專利名稱：一種銅鉻合金表面合金化的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅鉻合金表面合金化的制備方法，該方法是通過(guò)采用脈沖電子束 的方法在銅基材的表面形成銅鉻合金化層，屬于材料表面處理和強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于銅鉻合金的相互固溶度很小，因此銅鉻合金結(jié)合了鉻的高硬度和銅良好的導(dǎo) 電導(dǎo)熱性，在制備高強(qiáng)高導(dǎo)材料、集成電路引線框架、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線、電車 及電力火車架空導(dǎo)線等方面得到廣泛應(yīng)用，尤其是高鉻含量的銅鉻合金因具有耐電壓強(qiáng)度 高、開(kāi)斷電流能力大、抗熔焊性能好和截流性能低等特點(diǎn)，作為觸頭材料廣泛應(yīng)用于中壓真 空斷路器中。作為觸頭材料的銅鉻合金，材料表面的強(qiáng)度、顯微組織的均勻性和晶粒大小等 對(duì)觸頭材料的性能起十分重要的作用。合金表面的強(qiáng)度與耐電壓強(qiáng)度等成線性關(guān)系，因此 如何提高合金的表面強(qiáng)度，細(xì)化合金表面的顯微組織，提高合金的性能，進(jìn)而提高真空斷路 器的使用壽命是至關(guān)重要的。銅鉻合金在使用過(guò)程中發(fā)生磨損，主要集中在表面，合金的失 效往往由于觸頭材料的表面率先失效而引起整個(gè)失效，因此銅鉻合金表面的顯微組織和性 能顯得尤其重要。在以往的研究中，國(guó)夕卜有 Hirose 等“Surface alloying of copper with chromium by CO2 laser" (Materials Science and Engineering A, 1994,174:199-204) 禾口 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銅鉻合金。國(guó)內(nèi)有梁淑華等“細(xì)晶CuCr系 觸頭材料的研究”(粉末冶金技術(shù)，2000,18 (3): 196-199)和苗柏和“激光表面熔凝CuCr50 粉末冶金材料”(應(yīng)用激光，1999，19 (5) :253-255)等采用激光對(duì)銅鉻合金表面進(jìn)行了重 熔。電子束(Electron Beam)表面處理技術(shù)是將高能量密度的電子束轟擊到金屬表 面，并采用高速掃描的方式，使電子束能量均勻地分布于金屬表面。電子束表面處理技 術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中得到很好的應(yīng)用，如在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上、模具上以及各種工具進(jìn)行表面 強(qiáng)化，達(dá)到提高其耐熱、耐蝕、耐磨等性能。脈沖電子束通過(guò)將材料快速加熱使材料的表面 達(dá)到熔化溫度后再進(jìn)行急劇冷卻，通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制來(lái)提高形核率抑制晶粒長(zhǎng)大可以在材料 表面獲得納米組織。近年來(lái)許多研究者正開(kāi)展利用電子束表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行高溫合金和功 能材料的研究。迄今為止，還未見(jiàn)采用脈沖電子束對(duì)銅鉻合金進(jìn)行合金化處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)采用脈沖電子束設(shè)備對(duì)銅鉻合金進(jìn)行表面合金 化處理，從而在銅基材的表面形成一層顯微硬度高，耐磨性好的銅鉻合金化層。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利采用以下技術(shù)方案一種銅鉻合金表面合金化的制備 方法，其特征在于包括如下步驟(1)制備銅鉻合金以紫銅為基材在基材上涂敷鉻合金粉 末，或者采用電沉積法在銅基材的表面形成Cr膜，或者采用離子噴涂法在銅基材的表面噴 涂Cr層；(2 )將上述制備好的銅鉻合金裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，然后向 真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；(3)啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，對(duì)真空室內(nèi)的銅鉻合金進(jìn)行電子 束照射；通過(guò)采用脈沖電子束加熱表面，實(shí)現(xiàn)基材的銅鉻合金表面合金化。進(jìn)一步的特征是所述的鉻合金粉末全部是鉻粉；或者在鉻粉中添加了鎢粉、 鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中的任意一種或兩種直至全部五種，鉻粉的重量百分比含量>92%， 鎢粉、鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中任意一種的重量百分比含量< 2% ；其涂敷方法是用有機(jī)或 無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，將合金粉末調(diào)成糊狀，刷在銅基材的表面，涂層厚度為100-800 μ m。采用電沉積法在銅基材的表面形成Cr膜的厚度為10-50 μ m。采用離子噴涂法在銅基材的表面噴涂Cr層的厚度為10-500 μ m。脈沖電子束設(shè)備照射的主要參數(shù)范圍能量密度1-20/(^2，脈沖寬度2-5 48，脈 沖次數(shù)2-30次，電子束斑的有效尺寸為70-100mm。所述真空室的真空度P<5X 10_3Pa，向真空室充入的惰性保護(hù)氣體為氬氣。本發(fā)明銅鉻合金表面合金化的制備方法，通過(guò)將銅鉻合金放入真空室內(nèi)，抽真空 后在惰性保護(hù)氣氛下對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行電子束照射，對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行合金化處 理，在銅基材的表面形成一層晶粒細(xì)小的銅鉻合金化層，表面的顯微硬度、耐磨性和抗熔焊 性等性能大大提高。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
在尺寸為30mmX 30mmX 5mm的Cu基體合金化表面(30mmX 30mm)經(jīng)過(guò)拋光和鉻酸 (250g. Γ1)和硫酸(2. 5g. Γ1)的混合水溶液清洗，在電壓4V、電流密度為1. 2 1. 4Α. cm—2、 電鍍液溫度310 315K下電沉積(未攪拌)40min后制備厚度為20士1 μ m的試樣。將試 樣裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空達(dá)到要求的真空度，本次達(dá)到真空室的真空 度為2. OXKT3Pa后，迅速關(guān)閉真空閥，然后向真空室內(nèi)充入純度為99. 99%的氬氣直到 3. OX IO4Pa0啟動(dòng)RITM-2M脈沖電子束設(shè)備，加載電壓20kev，對(duì)合金的表面進(jìn)行電子束表 面合金化處理。脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)為能量密度5/(^2，脈沖寬度3口8， 脈沖次數(shù)4次，電子束斑的有效尺寸為70mm。所述的電沉積法作為一種現(xiàn)有技術(shù)，在此不作 進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例2
