CN116005020B - 一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,主要包括以下步骤:S1、一次配料;S2、真空感应熔炼;S3、二次加料;S4、雾化制粉;S5、筛分;S6、二次配料;S7、混料;S8、压制;S9、烧结;S10、复压。本发明通过利用混粉工艺制备铜碲触头材料,相比于普通熔铸工艺提高了材料的利用率,利用本发明方法制作混粉触头相对于利用普通熔铸工艺熔铸触头,工艺简单、成本低、成分易于控制,并且本发明所使用的粉末烧结法是固相烧结过程,制备的触头有相对较低的密度以及颗粒之间低的结合强度,因此利用本发明提供的方法制作的触头相对于普通熔铸法制作的触头具有相对较高的抗熔焊性。
Description
技术领域
本发明涉及合金触头制备技术领域,具体是涉及一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法。
背景技术
在开关电器中,电触头直接承担分断和接通电路并承载正常工作电流或在一定的时间内承载过载电流的功能,各类电器的关键功能,如配电电器的通断能力,控制电器的电气寿命,继电器的可靠性,都取决于触头的工作性能和质量。同时触头也是开关电器中最薄弱的环节和容易出故障的部分:一旦触头***不能正常工作,如电力***发生短路寸,高压断路器触头拒绝断开,将引起极为严重的后果。
随着新能源汽车、充电桩、太阳能、风能、储电***、工业自动化等新能源领域的快速发展,对直流接触器的需求量不断增加,另外,直流接触器等级也逐渐向高电压大电流发展。触头材料作为直流接触器的核心部件,其性能直接决定直流接触器的功能如耐高压、耐负载、抗冲击、灭弧能力、分断能力等。
传统低压接触器的触头材料为纯铜材质,但随着电压等级和开断电流的增大,纯铜的开断能力和抗烧蚀性能逐渐不能满足要求,而市场上存在的弥散化铜触头材料价格较高且焊接性差严重制约其使用,市场急需一种性价比低的触头材料满足直流接触器的发展要求。因此现需要一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法。
本发明的技术方案是:一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,主要包括以下步骤:
S1、一次配料:
按重量百分比计,Cu:98.5~99.7%,余量为Te,进行原材料准备及配料,所述原材料中Cu采用无氧Cu;
S2、真空感应熔炼:
将Cu块装入坩埚,将Te块放入二次加料装置中,对Cu块进行真空感应熔炼处理,同时对中间包进行预热;
S3、二次加料:
待到Cu熔液完全熔化,通过二次加料装置加入Te块,直到熔液全部化清,将Cu熔液与Te熔液搅拌均匀,保持3~5min;
S4、雾化制粉:
向真空熔炼***中充入惰性气体,等到CuTe合金熔液完全混合混匀且中间包温度达到1083℃时,进行雾化处理;
S5、筛分:
采用选粉设备对雾化粉进行筛分;
S6、二次配料:
将雾化铜碲粉和电解铜粉按照重量百分比配比,铜碲粉占50~100%,余量为电解铜粉;
S7、混料
将步骤S6中称取的雾化铜碲粉和电解铜粉在双滚螺旋混料机中进行混料,搅拌速度为30~60r/min,搅拌时间为2~7h;
S8、压制
将混好的粉装入成型模具中在干粉自动成型液压机上以2.7~4.1t/cm3的压制压力进行压坯;
S9、烧结
将压好的坯体放至真空烧结炉中在真空度1×10-3~1×10-1Pa条件下进行烧结,烧结方式采用梯度升温保温的方式,最高升温温度控制在800~1050℃,保温时间2h;
S10、复压
将烧结好的料放入整型模具中在干粉自动成型液压机上进行压坯,按照产品承压面积8~12t/cm3进行施压,将产品压制密实状态,最终密度达到8.9g/cm3以上。
说明:上述方法取用无氧铜棒与碲块通过真空感应熔炼进行混合,接着通过雾化法制备铜碲合金粉,再采用粉末冶金法制备铜碲合金触头,此方法相比于寻常制作触头时需要熔炼再变形的处理工艺材料利用率高,而碲铜合金材料兼顾了较好的易切削性能和优良的导电、导热性能,同时具备抗腐蚀和抗电烧蚀性能,冷热加工性能较好,可锻造、铸造、挤压拉制、冲制模压,其无论性能还是价格应用于目前直流接触器都占据优势,目前铜碲触头的制备一般都是采用熔炼法炼锭再挤压或冲压成型,这就会导致材料利用率较低,本方法制作混粉触头相对熔铸触头,工艺简单、成本低、成分易于控制。由于粉末烧结法是固相烧结过程,制备的触头有相对较低的密度以及颗粒之间低的结合强度,因此通过此方法制得的触头具有相对较高的抗熔焊性。
进一步地,步骤S4中的雾化方式包括水雾化和气雾化。
说明:利用水雾化与气雾化相结合来对铜碲合金进行雾化处理制得铜碲合金粉末,不仅缩短了制粉所需要的时间,并且避免了在水雾化或气雾化过程中出现部分合金未被雾化的问题,增加了制粉率。
