CN106180653A - 放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，包括以下步骤：步骤1，将钨粉倒入石墨模具，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，通入脉冲直流电流并升温至1320‑1480℃，保温2.5‑5min后，随炉冷却得到钨骨架；步骤2，将铜块抛光并超声清洗干净，用激光以10‑500毫米/秒的速度进行激光照射扫描，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；步骤3，将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，升温至1300‑1400℃后，保温2‑3小时，得到烧结后的铜钨烧结体；步骤4，将铜钨烧结体在压力为50‑100MPa，温度为800‑850℃的条件下进行抽真空热压，冷却至室温，即得到铜钨触头材料。本发明生产方法有缩短生产周期的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电触头制备技术领域，具体涉及一种放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法。
背景技术
高压开关的心脏元件，通过它的分断和接通，达到传递、承受、断开、控制能量的目的。高压电触头在高电压、大电流、高温电弧的共同作用下其动作可靠性、耐久性、稳定性是影响开关寿命、安全可靠及电网的稳定性的关键因素。
铜钨触头由于耐电弧能力较强，尤其是在断路器分合过程中，会产生电弧，大量的能量作用在触头上，因此耐烧的材料是保证断路器电气寿命的重要条件。
公开号为CN102800420A的发明公开了一种铜钨触头的制作方法，该方法包括以下步骤：(1)制钨坯：将钨粉、成型剂、润湿剂按照重量比2100∶11∶15混合搅拌，然后放入成型模具内压制成型，得到钨坯；(2)制作石墨坩埚：根据所要制作的铜钨触头的大小，选取对应的石墨棒材并将其加工制得内腔为触头形状的石墨坩埚；(3)烘干石墨坩埚：将石墨坩埚放入烘箱内烘干；(4)保护石墨坩埚：在石墨坩埚的内壁上涂刷石墨水剂或粘贴石墨纸，然后将石墨坩埚放入烘箱内保温；(5)制备含铜材料：根据所要制作的铜钨触头的重量以及石墨坩埚的内腔大小，制作对应的含铜材料；(6)装坩埚：将钨坯放入石墨坩埚底部，然后将含铜材料放入石墨坩埚，并将其置于钨坯的上表面；(7)装炉抽真空加热熔渗：将装料后的石墨坩埚放入真空炉内的加热器内，关闭炉门并启动真空泵进行抽真空，抽真空后开启加热器对石墨坩埚进行加热，含铜材料熔渗入钨坯中得到铜钨触头；(8)冷却：加热完成后，在恒温状态下将石墨坩埚缓慢退出加热器，然后关闭加热器；(9)出炉：关闭加热器后关闭真空泵，打开炉门取出石墨坩埚，从石墨坩埚中取出铜钨触头。
从上述制备铜钨触头材料的工艺过程可以看出，需要将钨粉预先成型，成型环节一般通过均匀添加成型剂及液压机完成，并在高温渗铜之前进行预烧结，以提升铜钨触头材料综合性能，预烧结通过依靠真空烧结炉完成，造成生产成本高、耗能大等缺点。在高压开关要求不断提升的背景下，铜钨触头材料的制备改善优化变得十分重要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种缩短生产周期以及降低能耗的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法。
解决上述技术问题的技术方案如下：
放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，烧结：将钨粉倒入石墨模具，将模具放置在氢气炉中，对粉末进行还原，轻烧，出炉，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，当压强达到30-45MPa后，通入脉冲直流电流并升温至1320-1480℃，保温2.5-5min后，随炉冷却得到钨骨架；
步骤2，铜块处理：取铜块，先用机械方法抛光，抛光之后的铜块在超声波清洗液中进行超声波清洗，超声频率为35-50KHz，温度为30-38℃，干燥后，用功率为5-20瓦的连续或脉冲激光以10-500毫米/秒的速度进行激光照射扫描，冷却至室温，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；
步骤3，高温渗铜：将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，升温至1300-1400℃后，保温2-3小时，得到烧结后的铜钨烧结体；
