一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法
【專利摘要】一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，觸頭材料進(jìn)行機(jī)加工、清洗、干燥后，采用高能電子束對材料表面進(jìn)行掃描，獲得厚度約100μm的電子束重熔層，且重熔層內(nèi)Cr顆粒尺寸小于1μm。上述電子束掃描過程在真空環(huán)境下進(jìn)行，真空度＜0.1Pa，電子束掃描頻率為350-450HZ，電壓55-65KV，電流60-70mA。由于經(jīng)電子束掃描后，觸頭材料表面的晶粒明顯細(xì)化，因此其物理機(jī)械性能及電性能均有很大程度改善。
【專利說明】一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，屬于金屬材料技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于真空斷路器具有高可靠、長壽命等優(yōu)異性能備，因此備受市場青睞，其令人矚 目的技術(shù)特點(diǎn)之一是，用真空滅弧室替代傳統(tǒng)的空氣滅弧柵，提高了斷路器關(guān)合與分?jǐn)喽?路電流的能力與次數(shù)，且電壽命高達(dá)萬次以上。
[0003] 真空滅弧室開斷與關(guān)合短路電流的能力，除需與其配合的機(jī)械力學(xué)參數(shù)外，主要 取決于滅弧室觸頭的材料及磁場結(jié)構(gòu)。CuCr合金材料是一種很好的長壽命真空觸頭材料， 是現(xiàn)有觸頭材料中最理想的觸頭材料，其具有高的耐電壓強(qiáng)度、優(yōu)良的耐電弧侵蝕性、低的 截?cái)嚯娏骱蛢?yōu)良的截流能力。觸頭材料在保證具有良好的抗電弧侵蝕的同時(shí)還要保證有良 好的導(dǎo)電性，因此CuCr合金中Cr組元必須均勻的分布于Cu組元之中，同時(shí)Cu組元必須連 成一體，以使得傳輸電子可在材料中任意位置順利傳輸，從而減小材料不同位置的差異。材 料的致密度應(yīng)較高，否則觸頭材料的穩(wěn)定性、使用壽命等都會大打折扣，不利于降低觸頭材 料的使用成本。為提高CuCr合金觸頭材料的性能，Cr組元的晶粒細(xì)化是重要而且有效的 手段。Cr組元的晶粒細(xì)化有利于提高耐電壓強(qiáng)度，降低截流電流，降低觸頭材料表面粗糙 度，增強(qiáng)觸頭材料的耐電弧侵蝕性。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。因此需要對CuCr 合金觸頭材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。
[0004] 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，并米用高速掃描的方式，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。近年來許多研究者正開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。目前還沒有人通過采用電子束表面強(qiáng)化的方法對CuCr合 金觸頭材料進(jìn)行處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種真空滅弧室用CuCr觸頭 材料表面處理方法。該方法是通過電子束掃描對CuCr觸頭材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，進(jìn)而獲 得表面晶粒細(xì)化層。該細(xì)化層使材料表面的硬度、電導(dǎo)等性能得到改善，從而進(jìn)一步提高了 觸頭材料的電性能。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來完成的，一種真空滅弧室用CuCr 觸頭材料表面處理方法，包括以下步驟：
[0007] (1)制備CuCr觸頭材料，先將金屬Cr在低溫液體保護(hù)下，通過研磨破碎機(jī)加工制 成Cr粉；以Cr粉、Cu粉為原材料，采用粉末冶金、真空電弧熔煉等工藝制得CuCr電觸頭材 料；或者將制得的Cr粉進(jìn)行燒結(jié)制成Cr粉坯，然后以Cu塊與Cr粉坯為原材料，采用真空 熔鑄工藝制得CuCr電觸頭材料；
[0008] (2)將制得的CuCr觸頭材料進(jìn)行清洗，將CuCr電觸頭材料依次浸入盛有碳?xì)淝逑?劑與酒精的槽中，進(jìn)行超聲波振動清洗，清洗完成后將CuCr電觸頭材料送入烘道進(jìn)行熱風(fēng) 風(fēng)干；
[0009] (3)將干燥后的CuCr觸頭材料置于電子束掃描設(shè)備真空腔內(nèi)，抽真空至真空度 < 0. IPa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；
[0010] (4)開啟電子束對CuCr觸頭材料表面進(jìn)行掃描的表面強(qiáng)化處理，并加載高壓，主 要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為350-450HZ、電壓55-65KV、電流60-70mA ;
[0011] (5)經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，CuCr觸頭材料表面形成厚度100 μ m的晶粒細(xì)化層，其Cr 顆粒尺寸小于1 μ m。
[0012] 優(yōu)選的是，CuCr電觸頭材料中Cr的重量百分比為25?50%。