进一步地,步骤S4中水雾化的压力为1500bar,喷嘴采用环缝喷嘴,水流量5m3/ks,采用3~6mm漏眼。
说明:通过上述设置利用环缝喷嘴将水雾喷出利用细小的水雾将铜碲合金熔液带出形成铜碲合金粉末。
进一步地,步骤S4中气雾化处理使用紧耦合式喷嘴,漏眼尺寸3~6mm,雾化气压力2~8Mpa,惰性气体为高纯氩气。
说明:通过上述设置利用紧耦合式喷嘴将惰性气体高压喷出将铜碲合金熔液剪切形成铜碲合金粉末,由于高纯氩气化学性质稳定,具有不燃烧也不助燃的特性,所以选用高纯氩气作为气雾化的惰性气体。
进一步地,步骤S5中选粉设备采用200目筛子。
说明:通过上述设置可将-200目的铜碲合金粉末筛分出来以便后续使用。
进一步地,步骤S6中电解铜粉的粒度在-200目,纯度≥99.7%,氧含量≤700ppm。
说明:选用-200目的电解铜粉方便与-200目的铜碲合金粉末进行混合。
进一步地,步骤S8中成型模具成型区域外轮廓尺寸比产品外径尺寸小0.5~0.7mm,内孔和内台阶尺寸比产品尺寸大0.5~0.7mm。
说明:通过上述设置,可以防止压好的胚体在后续烧结过程中内应力释放从而导致产品膨胀变形的的问题。
进一步地,步骤S8中压坯厚度根据ρ2*V2/(ρ1*S1)计算,其中,ρ2为产品最终密度,V2为产品最终体积,ρ1为产品初压密度,S1为产品初压面积。
说明:通过上述公式可以计算出铜碲合金粉末与电解铜粉进行混合压制后制得的胚体厚度。
进一步地,步骤S9中所述梯度升温保温的方式为:由室温升温至300℃并保温2h,升温时间为2h,再由300℃升温至500℃并保温2h,升温时间为3h,再由500℃升温至800℃~1050℃并保温3h,升温时间为2~5h,关闭加热,随炉冷却至60℃,出炉。
说明:在烧结过程中通过利用梯度升温的方式,避免了在烧结过程中升温过快可能会导致烧结中的胚体出现开裂等问题,保证了后续工序的持续性,并且避免了材料的浪费。
进一步地,S10中整型模具外径和内孔及内台阶尺寸与产品尺寸相同。
说明:通过上述设置,可将烧结好的材料经过复压工序,使材料达到需要的尺寸。
本发明的有益效果是:
(1)本发明通过利用混粉工艺制备铜碲触头材料,碲铜合金材料兼顾了较好的易切削性能和优良的导电、导热性能,同时具备抗腐蚀和抗电烧蚀性能,冷热加工性能较好,可锻造、铸造、挤压拉制、冲制模压,其无论性能还是价格应用于目前直流接触器都占据优势,通过本发明方法制作触头,相比于普通熔铸工艺提高了材料的利用率。
(2)利用本发明方法制作混粉触头相对于利用普通熔铸工艺熔铸触头,工艺简单、成本低、成分易于控制。
(3)本发明所使用的粉末烧结法是固相烧结过程,制备的触头有相对较低的密度以及颗粒之间低的结合强度,因此利用本发明提供的方法制作的触头相对于普通熔铸法制作的触头具有相对较高的抗熔焊性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明,以更好地体现本发明的优势。
实施例1
一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,主要包括以下步骤:
S1、一次配料:
按重量百分比计,Cu:98.5%,余量为Te,进行原材料准备及配料,所述原材料中Cu采用无氧Cu;
S2、真空感应熔炼:
将Cu块装入坩埚,将Te块放入二次加料装置中,对Cu块进行真空感应熔炼处理,同时对中间包进行预热;
S3、二次加料:
待到Cu熔液完全熔化,通过二次加料装置加入Te块,直到熔液全部化清,将Cu熔液与Te熔液搅拌均匀,保持5min;
S4、雾化制粉:
向真空熔炼***中充入高纯氩气,等到CuTe合金熔液完全混合混匀且中间包温度到1083℃时,进行水雾化和气雾化处理,所述水雾化的压力为1500bar,喷嘴采用环缝喷嘴,水流量5m3/ks,采用5mm漏眼,所述气雾化处理使用紧耦合式喷嘴,漏眼尺寸5mm,雾化气压力6Mpa;
S5、筛分:
采用200目筛子对雾化粉进行筛分;
S6、二次配料:
将雾化铜碲粉和电解铜粉按照重量百分比配比,铜碲粉占50%,余量为电解铜粉,所述电解铜粉的粒度在-200目,纯度为99.9%,氧含量为600ppm;
S7、混料
将步骤S6中称取的雾化铜碲粉和电解铜粉在双滚螺旋混料机中进行混料,搅拌速度为60r/min,搅拌时间为7h;
S8、压制
将混好的粉装入成型模具中在干粉自动成型液压机上以4.1t/cm3的压制压力进行压坯,所述成型模具成型区域外轮廓尺寸比产品外径尺寸小0.5mm,内孔和内台阶尺寸比产品尺寸大0.5mm,且压坯厚度根据ρ2*V2/(ρ1*S1)计算,其中,ρ2为产品最终密度,V2为产品最终体积,ρ1为产品初压密度,S1为产品初压面积;
S9、烧结
