CN109290582A - 一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：(1)选用电解铜粉和电解铬粉作为原料，并按要求配比为铜铬粉；(2)将铜铬粉进行氢气保护球磨混合；(3)根据铜铬触头模型进行激光增材打印；(4)对铜铬打印毛坯样品进行热处理；(5)最后进行表面加工处理。本发明对原始粉末要求低，可采用现有的粉末直接进行打印，同时制备出的铜铬触头材料平均铬颗粒大小可达到1‑2μm，具备气体含量低、硬度高等优点，能大大的提高了铜铬触头材料的开断性能和抗电弧烧蚀性能，还具有生产流程简单，可实现工业化生产，以及效果高、成本低等优点。

Description

一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法。
背景技术
真空断路器由于运行安全、可靠、受外界环境影响小，免维护等特点，从 19世界70年代开始真空断路器被广泛应用于输配电领域替代油断路器和F6S断路器，而铜铬触头材料由于具有良好的开断性能、抗熔焊性和高的抗熔焊性能，所以成为真空断路器电极材料的首选。但随着真空断路器从最初的12kV等级提高到现在的126kV等级，并且随着技术的不断发展，还在向小型化、智能化发展，因此对核心的铜铬触头材料性能要求越来越高。
在铜铬触头材料中，当铬颗粒越细小均匀分布，触头材料的开断性能、抗电弧烧蚀性能越好，并且截流值越低。目前铜铬触头材料工业化生产制备工艺主要有真空熔铸、真空熔渗、电弧熔炼以及混粉冶金四种工艺。在四种制备工艺中，电弧熔炼工艺制备出的铜铬触头材料组织最细小、最性最优，但是受制制于电弧温度、冷却速率等问题，组织中平均铬颗粒在30μm左右，且存在局部富集，很难再做到更细小弥散分布。同时，目前的金属增材制造中，为了保证增材制造过程中材料均匀性和稳定性，对金属粉末都具有较高要求，如球形粉末改善流动性，添加胶进行粘接等，不利于批量化低成本生产和应用。
例如，专利CN107931607公布了一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，该专利采用激光进行3D打印铜铬触头材料。要求Cr粉的平均粒度在2μm，铜粉的粒度在5-50μm。众所周知，粉末的粒度越小，活性能更高，更容易氧化。而铬粉、铜粉均其他金属粉末更易氧化，因此该专利制备出的铜铬合金氧含量过高不能应用于真空断路器对高真空要求中。而且平均粒度小于2μm的铬粉，生产难度大，成本非常高，无法实现工业化生产。专利CN105839037A公布了一种铜铬合金触头激光表面改性方法，首先制采用常规工艺制备出铜铬触头合金，再使用激光进行表面重熔处理，特点是可以达到触头表面铬颗粒细化的效果，但是必须采用其他工艺先制备出铜铬触头片，再进行表面重熔，生产成本高。同时，在铜铬合金表面进行二次重熔，由于铜铬触头厚度小，重熔过程中热量不均匀，易造成触头变形造成尺寸超差，因此无法应用于批量化生产中。专利 CN102943189与上述专利相似，也无法实现批量化生产应用。
因此如何使铜铬触头材料中铬颗粒更细化、弥散分布更均匀以及实现低成本批量生产，成为铜铬触头材料性能提高的技术难点。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明提供一种对原始铬粉要求低、制备的铜铬触头材料中铬颗粒更细化、弥散分布更均匀且可低成本批量生产的高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法。
本发明的技术方案为：一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取电解铬粉和电解铜粉为原材料，并按照所需要设计的铜铬触头材料对电解铬粉和电解铜粉分别进行称量，配比为铜铬粉；
(2)将所述铜铬粉与钢球按照一定的球料比一起装入气氛保护球磨机中，在混合过程中先抽真空再充入氢气保护，然后开始球磨，球磨时间为1-5h，得到球磨混合粉；
(3)将所述球磨混合粉装入铺粉式激光打印设备中，抽真空至500Pa以下，按照设计的产品尺寸在打印设备中建模打印；
(4)将步骤(3)打印好的毛坯样品进行热处理；
(5)将步骤(4)热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
进一步地，步骤(1)中所述电解铬粉的粒度为20-200μm，所述电解铜粉的粒度为50-300μm。由于本发明对原材料要求低，因此在可以选用颗粒较大、氧化含量较低的铜粉和铬粉，从而降低原材料成本，同时较大的颗粒度可以保证低的气体含量；
进一步地，步骤(1)中所述电解铬粉和电解铜粉的形状为球形、树枝形或不规则形任意一种，本发明对铜粉、铬粉的形貌无特殊要求，正常使用的铬粉和电解铜粉即可。
进一步地，步骤(1)中所述铜铬粉的铬粉重量在10-60wt％之间，铜粉重量在40-90wt％之间。
进一步地，步骤(2)中所述球料比为(0.5:1)～(1:5)。
进一步地，步骤(2)中所述抽真空至小于10-1pa，氢气充至0.6Mpa。具有气氛保护防止粉末氧化同时还原粉末降低气体含量的作用。