[0013] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（3)中的惰性保護(hù)氣體為氬氣或氦氣。
[0014] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（4)中的主要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率 為 350-450HZ、電壓 55-65KV、電流 60-70mA。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 1.該方法是通過電子束掃描對CuCr觸頭材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，進(jìn)而獲得表面 晶粒細(xì)化層。該細(xì)化層使材料表面的硬度、電導(dǎo)等性能得到改善，從而進(jìn)一步提高了觸頭材 料的電性能。
[0017] 2.本發(fā)明的CuCr觸頭材料，Cr組元晶粒尺寸可以得到很大細(xì)化，且材料致密性良 好，CuCr觸頭材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高耐電弧侵蝕的性能，同時(shí)該方法可以節(jié)約能源和 原材料的消耗。
[0018] 3.采用本發(fā)明的表面處理方法處理的CuCr觸頭材料用于真空滅弧室，其開斷能 力與使用壽命均有所提高，真空滅弧室的成本也得到大幅度降低。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，包括以下步驟：
[0022] (1)制備CuCr觸頭材料，先將金屬Cr在低溫液體保護(hù)下，通過研磨破碎機(jī)加工制 成Cr粉；將制得的Cr粉經(jīng)壓制后進(jìn)行燒結(jié)制成Cr粉坯，燒結(jié)溫度為1325°C;將Cu塊與Cr 粉坯一起裝入真空爐中進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，制得CuCr電觸頭材料；CuCr電觸頭材料中Cr 的重量百分比為25%。
[0023] (2)將制得的CuCr觸頭材料進(jìn)行清洗，將CuCr電觸頭材料置于盛有碳?xì)淝逑磩┑?槽中進(jìn)行超聲波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中進(jìn)行二次清洗；清洗完成后將CuCr電觸 頭材料送入烘道進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)干。
[0024] (3)將干燥后的CuCr觸頭材料置于電子束掃描設(shè)備真空腔內(nèi)，抽真空至真空度為 4X l(T2Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；惰性保護(hù)氣體為氬氣。
[0025] (4)開啟電子束對CuCr觸頭材料表面進(jìn)行掃描的表面強(qiáng)化處理，并加載高壓，主 要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為350HZ、電壓65KV、電流60mA ;
[0026] (5)經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，CuCr觸頭材料表面形成厚度100 μ m的晶粒細(xì)化層，其平 均Cr顆粒尺寸約為0. 5 μ m。
[0027] 實(shí)施例2
[0028] -種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，包括以下步驟：
[0029] (1)制備CuCr觸頭材料，先將金屬Cr在低溫液體保護(hù)下，通過研磨破碎機(jī)加工制 成Cr粉；將Cr粉與銅棒放入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熔滲，制得CuCr電觸頭材料；CuCr電 觸頭材料中Cr的重量百分比為50%。
[0030] (2)將制得的CuCr觸頭材料進(jìn)行清洗，將CuCr電觸頭材料置于盛有碳?xì)淝逑磩┑?槽中進(jìn)行超聲波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中進(jìn)行二次清洗；清洗完成后將CuCr電觸 頭材料送入烘道進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)干。
[0031] (3)將干燥后的CuCr觸頭材料置于電子束掃描設(shè)備真空腔內(nèi)，抽真空至真空度為 3 X l(T2Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；惰性保護(hù)氣體為氦氣。
[0032] (4)開啟電子束對CuCr觸頭材料表面進(jìn)行掃描的表面強(qiáng)化處理，并加載高壓，主 要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為450HZ、電壓60KV、電流70mA ;
[0033] (5)經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，CuCr觸頭材料表面形成厚度100 μ m的晶粒細(xì)化層，其平 均Cr顆粒尺寸約為0. 2 μ m。
[0034] 實(shí)施例3
[0035] 一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，包括以下步驟：
