CN101899640A

CN101899640A - 一种铜铬合金表面合金化的制备方法

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Publication number: CN101899640A
Application number: CN 201010238978
Authority: CN
Inventors: 周志明; 黄伟九; 唐丽文; 胡建军; 胡洋; 李小平
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: CN101899640B

Abstract

本发明涉及了一种铜铬合金表面合金化的制备方法，属于材料表面强化技术领域。本发明工艺方法是将在铜基体表面涂敷合金粉末，或者采用电沉积法在铜基材的表面形成Cr膜，或者采用离子喷涂法在在铜基材的表面喷涂Cr层，然后放入真空室内，真空室的真空度P<5×10^-3Pa，然后向真空室内充入氩气作为保护气体，启动脉冲电子束设备，加载高压(10-40keV)，利用电子束加热以实现表面合金化。电子束表面合金化的主要参数范围：能量密度1-20J/cm²，脉冲宽度2-5μs,脉冲次数1-30次；电子束斑的有效尺寸70-100mm。本发明表面合金化工艺方法，可以在铜基材料表面形成晶粒细小的铜铬合金化层，表面的显微硬度、耐磨性和抗熔焊性等性能大大提高。

Description

一种铜铬合金表面合金化的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜铬合金表面合金化的制备方法，该方法是通过采用脉冲电子束的方法在铜基材的表面形成铜铬合金化层，属于材料表面处理和强化技术领域。

背景技术

由于铜铬合金的相互固溶度很小，因此铜铬合金结合了铬的高硬度和铜良好的导电导热性，在制备高强高导材料、集成电路引线框架、大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线等方面得到广泛应用，尤其是高铬含量的铜铬合金因具有耐电压强度高、开断电流能力大、抗熔焊性能好和截流性能低等特点，作为触头材料广泛应用于中压真空断路器中。作为触头材料的铜铬合金，材料表面的强度、显微组织的均匀性和晶粒大小等对触头材料的性能起十分重要的作用。合金表面的强度与耐电压强度等成线性关系，因此如何提高合金的表面强度，细化合金表面的显微组织，提高合金的性能，进而提高真空断路器的使用寿命是至关重要的。铜铬合金在使用过程中发生磨损，主要集中在表面，合金的失效往往由于触头材料的表面率先失效而引起整个失效，因此铜铬合金表面的显微组织和性能显得尤其重要。

在以往的研究中，国外有Hirose等“Surface alloying of copper with chromium by CO₂ laser”(Materials Science and Engineering A, 1994,174:199-204)和Dutta Majumdar等“Laser surface alloying of copper with chromium I. Microstructure evolution.” (Materials Science and Engineering A, 1999,268:216-226) 、“Laser surface alloying of copper with chromium I. Improvement in mechanical properties.”(Materials Science and Engineering A, 1994,174:227-235)采用激光表面合金化研究了铜铬合金。国内有梁淑华等“细晶CuCr系触头材料的研究”（粉末冶金技术，2000，18（3）:196-199）和苗柏和“激光表面熔凝CuCr50粉末冶金材料”（应用激光，1999，19（5）：253-255）等采用激光对铜铬合金表面进行了重熔。

电子束（Electron Beam）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组织。近年来许多研究者正开展利用电子束表面强化技术进行高温合金和功能材料的研究。迄今为止，还未见采用脉冲电子束对铜铬合金进行合金化处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过采用脉冲电子束设备对铜铬合金进行表面合金化处理，从而在铜基材的表面形成一层显微硬度高，耐磨性好的铜铬合金化层。

为了实现上述目的，本专利采用以下技术方案：一种铜铬合金表面合金化的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）制备铜铬合金：以紫铜为基材在基材上涂敷铬合金粉末，或者采用电沉积法在铜基材的表面形成Cr膜，或者采用离子喷涂法在铜基材的表面喷涂Cr层；（2）将上述制备好的铜铬合金装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空，然后向真空室内充入惰性保护气体；（3）启动脉冲电子束设备，对真空室内的铜铬合金进行电子束照射；通过采用脉冲电子束加热表面，实现基材的铜铬合金表面合金化。

进一步的特征是：所述的铬合金粉末全部是铬粉；或者在铬粉中添加了钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中的任意一种或两种直至全部五种，铬粉的重量百分比含量≥92%，钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中任意一种的重量百分比含量≤2%；其涂敷方法是用有机或无机粘结剂，将合金粉末调成糊状，刷在铜基材的表面，涂层厚度为100-800μm。

采用电沉积法在铜基材的表面形成Cr膜的厚度为10-50μm。

采用离子喷涂法在铜基材的表面喷涂Cr层的厚度为10-500μm。

脉冲电子束设备照射的主要参数范围：能量密度1-20J/cm²，脉冲宽度2-5μs, 脉冲次数2-30次，电子束斑的有效尺寸为70-100mm。

所述真空室的真空度P<5×10^-3Pa，向真空室充入的惰性保护气体为氩气。

本发明铜铬合金表面合金化的制备方法，通过将铜铬合金放入真空室内，抽真空后在惰性保护气氛下对铜铬合金的表面进行电子束照射，对铜铬合金的表面进行合金化处理，在铜基材的表面形成一层晶粒细小的铜铬合金化层，表面的显微硬度、耐磨性和抗熔焊性等性能大大提高。

