CN105118702B - 铜合金材料用粉体组合物、复合材料层、电触头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜合金材料用粉体组合物、复合材料层、电触头及其制备方法，属于电力工业电接触材料技术领域。本发明中铜合金复合材料的主要成分为W和Cu，能形成WCu合金，其中添加的CeO₂和WC粒子弥散分布于WCu合金基体中，且电子逸出功比W低，既起弥散强化作用，又能使电弧得到有效分散，从而提高触头材料的耐电弧烧蚀性能、电弧稳定性、抗熔焊性能及强度等。本发明先在Cu‑Cr合金表面预置Cu‑W‑WC‑CeO₂混合料层，在惰性气氛中进行高频感应加热熔焊，再经固溶、时效处理得到钨铜合金整体触头材料，其中复合材料层与基体的界面结合强度为260～380MPa，可满足高压开关与断路器用自力型整体触头的要求。

Description

铜合金材料用粉体组合物、复合材料层、电触头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜合金材料用粉体组合物，同时还涉及采用该粉体组合物制备的铜合金复合材料层，以及具有该铜合金复合材料层的电触头和电触头的制备方法，属于电力工业电接触材料技术领域。

背景技术

电触头，特别是动触头是高压开关的关键部件。普遍使用的真空高压断路器用触头为CuW、CuCr电触头材料，而其触头结构正在由触指一弹簧结构向自力式整体触头改进，目前自力式CuW/CuCr整体触头已经占居主导地位，自力式动、静弧触头通常采用耐电蚀的铜钨合金与高导电率、高弹性铬青铜材料连接而成。

目前，国内外制备CuW合金材料均采用粉末冶金法，即混粉烧结法和熔渗法两种。然而上述两种方法均存在一定的局限性，混粉烧结法的缺点是烧结温度高，烧结时间长，致使烧结费用较高，且烧结体的性能较差，特别是烧结致密度较低，一般只为理论密度的90％～95％。熔渗法的缺点是熔渗后需去除多余的金属铜，增加了加工费用，降低了成品率。

常用的CuW/CuCr整体材料制备工艺有焊接法(包括钎焊、电子束焊、热等静压固相扩散焊等)和整体烧结熔渗法(包括连续式炉卧式烧结熔渗、立式整体烧结熔渗法)，这些方法各有优缺点。其中立式整体烧结熔渗法能够获得各种形式的结合面，且结合性能良好，是目前制备CuW/CuCr整体材料最主要的方法。但是该方法也存在操作复杂，成本高的缺点。

公告号CN102760597B的发明专利公开了一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的制备方法，首先采用快速凝固甩带法制备高Cr含量的铜合金箔带，再对CuW合金预结合面用酸溶解的方法去铜处理，使结合面处得到多孔结构的W骨架，随后在还原性气氛炉内按照由上至下CuW合金、高Cr含量的铜合金箔带、低Cr含量的CuCr棒材的顺序进行整体烧结熔渗，得到CuW与CuCr整体材料，最后进行固溶时效处理即得。该方法的特点在于熔渗过程中铜合金箔带中的Cr元素向多孔骨架中填充和浸渗，与W形成W-Cr固溶体，使骨架与基体铜相之间实现冶金结合，从而提高整体材料的界面结合强度，为325～345MPa。然而，其制备工艺复杂，整体材料的耐电弧烧蚀性能、电弧稳定性、抗熔焊性能等还有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜合金材料用粉体组合物。

其次，本发明还提供一种采用上述粉体组合物制备的铜合金复合材料层。

再者，本发明还提供一种具有上述铜合金复合材料层的电触头，该电触头具有高的耐电弧烧蚀性能、抗熔焊性能以及复合材料层强度。

最后，本发明还提供一种上述电触头的制备方法，其工艺简单，制备成本低。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

铜合金材料用粉体组合物，由以下质量百分数的组分组成：WC粉末1.0～5.0％，CeO₂粉末0.2～1.0％，W粉末30.0～70.0％，余量为Cu粉末。

所述Cu粉末的粒度为200～400目，其他粉末材料的粒度均为2～15μm。

铜合金复合材料层，由上述粉体组合物经混合、熔炼、成形制得，熔炼温度为1100～1180℃。

电触头，包括基体及包覆在基体表面的铜合金复合材料层，铜合金复合材料层的厚度为2.0～4.5mm。

所述基体采用Cu-Cr合金材料，如QCr0.5合金。

上述电触头的制备方法，包括以下步骤：取铜合金材料用粉体组合物，混匀后得混合粉末，在混合粉末中加入粘结剂，混匀后包覆在Cu-Cr合金的表面形成包覆层，经加热熔焊制得铜合金复合材料层，再经固溶、时效、成形处理，即得电触头。