[0036] (1)制備CuCr觸頭材料，先將金屬Cr在低溫液體保護(hù)下，通過研磨破碎機(jī)加工制 成Cr粉；將制得的Cr粉經(jīng)壓制后進(jìn)行燒結(jié)制成Cr粉坯，燒結(jié)溫度為1320°C;將Cu塊與Cr 粉坯一起裝入真空爐中進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，制得CuCr電觸頭材料；CuCr電觸頭材料中Cr 的重量百分比為30%。
[0037] (2)將制得的CuCr觸頭材料進(jìn)行清洗，將CuCr電觸頭材料置于盛有碳?xì)淝逑磩┑?槽中進(jìn)行超聲波清洗，然后再放入盛有酒精的槽中進(jìn)行二次清洗；清洗完成后將CuCr電觸 頭材料送入烘道進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)干。
[0038] (3)將干燥后的CuCr觸頭材料置于電子束掃描設(shè)備真空腔內(nèi)，抽真空至真空度為 5 X l(T2Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體；惰性保護(hù)氣體為氬氣。
[0039] (4)開啟電子束對CuCr觸頭材料表面進(jìn)行掃描的表面強(qiáng)化處理，并加載高壓，主 要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為400HZ、電壓60KV、電流65mA ;
[0040] (5)經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，CuCr觸頭材料表面形成厚度100 μ m的晶粒細(xì)化層，其平 均Cr顆粒尺寸約為0. 4 μ m。
[0041] 采用本發(fā)明的方法，通過電子束掃描對CuCr觸頭材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，進(jìn)而獲 得表面晶粒細(xì)化層。該細(xì)化層使材料表面的硬度、電導(dǎo)等性能得到改善，從而進(jìn)一步提高了 觸頭材料的電性能。本發(fā)明的CuCr觸頭材料，Cr組元晶粒尺寸可以得到很大細(xì)化，且材料 致密性良好，CuCr觸頭材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高耐電弧侵蝕的性能，同時(shí)該方法可以節(jié) 約能源和原材料的消耗。采用本發(fā)明的表面處理方法處理的CuCr觸頭材料用于真空滅弧 室，，開斷能力及使用壽命均有所提高，真空滅弧室的成本也得到大幅度降低。由此表明，本 發(fā)明方法中的各個(gè)參數(shù)均是最佳選擇，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的最優(yōu)效果。
【權(quán)利要求】
1. 一種真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 制備CuCr觸頭材料，先將金屬Cr在低溫液體保護(hù)下，通過研磨破碎機(jī)加工制成Cr 粉；以Cr粉、Cu粉為原材料，采用粉末冶金、真空電弧熔煉等工藝制得CuCr電觸頭材料；或 者將制得的Cr粉進(jìn)行燒結(jié)制成Cr粉坯，然后以Cu塊與Cr粉坯為原材料，采用真空熔鑄工 藝制得CuCr電觸頭材料； (2) 將制得的CuCr觸頭材料進(jìn)行清洗，將CuCr電觸頭材料依次浸入盛有碳?xì)淝逑磩?與酒精的槽中，進(jìn)行超聲波振動清洗，清洗完成后將CuCr電觸頭材料送入烘道進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng) 干； (3) 將干燥后的CuCr觸頭材料置于電子束掃描設(shè)備真空腔內(nèi)，抽真空至真空度 < 0. IPa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體； (4) 開啟電子束對CuCr觸頭材料表面進(jìn)行掃描的表面強(qiáng)化處理，并加載高壓，主要工 藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為350-450HZ、電壓55-65KV、電流60-70mA ; (5) 經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，CuCr觸頭材料表面形成厚度100 μ m的晶粒細(xì)化層，其Cr顆粒 尺寸小于1 μ m。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，其特征在于 CuCr電觸頭材料中Cr的重量百分比為25?50%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，其特征在于步驟 (3) 中的惰性保護(hù)氣體為氬氣或氦氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空滅弧室用CuCr觸頭材料表面處理方法，其特征在于步驟 (4) 中的主要工藝參數(shù)包括：電子束掃描頻率為350-450HZ、電壓55-65KV、電流60-70mA。
【文檔編號】C21D10/00GK104120245SQ201410382182
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】王小軍, 王文斌, 李剛, 艾璇, 楊平 申請人:陜西斯瑞工業(yè)有限責(zé)任公司