具体实施方式：

实施例1：

在尺寸为30mm×30mm×5mm的Cu基体合金化表面（30mm×30mm）经过抛光和铬酸（250g.l^-1）和硫酸（2.5g.l^-1）的混合水溶液清洗，在电压4V、电流密度为1.2～1.4A.cm^-2、电镀液温度310～315K下电沉积（未搅拌）40min后制备厚度为20±1μm的试样。将试样装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空达到要求的真空度，本次达到真空室的真空度为2.0×10^-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.99％的氩气直到3.0×10⁴Pa。启动RITM-2M脉冲电子束设备，加载电压20kev，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度5J/cm²，脉冲宽度3μs, 脉冲次数4次，电子束斑的有效尺寸为70mm。所述的电沉积法作为一种现有技术，在此不作进一步的说明。

实施例２：

选取铬粉含量为99wt％和钨粉含量为1wt％比例配好的铬合金粉末，用有机或无机粘结剂（如液体胶、醋酸硅酸盐粘结剂或者醋酸乙烯水溶液），或现有技术的合适粘结剂，在尺寸为60mm×60mm×5mm的Cu基体合金化表面（60mm×60mm）在铜基材的表面粘上一层厚度为200μm的粉末层；将干燥后的合金试样装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空达到要求的真空度，本次达到真空室的真空度为4.0×10^-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.99％的氩气直到4.0×10⁴Pa。启动RITM-2M脉冲电子束设备，加载电压20kev，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度12J/cm²，脉冲宽度4μs, 脉冲次数8次，电子束斑的有效尺寸为80mm。

当然，在铬粉中添加钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中的任意一种或两种直至全部五种，钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中任意一种的重量百分比含量≤2%，如0.5%，0.6%，0.8%，1%，1.2%，1.4%，1.5%，1.6%，1.7%，1.8%，1.9%，2.0%等，都能满足本发明的需要，达到相同的目的。

实施例3：

在尺寸为30mm×30mm×5mm的Cu基体合金化表面（30mm×30mm）经过抛光和铬酸（250g.l^-1）和硫酸（2.5g.l^-1）的混合水溶液清洗后，采用离子喷涂法在在铜基材的表面喷涂厚度为150μm 的Cr层。将试样装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空达到要求的真空度，本次达到真空室的真空度为2.6×10^-3Pa后，迅速关闭真空阀，然后向真空室内充入纯度为99.99％的氩气直到3.0×10⁴Pa。启动RITM-2M脉冲电子束设备，加载电压20kev，对合金的表面进行电子束表面合金化处理。脉冲电子束表面强化处理的主要参数为：能量密度8J/cm²，脉冲宽度4μs, 脉冲次数6次，电子束斑的有效尺寸为100mm。

Claims

1.一种铜铬合金表面合金化的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）制备铜铬合金：以紫铜为基材在基材上涂敷铬合金粉末，或者采用电沉积法在铜基材的表面形成Cr膜，或者采用离子喷涂法在铜基材的表面喷涂Cr层；（2）将上述制备好的铜铬合金装在配用的夹具上，放入真空室内，抽真空，然后向真空室内充入惰性保护气体；（3）启动脉冲电子束设备，对真空室内的铜铬合金进行电子束照射；通过采用脉冲电子束加热表面，实现基材的铜铬合金表面合金化。

2.根据权利要求1所述的表面合金化工艺方法其特征在于：所述的铬合金粉末全部是铬粉；或者在铬粉中添加了钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中的任意一种或两种直至全部五种，铬粉的重量百分比含量≥92%，钨粉、锆粉、镍粉、铁粉、钼粉中任意一种的重量百分比含量≤2%；其涂敷方法是用有机或无机粘结剂，将合金粉末调成糊状，刷在铜基材的表面，涂层厚度为100-800μm。

3.根据权利要求1所述的表面合金化工艺方法其特征在于：采用电沉积法在铜基材的表面形成Cr膜的厚度为10-50μm。

4.根据权利要求1所述的表面合金化工艺方法其特征在于：采用离子喷涂法在铜基材的表面喷涂Cr层的厚度为10-500μm。

5.根据权利要求1至4任一所述的表面合金化工艺方法其特征在于：脉冲电子束设备照射的主要参数范围：能量密度1-20J/cm²，脉冲宽度2-5μs, 脉冲次数2-30次，电子束斑的有效尺寸为70-100mm。

6.根据权利要求1所述的表面合金化工艺方法其特征在于：所述真空室的真空度P<5×10^-3Pa，向真空室充入的惰性保护气体为氩气。