将压好的坯体放至真空烧结炉中在真空1×10-3×10-1Pa条件下进行烧结,由室温升温至300℃并保温2h,升温时间为2h,再由300℃升温至500℃并保温2h,升温时间为3h,再由500℃升温至1050℃并保温3h,接着关闭加热,随炉冷却至60℃,出炉;
S10、复压
将烧结好的料放入整型模具中在干粉自动成型液压机上进行压坯,所述整型模具外径和内孔及内台阶尺寸与产品尺寸相同,按照产品承压面积12t/cm3进行施压,将产品压制最终密度达到11.6g/cm3。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S1中,按重量百分比计,Cu:99%,余量为Te。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S1中,按重量百分比计,Cu:99.7%,余量为Te。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S3中,将Cu熔液与Te熔液搅拌均匀,保持3min。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S3中,将Cu熔液与Te熔液搅拌均匀,保持4min。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S6中,照重量百分比配比,铜碲粉占80%,余量为电解铜粉。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S6中,照重量百分比配比,铜碲粉占100%。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S7中,搅拌速度为30r/min,搅拌时间为2h。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S7中,搅拌速度为45/min,搅拌时间为4.5h。
实施例10
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S8中,将混好的粉装入成型模具中在干粉自动成型液压机上以3.4t/cm3的压制压力进行压坯。
实施例11
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S8中,将混好的粉装入成型模具中在干粉自动成型液压机上以2.7t/cm3的压制压力进行压坯。
实施例12
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S9中,再由500℃升温至900℃并保温3h。
实施例13
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S9中,再由500℃升温至800℃并保温3h。
实施例14
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S10中,按照产品承压面积10t/cm3进行施压,将产品压制最终密度达到9.7g/cm3。
实施例15
本实施例与实施例1基本相同,与其不同之处在于步骤S10中,按照产品承压面积8t/cm3进行施压,将产品压制最终密度达到8.9g/cm3。
实验例
1、探究Cu、Te含量不同对触头抗拉强度以及硬度的影响
表1实施例1~3中Cu、Te含量不同对触头抗拉强度以及硬度的影响
结论:由表1数据可得,Cu、Te含量不同对触头抗拉强度以及密度有一定的影响,触头材料中Te的含量越高,触头的抗拉强度以及密度越高,由此可得,实施例1制作CuTe触头的方法为最优方法。
2、探究搅拌时间对Cu熔液与Te熔液的混合度的影响
表2实施例1、4、5中搅拌时间对Cu熔液与Te熔液的混合度的影响
结论:由表2数据可得,搅拌时间对Cu熔液与Te熔液的混合度有着一定的影响,搅拌时间越长Cu熔液与Te熔液的混合度越高,由此可得,实施例1的方法为最优方法。
3、探究电解铜粉末的占比对触头导电率的影响
表3实施例1、6、7中电解铜粉末的占比对触头导电率的影响
结论:由表3数据可得,电解铜粉末的占比对触头导电率有着一定的影响,电解铜粉末占比越多,触头的导电率就越高,由此可得实施例1的方法为最优方法。
4、探究搅拌时间与搅拌速率对电解铜粉末与铜碲粉混合度的影响表4实施例1、8、9搅拌时间与搅拌速率对电解铜粉末与铜碲粉混合度的影响
结论:由表4数据可得,搅拌时间与搅拌速率对电解铜粉末与铜碲粉混合度有着一定的影响,搅拌时间越长电解铜粉末与铜碲粉混合度越高。搅拌速率越快电解铜粉末与铜碲粉混合度越高,因此实施例1的方法为最优方法。
5、探究压制压力对胚体初圧密度的影响
表5实施例1、10、11压制压力对胚体初压密度的影响