步骤4，热压：将铜钨烧结体在压力为50-100MPa，温度为800-850℃的条件下进行抽真空热压，热压时间为40-100min，再冷却至室温，即得到铜钨触头材料。
优选地，所述钨粉的粒径为4-8μm。
优选地，所述脉冲直流电流为1200-1800A。
优选地，步骤3中所述保护气体为氮气。
优选地，保护气体气氛流量≥0.2m3/h/h，
优选地，步骤1中以100-300℃/min的升温速率升温至1320-1480℃。
优选地，步骤2中所述等离子体处理为氩气等离子体处理，处理时间15-20min。
优选地，在石墨模具和/或石墨舟的表面涂有涂层，该涂层的化学成分为高铝粉25-40重量份，钝化剂为1-3重量份，云母粉4-8重量份，石墨5-10重量份，水1-3重量份，粘结剂20-30重量份。
优选地，其中钝化剂为CrO3、KMnO4、K2Cr2O7中任一种；粘结剂为钠玻璃、钾玻璃或钠-钾玻璃三种水玻璃中任一种。
本发明的显著效果是：本发明通过将等离子体烧结工艺替代成型和预烧结两个环节，提高铜钨触头材料的抗电弧烧蚀性能的同时，大大降低生产成本，减少耗能。制备获得的铜钨触头材料在保证性能的同时，不但有效地缩短了生产周期，减少了耗能，而且加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的铜钨触头材料。
以本发明的方法获得混粉CuW70、CuW90触头材料为例，其性能检测如下(表1：混粉CuW70、CuW90触头材料性能检测表)：
表1
另外，本发明在石墨模具和石墨舟的表面设置了涂层后，由于该涂层可以耐受1500℃以上的温度，因此，不但对烧结的产品和石墨模具起到了隔离作用，而且还有助于对石墨模具和烧结的产品起到保护作用。
具体实施方式
实施例1：
放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，烧结：将粒径为4μm的钨粉倒入石墨模具，将模具放置在氢气炉中，对粉末进行还原，轻烧，出炉，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，所述等离子体处理为氩气等离子体处理，处理时间15min，当压强达到30MPa后，通入1200A的脉冲直流电流并以100℃/min的升温速率升温至1320℃，保温2.5min后，随炉冷却得到钨骨架；
步骤2，铜块处理：取铜块，先用机械方法抛光，抛光之后的铜块在超声波清洗液中进行超声波清洗，超声频率为35KHz，温度为30℃，干燥后，用功率为5瓦的连续或脉冲激光以10毫米/秒的速度进行激光照射扫描，冷却至室温，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；
步骤3，高温渗铜：将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，所述保护气体为氮气，保护气体气氛流量为0.2m3/h/h，升温至1300℃后，保温2小时，得到烧结后的铜钨烧结体；
步骤4，热压：将铜钨烧结体在压力为50MPa，温度为800℃的条件下进行抽真空热压，热压时间为40min，再冷却至室温，即得到铜钨触头材料。
在所述石墨模具和/或石墨舟的表面涂有涂层，该涂层的化学成分为高铝粉25重量份，钝化剂为1重量份，云母粉4重量份，石墨5重量份，水1重量份，粘结剂20重量份。其中钝化剂为CrO3，粘结剂为钠玻璃。
实施例2：
步骤1，烧结：将粒径为6μm的钨粉倒入石墨模具，将模具放置在氢气炉中，对粉末进行还原，轻烧，出炉，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，所述等离子体处理为氩气等离子体处理，处理时间17.5min，当压强达到37.5MPa后，通入1500A的脉冲直流电流并以200℃/min的升温速率升温至1400℃，保温3.75min后，随炉冷却得到钨骨架；
步骤2，铜块处理：取铜块，先用机械方法抛光，抛光之后的铜块在超声波清洗液中进行超声波清洗，超声频率为42.5KHz，温度为34℃，干燥后，用功率为12.5瓦的连续或脉冲激光以255毫米/秒的速度进行激光照射扫描，冷却至室温，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；
步骤3，高温渗铜：将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，所述保护气体为氮气，保护气体气氛流量为0.3m3/h/h，升温至1350℃后，保温2.5小时，得到烧结后的铜钨烧结体；
