一種銅鉻合金表層改性的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種銅鉻合金表層改性的工藝方法，通過(guò)采用真空電子束焊接設(shè)備對(duì)CuCr合金進(jìn)行表層熔化處理，從而在銅鉻合金觸頭的表面形成一層致密的、高純度的、顯微組織Cr顆粒細(xì)小的工作層的方法。
【專利說(shuō)明】一種銅鉻合金表層改性的工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅鉻合金觸頭材料，具體涉及一種銅鉻合金表層改性的工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅鉻合金(以下以CuCr代替銅鉻，常用的為Cr含量20%_50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)主要用作真空斷路器觸頭，起接通、承載和分?jǐn)嚯娏鞯淖饔?，是真空斷路器的心臟部件，其性能在很大程度上決定了真空斷路器的性能及其運(yùn)行的可靠性。因此真空斷路器對(duì)觸頭有著非?？量痰囊?，要求具有:①大的分?jǐn)嚯娏髂芰?；②高的耐受電壓?qiáng)度；③良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；④高的抗熔焊能力；⑤良好的抗電弧燒損能力低截流值特性；⑦低的雜質(zhì)含量。目前在世界范圍內(nèi)，真空斷路器用觸頭幾乎均采用CuCr合金。
[0003]CuCr合金觸頭的制造工藝有:粉末燒結(jié)法、熔滲法、熔鑄法以及電弧熔煉法。粉末燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成材率高，材料利用率高，成本低，而不利之處是觸頭性能低，主要體現(xiàn)在:Cr與Cu在低于Cu的熔點(diǎn)下燒結(jié)，觸頭材料致密度低、氣體等雜質(zhì)含量高；顯微組織Cr顆粒粒徑較大，一般為63 μ m-170 μ m。因此在國(guó)內(nèi)這類觸頭僅限于IOkV等級(jí)以下小容量真空斷路器上使用，市場(chǎng)所占比例較小。
[0004]對(duì)于熔滲法，由于熔滲是在Cu的熔點(diǎn)以上進(jìn)行的，這一工藝方法所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是觸頭材料致密度高、氣體等雜質(zhì)含量較低，而不利之處是:顯微組織Cr顆粒粒徑較大，一般為63 μ m-170 μ m ;生產(chǎn)效率、材料利用率、成材率均低，生產(chǎn)成本高。但熔滲法的觸頭性能要比粉末燒結(jié)法的高，因此在國(guó)內(nèi)這類觸頭大量應(yīng)用于全系列真空斷路器上，市場(chǎng)所占比例大。
[0005]對(duì)于熔鑄法，其工藝流程為:Cr與Cu經(jīng)高溫熔化一澆鑄成錠子一錠子外圓扒皮一鋸切成片材一機(jī)加工成元件。這一工藝方法所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是觸頭材料致密度高，顯微組織Cr顆粒粒徑較細(xì)，一般為20 μ m-40 μ m，觸頭性能要比粉末燒結(jié)法的高，也比熔滲法的好，因此在國(guó)內(nèi)這類觸頭也應(yīng)用于全系列真空斷路器上，市場(chǎng)所占比例大。這一工藝方法較適合于低Cr含量(20%-30%) CuCr合金觸頭的制造，但隨著Cr含量的提高因熔煉溫度亦要相應(yīng)提高，因此給整個(gè)制造工藝帶來(lái)了許多控制上的不穩(wěn)定，致使成材率大幅下降；同時(shí)由于鑄錠外表不光滑、夾雜多需要扒掉的表層厚度較大，因此材料利用率也低。
[0006]對(duì)于電弧熔煉法，其工藝流程為:Cr粉與Cu粉混合一真空燒結(jié)成電極一電弧熔煉鑄成錠子一錠子外圓扒皮一鋸切成片材一機(jī)加工成元件。這一工藝方法所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是觸頭材料致密度高，顯微組織Cr顆粒粒徑較細(xì)，一般為20 μ m-30 μ m,觸頭性能要比粉末燒結(jié)法的高，也比熔滲法和熔鑄法的好，是目前世界上公認(rèn)性能最好的CuCr合金觸頭，但其制造成本也是最高的，因此在國(guó)內(nèi)這類觸頭雖然可應(yīng)用于全系列真空斷路器上，但市場(chǎng)所占比例小。
[0007]綜上所述，可以總結(jié)得出:①粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭性能最低，材料利用率最高，生產(chǎn)效率最高，成本最低熔滲法、熔鑄法以及電弧熔煉法的CuCr合金觸頭性能高，材料利用率、成材率均低，這意味著在使用這些工藝方法以獲得高性能CuCr合金觸頭的同時(shí)，也加快了地球上Cr這一本來(lái)就緊缺的金屬資源的消耗。
[0008]一般地，CuCr合金觸頭的厚度為3mm-5mm，而其在整個(gè)壽命期內(nèi)損耗的厚度約