进一步地，步骤(3)中打印每层所述球磨混合粉的铺粉厚度为5-300μm之间，铺粉厚度太薄或太厚都会影响3D打印的最终效果。
进一步地，步骤(3)中所述打印参数为：激光功率为150-800W，打扫描速度为100-500mm/s，激光束直径为50-300μm。
进一步地，步骤(4)中所述热处理温度为700-850℃，保温1-3h。
进一步地，步骤(5)中表面加工处理前需要对样品表面用丙酮清洗剂进行清洁预处理，加工处理后利用射频等离子清洗机对成品的表面的细小污染物以及氧化物进行去除，提高样品表面铬颗粒弥散分布的均匀性。其中，射频电源功率 100-120W，采用氢气冲洗，气流25-30sccm，气压4Pa，时间为15-20min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)对原材料铜、铬粉没有特别要求，可选用更经济适用、气体含量低的现在铜、铬粉即可；
(2)在混粉、打印过程中可进一步对铜铬粉末的氧含量进一步较低，从而使铜铬触头材料具有更低的气体含量；
(3)打印出的铜铬触头中铬颗粒细小弥散分布，平均粒度可达到1-2μm之间，且具有气体含量低、硬度高等优点，大大的提高了铜铬触头材料的开断性能和抗电弧烧蚀性能；
(4)生产流程简单，可实现工业化生产，并且效果高、成本低。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是利用本发明方法制备的铜铬触头材料产品表面的X100倍金相图；
图3是利用本发明方法制备的铜铬触头材料产品表面的X500倍金相图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例来进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取形状为球形的电解铬粉(粒度为20μm)和电解铜粉(粒度为50μm) 为原材料，并按照CuCr25的材料需求，将重量百分比为75:25的电解铜粉和电解铬粉进行混合，配比为铜铬粉；由于本发明对原材料要求低，因此在可以选用颗粒较大、氧化含量较低的铜粉和铬粉，从而降低原材料成本，同时较大的颗粒度可以保证低的气体含量；
(2)将配比好的铜铬粉与钢球一起装入气氛保护球磨机中进行混合，球料比在0.5:1，混合过程特征在先抽真空在充氢气保护进行，具有气氛保护防止粉末氧化同时还原粉末降低气体含量的作用。其特征参数在先抽真空到10-1pa以下，再充氢气到0.6Mpa，然后开始球磨，球磨时间为1h。
(3)将球磨混合粉装入铺粉式激光打印设备中，打印每层球磨混合粉的铺粉厚度为5μm。抽真空至500Pa以下，按照设计的产品尺寸在打印设备中建模打印，打印参数为：激光功率为150W，打扫描速度为100mm/s，激光束直径为50μm。
(4)将步骤(3)打印好的毛坯样品进行热处理，热处理温度为700℃，保温1h。
(5)将步骤(4)热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
进一步地，步骤(5)中表面加工处理前需要对样品表面用丙酮清洗剂进行清洁预处理，加工处理后利用射频等离子清洗机对成品的表面的细小污染物以及氧化物进行去除，提高样品表面铬颗粒弥散分布的均匀性。其中，射频电源功率 100-120W，采用氢气冲洗，气流25-30sccm，气压4Pa，时间为15-20min。
实施例2
如图1所示，一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(2)选取形状为树枝形的电解铬粉(粒度为100μm)和电解铜粉(粒度为 200μm)为原材料，并按照CuCr25的材料需求，将重量百分比为75:25的电解铜粉和电解铬粉进行混合，配比为铜铬粉；由于本发明对原材料要求低，因此在可以选用颗粒较大、氧化含量较低的铜粉和铬粉，从而降低原材料成本，同时较大的颗粒度可以保证低的气体含量；
(2)将配比好的铜铬粉与钢球一起装入气氛保护球磨机中进行混合，球料比在0.7:3，混合过程特征在先抽真空在充氢气保护进行，具有气氛保护防止粉末氧化同时还原粉末降低气体含量的作用。其特征参数在先抽真空到10-1pa以下，再充氢气到0.6Mpa，然后开始球磨，球磨时间为3h。
(3)将球磨混合粉装入铺粉式激光打印设备中，打印每层球磨混合粉的铺粉厚度为150μm，铺粉厚度太薄或太厚都会影响3D打印的最终效果。抽真空至 500Pa以下，按照设计的产品尺寸在打印设备中建模打印，打印参数为：激光功率为450W，打扫描速度为300mm/s，激光束直径为175μm。
(4)将步骤(3)打印好的毛坯样品进行热处理，热处理温度为800℃，保温2h。
(5)将步骤(4)热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
实施例3