選取鉻粉含量為99wt%和鎢粉含量為Iwt%比例配好的鉻合金粉末，用有機(jī)或無(wú)機(jī)粘 結(jié)劑(如液體膠、醋酸硅酸鹽粘結(jié)劑或者醋酸乙烯水溶液)，或現(xiàn)有技術(shù)的合適粘結(jié)劑，在尺 寸為60mmX60mmX5mm的Cu基體合金化表面(60mmX60mm)在銅基材的表面粘上一層厚度 為200 μ m的粉末層；將干燥后的合金試樣裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空達(dá)到
4要求的真空度，本次達(dá)到真空室的真空度為4. OXlO-3Pa后，迅速關(guān)閉真空閥，然后向真空 室內(nèi)充入純度為99. 99%的氬氣直到4. 0X104Pa。啟動(dòng)RITM-2M脈沖電子束設(shè)備，加載電 壓20kev，對(duì)合金的表面進(jìn)行電子束表面合金化處理。脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù) 為能量密度12J/cm2，脈沖寬度4μ s，脈沖次數(shù)8次，電子束斑的有效尺寸為80mm。當(dāng)然，在鉻粉中添加鎢粉、鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中的任意一種或兩種直至全 部五種，鎢粉、鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中任意一種的重量百分比含量< 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，都能滿足本發(fā)明的需要，達(dá)到相 同的目的。實(shí)施例3:
在尺寸為30mmX 30mmX 5mm的Cu基體合金化表面(30mmX 30mm)經(jīng)過(guò)拋光和鉻酸 (250g. Γ1)和硫酸(2. 5g. Γ1)的混合水溶液清洗后，采用離子噴涂法在在銅基材的表面噴 涂厚度為150 μ m的Cr層。將試樣裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空達(dá)到要求的真 空度，本次達(dá)到真空室的真空度為2. 6X ICT3Pa后，迅速關(guān)閉真空閥，然后向真空室內(nèi)充入 純度為99. 99%的氬氣直到3. 0X104Pa。啟動(dòng)RITM-2M脈沖電子束設(shè)備，加載電壓20kev， 對(duì)合金的表面進(jìn)行電子束表面合金化處理。脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)為能量 密度8J/cm2，脈沖寬度4 μ s，脈沖次數(shù)6次，電子束斑的有效尺寸為100mm。
權(quán)利要求
一種銅鉻合金表面合金化的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)制備銅鉻合金以紫銅為基材在基材上涂敷鉻合金粉末，或者采用電沉積法在銅基材的表面形成Cr膜，或者采用離子噴涂法在銅基材的表面噴涂Cr層；(2)將上述制備好的銅鉻合金裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；(3)啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，對(duì)真空室內(nèi)的銅鉻合金進(jìn)行電子束照射；通過(guò)采用脈沖電子束加熱表面，實(shí)現(xiàn)基材的銅鉻合金表面合金化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面合金化工藝方法其特征在于所述的鉻合金粉末全部 是鉻粉；或者在鉻粉中添加了鎢粉、鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中的任意一種或兩種直至全部五 種，鉻粉的重量百分比含量>92%，鎢粉、鋯粉、鎳粉、鐵粉、鉬粉中任意一種的重量百分比含 量< 2% ；其涂敷方法是用有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，將合金粉末調(diào)成糊狀，刷在銅基材的表面，涂 層厚度為100-800 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面合金化工藝方法其特征在于采用電沉積法在銅基材的 表面形成Cr膜的厚度為10-50 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面合金化工藝方法其特征在于采用離子噴涂法在銅基材 的表面噴涂Cr層的厚度為10-500 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的表面合金化工藝方法其特征在于脈沖電子束設(shè)備 照射的主要參數(shù)范圍能量密度l-20J/Cm2，脈沖寬度2-5μS，脈沖次數(shù)2-30次，電子束斑 的有效尺寸為70-100mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面合金化工藝方法其特征在于所述真空室的真空度 P<5X IO-3Pa,向真空室充入的惰性保護(hù)氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種銅鉻合金表面合金化的制備方法，屬于材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明工藝方法是將在銅基體表面涂敷合金粉末，或者采用電沉積法在銅基材的表面形成Cr膜，或者采用離子噴涂法在在銅基材的表面噴涂Cr層，然后放入真空室內(nèi)，真空室的真空度P<5×10-3Pa，然后向真空室內(nèi)充入氬氣作為保護(hù)氣體，啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓(10-40keV)，利用電子束加熱以實(shí)現(xiàn)表面合金化。電子束表面合金化的主要參數(shù)范圍能量密度1-20J/cm2，脈沖寬度2-5μs,脈沖次數(shù)1-30次；電子束斑的有效尺寸70-100mm。本發(fā)明表面合金化工藝方法，可以在銅基材料表面形成晶粒細(xì)小的銅鉻合金化層，表面的顯微硬度、耐磨性和抗熔焊性等性能大大提高。
文檔編號(hào)C23C10/28GK101899640SQ201010238978
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者周志明, 唐麗文, 李小平, 胡建軍, 胡洋, 黃偉九 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)