0.5mm,因此只要獲得0.5mm以上厚度的高性能觸頭工作層就可使觸頭完全滿足真空斷路器的使用要求。
[0009]因此，只要尋求一種工藝方法使粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭表層(單端面)形成一層0.5mm以上厚度的高性能觸頭工作層，就不僅可以既將粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭性能提高到與電弧法CuCr合金觸頭一樣的性能水平，還可以節(jié)約大量的金屬Cr資源。
[0010]在國(guó)內(nèi)外，有關(guān)于CuCr合金觸頭表層激光熔凝的研究，也有關(guān)于在Cu基材上進(jìn)行CuCr合金粉末激光熔覆的研究，目的是細(xì)化觸頭表層組織以提高觸頭性能。由于是在非真空條件進(jìn)行的，難于避免CuCr合金觸頭的氧化，同時(shí)因觸頭表面涂覆了吸光劑(熔凝時(shí)使用)、CuCr合金粉末混合了粘結(jié)劑(熔覆時(shí)使用)，因此在激光熔凝或熔覆過(guò)程中不僅不能純化CuCr合金，還會(huì)給其帶入其它雜質(zhì)，這將會(huì)損害觸頭的性能，還會(huì)給觸頭使用帶來(lái)難于預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)專利“CN101899640B”提出了關(guān)于在Cu基材上先表面預(yù)覆Cr再使用脈沖電子束進(jìn)行合金化的方法，這一方法存在合金化后的合金層Cr含量不一致及Cr偏析的問(wèn)題。脈沖電子束加熱熔化的深度不同則被熔化的Cu的質(zhì)量(即參與合金化的Cu)也隨之不同，進(jìn)而合金層Cr含量也隨之不一致，難以控制CuCr合金觸頭的化學(xué)成分，最終難于按所要求的成分制造出CuCr合金觸頭。另外因Cr的密度比Cu小，加之Cr/Cu結(jié)構(gòu)為純Cr層在上而純Cu基體在下，而不是預(yù)先將Cr、Cu按要求的比例混合均勻，在脈沖電子束加熱熔化過(guò)程中，不管表層是瞬時(shí) 熔化再隨后瞬時(shí)凝固，還是長(zhǎng)時(shí)熔化再隨后快速凝固，均極易造成Cr的偏析。由于存在種種以上問(wèn)題，至今不管是激光熔凝、熔覆還是脈沖電子束合金化，在CuCr合金觸頭制造上均還未得到應(yīng)用。
[0011]電子束焊可焊接所有的金屬材料和某些異種金屬接頭，從箔片至板材均可一道焊成，鋼板可焊厚度達(dá)100毫米，鋁板達(dá)150毫米，銅板可達(dá)25毫米。真空電子束焊機(jī)，是在高真空條件下利用高能量密度電子束直接將金屬熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接的，通過(guò)調(diào)整高壓、焊接電流以及焊接速度等參數(shù)可達(dá)到不同的焊接深度的要求。迄今為止，還未見(jiàn)采用真空電子束焊技術(shù)對(duì)CuCr合金進(jìn)行合金化處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)采用真空電子束焊接設(shè)備對(duì)CuCr合金進(jìn)行表層處理，從而在CuCr合金的表面形成一層致密的、高純度的、顯微組織Cr顆粒細(xì)小的工作層的方法。
[0013]在真空條件下，利用電子束將粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭端面進(jìn)行熔化處理，可獲得一層致密的、經(jīng)純化過(guò)的、顯微組織Cr顆粒細(xì)小的高性能觸頭工作層，本發(fā)明的目的就是通過(guò)這一方法，使成本低廉的低性能的粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭的性能提高到與電弧法CuCr合金觸頭一樣的性能水平，或超過(guò)電弧法CuCr合金觸頭的性能水平，同時(shí)節(jié)約大量的金屬Cr資源，大幅降低高性能CuCr合金觸頭的制造成本，整體提升真空斷路器的性能水平。
[0014]為達(dá)到這一目的，本發(fā)明銅鉻合金表層改性的工藝方法，包括以下步驟:[0015]I)將采用粉末燒結(jié)法制備好的CuCr合金坯件安裝在焊接室，抽真空并保持焊接
室真空度；
[0016]2)啟動(dòng)電子束焊機(jī)，對(duì)CuCr合金坯件上表層進(jìn)行電子束自動(dòng)熔化處理；
[0017]3 )將電子束表層熔化處理后的CuCr合金坯件整形。
[0018]本發(fā)明所述CuCr合金表層改性的工藝方法，
[0019]步驟I)中，所述的CuCr合金坯件，其中鉻含量?jī)?yōu)選20%_50% ;還可以像現(xiàn)在常采用的方法一樣，在制備CuCr合金坯件過(guò)程中添加鎢粉、鑰粉、鐵粉、鋯粉、鎳粉中的任意一種或兩種直至全部五種，一般每一種添加元素的含量< 1.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