如图1所示，一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(3)选取形状为不规则形的电解铬粉(粒度为200μm)和电解铜粉(粒度为300μm)为原材料，并按照CuCr25的材料需求，将重量百分比为75:25的电解铜粉和电解铬粉进行混合，配比为铜铬粉；由于本发明对原材料要求低，因此在可以选用颗粒较大、氧化含量较低的铜粉和铬粉，从而降低原材料成本，同时较大的颗粒度可以保证低的气体含量；
(2)将配比好的铜铬粉与钢球一起装入气氛保护球磨机中进行混合，球料比在1:5，混合过程特征在先抽真空在充氢气保护进行，具有气氛保护防止粉末氧化同时还原粉末降低气体含量的作用。其特征参数在先抽真空到10-1pa以下，再充氢气到0.6Mpa，然后开始球磨，球磨时间为5h。
(3)将球磨混合粉装入铺粉式激光打印设备中，打印每层球磨混合粉的铺粉厚度为300μm之间，铺粉厚度太薄或太厚都会影响3D打印的最终效果。抽真空至500Pa以下，按照设计的产品尺寸在打印设备中建模打印，打印参数为：激光功率为800W，打扫描速度为500mm/s，激光束直径为300μm。
(4)将步骤(3)打印好的毛坯样品进行热处理，热处理温度为850℃，保温3h。
(5)将步骤(4)热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
实施例4
本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于，将重量百分比为70:30的电解铜粉和电解铬粉进行混合，配比为CuCr30铜铬粉。
实施例5
本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于，将重量百分比为60:40的电解铜粉和电解铬粉进行混合，配比为CuCr40铜铬粉。
在实施例1-5的步骤(5)中将热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理前对样品表面用丙酮清洗剂进行清洁预处理，加工处理后利用射频等离子清洗机对成品的表面的细小污染物以及氧化物进行去除，提高样品表面铬颗粒弥散分布的均匀性。其中，射频电源功率110W，采用氢气冲洗，气流27sccm，气压4Pa，时间为20min。
现已实施例2、4、5进行相关性能测试试验，测试结果如表1所示。
表1不同材质铜铬材料的相关性能参数
由上表可知，根据本发明以上步骤打印出来的铜铬材料，铬颗粒平均粒度在 1-2μm弥散分布在组织，并且具有较好的电导和硬度。其中实施例2的X100倍金相和X500倍金相分别如图2和3所示。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取电解铬粉和电解铜粉为原材料，并按照所需要设计的铜铬触头材料对电解铬粉和电解铜粉分别进行称量，配比为铜铬粉；
(2)将所述铜铬粉与钢球按照一定的球料比一起装入气氛保护球磨机中，在混合过程中先抽真空再充入氢气保护，然后开始球磨，球磨时间为1-5h，得到球磨混合粉；
(3)将所述球磨混合粉装入铺粉式激光打印设备中，抽真空至500Pa以下，按照设计的产品尺寸在打印设备中建模打印；
(4)将步骤(3)打印好的毛坯样品进行热处理；
(5)将步骤(4)热处理后的样品按成品触头尺寸进行表面加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
2.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解铬粉的粒度为20-200μm，所述电解铜粉的粒度为50-300μm。
3.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电解铬粉和电解铜粉的形状为球形、树枝形或不规则形任意一种。
4.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铜铬粉的铬粉重量在10-60wt％之间，铜粉重量在40-90wt％之间。
5.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述球料比为(0.5:1)～(1:5)。
6.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述抽真空至小于10-1pa，氢气充至0.6Mpa。
7.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中打印每层所述球磨混合粉的铺粉厚度为5-300μm之间。
8.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述打印参数为：激光功率为150-800W，打扫描速度为100-500mm/s，激光束直径为50-300μm。
9.如权利要求1所述的一种高性能弥散强化铜铬触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述热处理温度为700-850℃，保温1-3h。
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