结论:由表5数据可得,压制压力对胚体的初圧密度有着一定的影响,压制压力越高,胚体的初圧密度就越高,因此,实施例1的方法为最优方法。
6、探究温度对胚体烧结后气孔率以及收缩率的影响
表6实施例1、12、13温度对胚体烧结后气孔率以及收缩率的影响
结论:由表6数据可得,温度对胚体烧结后气孔率以及收缩率有着一定的影响,温度越高时,胚体烧结后气孔率越低,温度越高时,胚体烧结后收缩率越高,由此可得,实施例1中的方法为最优方法。
7、探究复压时施加压力不同对产品最终密度的影响
表7实施例1、14、15复压时施加压力不同对产品最终密度的影响
结论:由表7数据可得,在复压过程中对产品施加的压力不同,得到的产品最终密度也不同,施加压力越高,产品最终密度越高,由此可得实施例1中方法为最优方法。
Claims (10)
1.一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,主要包括以下步骤:
S1、一次配料:
按重量百分比计,Cu:98.5~99.7%,余量为Te,进行原材料准备及配料,所述原材料中Cu采用无氧Cu;
S2、真空感应熔炼:
将Cu块装入坩埚,将Te块放入二次加料装置中,对Cu块进行真空感应熔炼处理,同时对中间包进行预热;
S3、二次加料:
待到Cu熔液完全熔化,通过二次加料装置加入Te块,直到熔液全部化清,将Cu熔液与Te熔液搅拌均匀,保持3~5min;
S4、雾化制粉:
向真空熔炼***中充入惰性气体,等到CuTe合金熔液完全混合混匀且中间包温度达到1083℃时,进行雾化处理;
S5、筛分:
采用选粉设备对雾化粉进行筛分;
S6、二次配料:
将雾化铜碲粉和电解铜粉按照重量百分比配比,铜碲粉占50~100%,余量为电解铜粉;
S7、混料
将步骤S6中称取的雾化铜碲粉和电解铜粉在双滚螺旋混料机中进行混料,搅拌速度为30~60r/min,搅拌时间为2~7h;
S8、压制
将混好的粉装入成型模具中在干粉自动成型液压机上以2.7~4.1t/cm3的压制压力进行压坯;
S9、烧结
将压好的坯体放至真空烧结炉中在真空度1×10-3~1×10-1Pa条件下进行烧结,烧结方式采用梯度升温保温的方式,最高升温温度控制在800~1050℃,保温时间2h;
S10、复压
将烧结好的料放入整型模具中在干粉自动成型液压机上进行压坯,按照产品承压面积8~12t/cm3进行施压,将产品压制密实状态。
2.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中的雾化方式包括水雾化和气雾化。
3.根据权利要求2中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中水雾化的压力为1500bar,喷嘴采用环缝喷嘴,水流量5m3/ks,采用3~6mm漏眼。
4.根据权利要求2中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中气雾化处理使用紧耦合式喷嘴,漏眼尺寸3~6mm,雾化气压力2~8Mpa,惰性气体为高纯氩气。
5.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S5中选粉设备采用200目筛子。
6.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S6中电解铜粉的粒度在-200目,纯度≥99.7%,氧含量≤700ppm。
7.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S8中成型模具成型区域外轮廓尺寸比产品外径尺寸小0.5~0.7mm,内孔和内台阶尺寸比产品尺寸大0.5~0.7mm。
8.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S8中压坯厚度根据ρ2*V2/(ρ1*S1)计算,其中,ρ2为产品最终密度,V2为产品最终体积,ρ1为产品初压密度,S1为产品初压面积,ρ2为产品最终密度。
9.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,步骤S9中所述梯度升温保温的方式为:由室温升温至300℃并保温2h,升温时间为2h,再由300℃升温至500℃并保温2h,升温时间为3h,再由500℃升温至800℃~1050℃并保温3h,升温时间为2~5h,关闭加热,随炉冷却至60℃,出炉。
10.根据权利要求1中一种用于高压直流接触器用CuTe触头材料的制备方法,其特征在于,S10中整型模具外径和内孔及内台阶尺寸与产品尺寸相同。
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