二次处理铜芯；
使用超音速冷喷涂法向二次处理铜芯表面喷涂银钨合金粉末，形成银钨涂层，得到一次成品。
2.根据权利要求1所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：所述一次处理铜芯加热至460~520℃。
3.根据权利要求1所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：退火冷却采用堆冷。
4.根据权利要求1所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：所述二次处理铜芯喷涂银钨合金粉末先涂覆处理助剂，所述处理助剂为
液态聚醚和纳米石墨粉按质量比100：:（13~16）复配得到。
5.根据权利要求4所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：所述纳米石墨粉与银钨合金粉末的粒径比为1：（4.2~5.6）。
6.根据权利要求4所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：所述聚醚为聚乙二醇600。
7.根据权利要求1所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺，其特征在于：所述银钨合金粉末粒径为0.9~2μm。
8.一种铜底银钨涂层触头，其特征在于：由权利要求1~7任一所述的铜底银钨涂层触头的加工工艺制得。
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