[0020]步驟I)中,所述的CuCr合金還件安裝在焊接室,優(yōu)選安裝在焊接室內(nèi)數(shù)控工作臺(tái)上，數(shù)控工作臺(tái)有配用夾具安裝CuCr合金坯件，配用夾具優(yōu)選可以保持恒溫的夾具，如由循環(huán)水冷卻的夾具，數(shù)控工作臺(tái)可以是X、Y 二維自動(dòng)控制臺(tái)，通過(guò)設(shè)定程序，使熔化按預(yù)期設(shè)定的任意平面曲線路徑進(jìn)行自動(dòng)熔化，也可以是通過(guò)設(shè)定程序，使熔化按預(yù)期設(shè)定的焊接電流、焊接速度、焊縫搭接率進(jìn)行自動(dòng)熔化；焊接室真空度優(yōu)選SXKT1-1XKT3Pa范圍；
[0021]步驟2)中，電子束焊機(jī)的焊接參數(shù)的優(yōu)選范圍在:高壓30kV_60kV、焊接電流30mA-80mA、焊接速度 6mm-20mm/s、焊縫搭接率 30%_40% ；
[0022]步驟3)中，將電子束表層熔化處理后的CuCr合金坯件整形，優(yōu)選使用液壓機(jī)。
[0023]采用本發(fā)明的方法得到的致密的、經(jīng)純化過(guò)的、顯微組織Cr顆粒細(xì)小的高性能觸頭工作層的厚度可以達(dá)到所屬`要求，一般情況下控制在0.5mm-2.0mm。
`[0024]采用本發(fā)明的CuCr合金表層改性的工藝方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0025]I)使粉末燒結(jié)法的CuCr合金觸頭端面形成一層致密的、經(jīng)純化過(guò)的、顯微組織Cr顆粒細(xì)小的高性能觸頭工作層；
[0026]2)熔化層顯微組織Cr顆粒粒徑可達(dá)到< 7 μ m ;
[0027]3)熔化層硬度HB可以比處理前提高40%以上；
[0028]4)觸頭制造材料消耗比熔滲法、熔鑄法和電弧法的少得多，以φ 74mmX5mm CuCr
(40)為例，單片材料消耗見(jiàn)下表:
【權(quán)利要求】
1.一種銅鉻合金表層改性的工藝方法，包括以下步驟: 1)將采用粉末燒結(jié)法制備好的CuCr合金坯件安裝在焊接室，抽真空并保持焊接室真空度； 2)啟動(dòng)電子束焊機(jī)，對(duì)CuCr合金坯件上表層進(jìn)行電子束自動(dòng)熔化處理； 3)將電子束表層熔化處理后的CuCr合金坯件整形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:得到的CuCr合金坯件上表層的高性能觸頭工作層的厚度在0.5mm-2.0_。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:所述焊接室真空度在 8 X KT1-1XKT3Pat5
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:所述電子束焊機(jī)的焊接參數(shù):高壓30kV-60kV、焊接電流30mA-80mA、焊接速度6mm-20mm/s、焊縫搭接率30%-40%。
5.根據(jù)權(quán) 利要求1-4任一所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:所述的CuCr合金坯件，其中鉻含量為20%-50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:可以在制備CuCr合金坯的過(guò)程中添加鎢粉、鑰粉、鐵粉、鋯粉、鎳粉中的任意一種或兩種直至全部五種，每一種添加元素的含量< 1.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:所述的CuCr合金坯件安裝在焊接室內(nèi)數(shù)控工作臺(tái)上，數(shù)控工作臺(tái)配有夾具安裝CuCr合金坯件，采用恒溫夾具。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:數(shù)控工作臺(tái)是X、Y 二維自動(dòng)控制臺(tái)，通過(guò)設(shè)定程序，使焊接按預(yù)期設(shè)定的任意平面曲線路徑進(jìn)行自動(dòng)熔化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:數(shù)控工作臺(tái)是通過(guò)設(shè)定程序，使焊接按預(yù)期設(shè)定的焊接電流、焊接速度、焊縫搭接率進(jìn)行自動(dòng)熔化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的銅鉻合金表層改性的工藝方法，其特征在于:用液壓機(jī)將電子束表層熔化處理后的CuCr合金坯件整形。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK103602983SQ201310598533
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】陳名勇, 顏培濤, 林毓, 黃國(guó)偉, 張宏浪, 葉凡 申請(qǐng)人:桂林電器科學(xué)研究院有限公司