步骤4，热压：将铜钨烧结体在压力为75MPa，温度为825℃的条件下进行抽真空热压，热压时间为70min，再冷却至室温，即得到铜钨触头材料。
在所述石墨模具和/或石墨舟的表面涂有涂层，该涂层的化学成分为高铝粉32.5重量份，钝化剂为2重量份，云母粉6重量份，石墨7.5重量份，水2重量份，粘结剂25重量份。其中钝化剂为KMnO4，粘结剂为钾玻璃。
实施例3：
步骤1，烧结：将粒径为8μm的钨粉倒入石墨模具，将模具放置在氢气炉中，对粉末进行还原，轻烧，出炉，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，所述等离子体处理为氩气等离子体处理，处理时间20min，当压强达到45MPa后，通入1800A的脉冲直流电流并以300℃/min的升温速率升温至1480℃，保温5min后，随炉冷却得到钨骨架；
步骤2，铜块处理：取铜块，先用机械方法抛光，抛光之后的铜块在超声波清洗液中进行超声波清洗，超声频率为50KHz，温度为38℃，干燥后，用功率为20瓦的连续或脉冲激光以500毫米/秒的速度进行激光照射扫描，冷却至室温，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；
步骤3，高温渗铜：将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，所述保护气体为氮气，保护气体气氛流量为0.35m3/h/h，升温至1400℃后，保温3小时，得到烧结后的铜钨烧结体；
步骤4，热压：将铜钨烧结体在压力为100MPa，温度为850℃的条件下进行抽真空热压，热压时间为100min，再冷却至室温，即得到铜钨触头材料。
在所述石墨模具和/或石墨舟的表面涂有涂层，该涂层的化学成分为高铝粉40重量份，钝化剂为3重量份，云母粉8重量份，石墨10重量份，水3重量份，粘结剂30重量份。其中钝化剂为K2Cr2O7，粘结剂为钠-钾玻璃。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
Claims (7)
1.放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，烧结：将钨粉倒入石墨模具，将模具放置在氢气炉中，对粉末进行还原，轻烧，出炉，放置于等离子体烧结炉内抽真空并加压，当压强达到30-45MPa后，通入脉冲直流电流并升温至1320-1480℃，保温2.5-5min后，随炉冷却得到钨骨架；
步骤2，铜块处理：取铜块，先用机械方法抛光，抛光之后的铜块在超声波清洗液中进行超声波清洗，干燥后，用功率为5-20瓦的连续或脉冲激光以10-500毫米/秒的速度进行激光照射扫描，冷却至室温，再进行等离子体处理，得到溶渗铜块备用；
步骤3，高温渗铜：将钨骨架放入石墨舟中，溶渗铜块置于钨骨架之上，周围使用刚玉粉填埋，置于具有保护气体气氛的高温烧结炉中，升温至1300-1400℃后，保温2-3小时，得到烧结后的铜钨烧结体；
步骤4，热压：将铜钨烧结体在压力为50-100MPa，温度为800-850℃的条件下进行抽真空热压，热压时间为40-100min，再冷却至室温，即得到铜钨触头材料。
2.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，所述钨粉的粒径为4-8μm。
3.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，所述脉冲直流电流为1200-1800A。
4.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，步骤3中，保护气体为氮气。
5.根据权利要求1或3所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，保护气体气氛流量≥0.2m3/h。
6.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，步骤1中以100-300℃/min的升温速率升温至1320-1480℃。
7.根据权利要求1所述的放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，其特征在于，步骤2中所述等离子体处理为氩气等离子体处理。
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