所述粘结剂可采用浓度0.5％的松香酒精溶液(即在无水乙醇中添加0.5％的松香)，或者其他溶于溶剂的热塑性高分子材料(如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)，例如0.5～1.0％的聚乙烯丙酮溶液，0.5～1.0％的聚乙烯石油醚溶液，等。粘结剂的加入量为混合粉末质量的1.0～2.0％，优选1.5％。

所述包覆层的厚度为2.5～5mm。

所述加热熔焊为惰性气氛保护下、在高频感应加热熔焊装置中进行表面重熔处理。所述惰性气氛可为氩气气氛，氩气流量为10～20L/min，优选15L/min)。加热熔焊的条件为：感应圈移动速率0.1～10mm/s，感应加热温度1100～1180℃，感应圈从一端匀速移动至另一端。

所述固溶处理的条件为：温度950～1000℃，保温30～60min，氩气气氛。固溶处理后水冷。

所述时效处理的条件为：温度450～500℃，保温1～4h。时效处理后空冷。

本发明的有益效果：

本发明中铜合金复合材料的主要成分为W和Cu，能形成WCu合金，其中添加的CeO₂和WC粒子弥散分布于WCu合金基体中，且电子逸出功比W低，既起弥散强化作用，又能使电弧得到有效分散，从而提高触头材料的耐电弧烧蚀性能、抗熔焊性能及复合材料层强度等。

本发明中铜合金复合材料层主要由合金基体和混合颗粒弥散强化相组成，具有优良的抗电弧烧蚀性能、抗电压强度、良好的载流能力，良好的抗熔焊性能和截断电流能力，同时复合材料层的承载基体采用力学性能和电学、热学性能优良的Cu-Cr合金，因此由上述两种合金通过熔焊冶金复合形成的新型电触头材料同时兼具两者的优良特性，以取代整体钨铜(或铜钨)合金整体触头材料，具有制备工艺相对简单，节约战略金属钨，降低成本等优点。

本发明先在Cu-Cr合金表面预置Cu-W-WC-CeO₂混合料层，在惰性气氛中进行高频感应加热熔焊，再经固溶、时效处理得到钨铜合金整体触头材料，其中Cu-W-WC-CeO₂复合材料层与基体的界面结合强度为260～380MPa，电导率27～66％IACS，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤8.5×10^-2MPa,单位面积接触电阻≤73.6Ω/m²，电触头单位面积总烧损量≤3.8×10^-3g/mm²，可满足高压开关与断路器用自力型整体触头的要求。且制备工艺简单，易于控制，成本较低，适用于制造高压开关和高压断路器触头零部件。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

本实施例中铜合金材料用粉体组合物，由以下质量百分数的组分组成：WC粉末5.0％，CeO₂粉末1.0％，W粉末30.0％，余量为Cu粉；Cu粉的粒度为300～400目，其他粉末材料的粒度均为2～5μm。

电触头，由以下步骤制备得到：

1)QCr0.5合金棒螺纹加工和预处理

将直径12mm的QCr0.5合金棒表面机械加工出M12mm×1.75mm的粗牙螺纹，并进行机械粘结前的预处理：依次进行10％Na₂CO₃水溶液清洗脱脂、清水冲洗和烘干；其中QCr0.5合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y；10％Na₂CO₃水溶液进行清洗脱脂目的是除去QCr0.5合金棒表面粘附的油污；

2)粉末配制和混合

按照质量百分数准确取WC粉末、CeO₂粉末、W粉末与Cu粉，采用V型混粉机充分混合4小时；

3)混合粉末的模具机械粘结预置

采用Q235钢制模具(常规的具定位功能的双台阶通孔模具)对QCr0.5合金棒表面进行预置上述混合后的粉末材料，预置后室温干燥2小时；预置前将混合均匀的粉末与粘结剂混合均匀，粘结剂为0.5％的松香酒精溶液，粘结剂的添加量为混合粉末质量的1.5％，预置层厚度为2.5mm；

4)氩气保护高频感应加热熔焊

将上述机械粘结预置合金层的合金棒在氩气气氛保护高频感应熔焊装置中进行表面局部依次重熔处理，氩气流量为15L/min，感应圈宽50mm，感应圈移动速率10mm/s，感应加热温度1130℃，从一端匀速移动至另一端，处理后室温冷却；

5)固溶和时效处理

对氩气保护高频感应加热熔焊后的合金棒进行固溶和时效处理，以提高心部力学性能和导电率；固溶处理温度950℃，氩气保护加热，保温60min，水冷；时效处理温度500℃，保温1h，空冷；

6)机械加工

对固溶和时效处理后的合金棒进行机械加工和修整(即根据零件形状进行车削、弯曲等机械加工)。

取本实施例的触头材料进行结合强度等的测试，测试结果为380MPa，高于目前高压开关厂所采用的256MPa标准，电导率61.5％IACS，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤7.8×10^-2MPa,单位面积接触电阻≤27.6Ω/m²，电触头单位面积总烧损量≤3.7×10^-3g/mm²，能够满足高压开关与断路器用自力型整体触头的要求。

实施例2

本实施例中铜合金材料用粉体组合物，由以下质量百分数的组分组成：WC粉末3.0％，CeO₂粉末0.5％，W粉末50.0％，余量为Cu粉；Cu粉的粒度为300～400目，其他粉末的粒度均为2～5μm。

电触头，由以下步骤制备得到：

1)QCr0.5合金棒螺纹加工和预处理

将直径20mm的QCr0.5合金棒表面机械加工出M20mm×2.5mm的粗牙螺纹，并进行机械粘结前的预处理：依次进行10％Na₂CO₃水溶液清洗脱脂、清水冲洗和烘干；其中QCr0.5合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y；10％Na₂CO₃水溶液进行清洗脱脂目的是除去QCr0.5合金棒表面粘附的油污；

2)粉末配制和混合

按照质量百分数准确取WC粉末、CeO₂粉末、W粉末与Cu粉，采用V型混粉机充分混合3小时；

3)混合粉末的模具机械粘结预置

在QCr0.5合金棒表面预置上述混合后的粉末材料，预置后室温干燥2小时；预置前将混合均匀的粉末与粘结剂混合均匀，粘结剂为0.5％的松香酒精溶液，粘结剂的添加量为混合粉末质量的1.5％，预置层厚度为3.5mm；

4)氩气保护高频感应加热熔焊

将上述机械粘结预置合金层的合金棒在氩气气氛保护高频感应熔焊装置中进行表面局部依次重熔处理，氩气流量为15L/min，感应圈宽50mm，感应圈移动速率5mm/s，感应加热温度1150℃，从一端匀速移动至另一端，处理后室温冷却；

5)固溶和时效处理

对氩气保护高频感应加热熔焊后的合金棒进行固溶和时效处理，以提高心部力学性能和导电率；固溶处理温度1000℃，氩气保护加热，保温30min，水冷；时效处理温度450℃，保温4h，空冷；

6)机械加工

对固溶和时效处理后的合金棒进行机械加工和修整。

取本实施例的触头材料进行结合强度等的测试，测试结果为317MPa，高于目前高压开关厂所采用的256MPa标准，电导率58.4％IACS，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤5.2×10^-2MPa,单位面积接触电阻≤65.1Ω/m²，电触头单位面积总烧损量≤3.2×10^-3g/mm²。

实施例3

本实施例中铜合金材料用粉体组合物，由以下质量百分数的组分组成：WC粉末1.0％，CeO₂粉末0.2％，W粉末70.0％，余量为Cu粉；Cu粉的粒度为300～400目，其他粉末的粒度均为2～5μm。

电触头，由以下步骤制备得到：

1)QCr0.5合金棒螺纹加工和预处理

将直径30mm的QCr0.5合金棒表面机械加工出M30mm×3.5mm的粗牙螺纹，并进行机械粘结前的预处理：依次进行10％Na₂CO₃水溶液清洗脱脂、清水冲洗和烘干；其中QCr0.5合金棒为符合GB/T5233-2001规定的Cu-Cr合金，状态为硬化态Y；10％Na₂CO₃水溶液进行清洗脱脂目的是除去QCr0.5合金棒表面粘附的油污；

2)粉末配制和混合

按照质量百分数准确取WC粉末、CeO₂粉末、W粉末与Cu粉，采用V型混粉机充分混合2小时；

3)混合粉末的模具机械粘结预置

在QCr0.5合金棒表面预置上述混合后的粉末材料，预置后室温干燥2小时；预置前将混合均匀的粉末与粘结剂混合均匀，粘结剂为0.5％的松香酒精溶液，粘结剂的添加量为混合粉末质量的1.5％，预置层厚度为5mm；

4)氩气保护高频感应加热熔焊

将上述机械粘结预置合金层的合金棒在氩气气氛保护高频感应熔焊装置中进行表面局部依次重熔处理，氩气流量为15L/min，感应圈宽50mm，感应圈移动速率0.1mm/s，感应加热温度1180℃，从一端匀速移动至另一端，处理后室温冷却；

5)固溶和时效处理

对氩气保护高频感应加热熔焊后的合金棒进行固溶和时效处理，以提高心部力学性能和导电率；固溶处理温度980℃，氩气保护加热，保温45min，水冷；时效处理温度480℃，保温1.5h，空冷；

6)机械加工

对固溶和时效处理后的合金棒进行机械加工和修整。

取本实施例的触头材料进行结合强度等的测试，测试结果为274MPa，高于目前高压开关厂所采用的256MPa标准，电导率43.6％IACS，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤2.3×10^-2MPa,单位面积接触电阻≤73.5Ω/m²，电触头单位面积总烧损量≤2.9×10^-3g/mm²。

上述实施例1～3中随着W添加量的升高，触头材料的界面结合强度下降，原因在于W是影响界面结合强度的最主要因素，W与Cu互不相容，界面上形不成合金结合层。

Claims (2)

1.电触头，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：取铜合金材料用粉体组合物，混匀后得混合粉末，在混合粉末中加入粘结剂，混匀后包覆在Cu-Cr合金的表面形成包覆层，经加热熔焊制得铜合金复合材料层，再经固溶、时效、成形处理，即得；

所述铜合金材料用粉体组合物由以下质量百分数的组分组成：WC粉末1.0~5.0%，CeO₂粉末0.2~1.0%，W粉末30.0~70.0%，余量为Cu粉末；

所述Cu粉末的粒度为200~400目，其他粉末材料的粒度均为2~15μm；

所述粘结剂为浓度0.5%的松香酒精溶液、浓度0.5~1.0%的聚乙烯丙酮溶液或浓度0.5~1.0%的聚乙烯石油醚溶液；粘结剂的加入量为混合粉末质量的1.0~2.0%；

所述包覆层的厚度为2.5~5mm；

所述加热熔焊的条件为：感应圈移动速率0.1~10mm/s，感应加热温度1100~1180℃；

所述固溶处理的条件为：温度950~1000℃，保温30~60min，氩气气氛；

所述时效处理的条件为：温度450~500℃，保温1~4h。

2.电触头的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：取铜合金材料用粉体组合物，混匀后得混合粉末，在混合粉末中加入粘结剂，混匀后包覆在Cu-Cr合金的表面形成包覆层，经加热熔焊制得铜合金复合材料层，再经固溶、时效、成形处理，即得；

所述铜合金材料用粉体组合物由以下质量百分数的组分组成：WC粉末1.0~5.0%，CeO₂粉末0.2~1.0%，W粉末30.0~70.0%，余量为Cu粉末；

所述Cu粉末的粒度为200~400目，其他粉末材料的粒度均为2~15μm；

所述粘结剂为浓度0.5%的松香酒精溶液、浓度0.5~1.0%的聚乙烯丙酮溶液或浓度0.5~1.0%的聚乙烯石油醚溶液；粘结剂的加入量为混合粉末质量的1.0~2.0%；

所述包覆层的厚度为2.5~5mm；

所述加热熔焊的条件为：感应圈移动速率0.1~10mm/s，感应加热温度1100~1180℃；

所述固溶处理的条件为：温度950~1000℃，保温30~60min，氩气气氛；

所述时效处理的条件为：温度450~500℃，保温1~4h。