銅合金材料用粉體組合物、復(fù)合材料層、電觸頭及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅合金材料用粉體組合物，同時(shí)還涉及采用該粉體組合物制備的銅合金復(fù)合材料層，以及具有該銅合金復(fù)合材料層的電觸頭和電觸頭的制備方法，屬于電力工業(yè)電接觸材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電觸頭，特別是動(dòng)觸頭是高壓開關(guān)的關(guān)鍵部件。普遍使用的真空高壓斷路器用觸頭為CuW、CuCr電觸頭材料，而其觸頭結(jié)構(gòu)正在由觸指一彈簧結(jié)構(gòu)向自力式整體觸頭改進(jìn)，目前自力式CuW/CuCr整體觸頭已經(jīng)占居主導(dǎo)地位，自力式動(dòng)、靜弧觸頭通常采用耐電蝕的銅鎢合金與高導(dǎo)電率、高彈性鉻青銅材料連接而成。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外制備CuW合金材料均采用粉末冶金法，即混粉燒結(jié)法和熔滲法兩種。然而上述兩種方法均存在一定的局限性，混粉燒結(jié)法的缺點(diǎn)是燒結(jié)溫度高，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，致使燒結(jié)費(fèi)用較高，且燒結(jié)體的性能較差，特別是燒結(jié)致密度較低，一般只為理論密度的90%?95%。熔滲法的缺點(diǎn)是熔滲后需去除多余的金屬銅，增加了加工費(fèi)用，降低了成品率。
[0004]常用的CuW/CuCr整體材料制備工藝有焊接法(包括釬焊、電子束焊、熱等靜壓固相擴(kuò)散焊等)和整體燒結(jié)熔滲法(包括連續(xù)式爐臥式燒結(jié)熔滲、立式整體燒結(jié)熔滲法)，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中立式整體燒結(jié)熔滲法能夠獲得各種形式的結(jié)合面，且結(jié)合性能良好，是目前制備CuW/CuCr整體材料最主要的方法。但是該方法也存在操作復(fù)雜，成本高的缺點(diǎn)。
[0005]公告號(hào)CN102760597B的發(fā)明專利公開了一種用于高壓電觸頭的CuW與CuCr整體材料的制備方法，首先采用快速凝固甩帶法制備高Cr含量的銅合金箔帶，再對(duì)CuW合金預(yù)結(jié)合面用酸溶解的方法去銅處理，使結(jié)合面處得到多孔結(jié)構(gòu)的W骨架，隨后在還原性氣氛爐內(nèi)按照由上至下CuW合金、高Cr含量的銅合金箔帶、低Cr含量的CuCr棒材的順序進(jìn)行整體燒結(jié)熔滲，得到CuW與CuCr整體材料，最后進(jìn)行固溶時(shí)效處理即得。該方法的特點(diǎn)在于熔滲過程中銅合金箔帶中的Cr元素向多孔骨架中填充和浸滲，與W形成W-Cr固溶體，使骨架與基體銅相之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而提高整體材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，為325?345MPa。然而，其制備工藝復(fù)雜，整體材料的耐電弧燒蝕性能、電弧穩(wěn)定性、抗熔焊性能等還有待提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種銅合金材料用粉體組合物。
[0007]其次，本發(fā)明還提供一種采用上述粉體組合物制備的銅合金復(fù)合材料層。
[0008]再者，本發(fā)明還提供一種具有上述銅合金復(fù)合材料層的電觸頭，該電觸頭具有高的耐電弧燒蝕性能、抗熔焊性能以及復(fù)合材料層強(qiáng)度。
[0009]最后，本發(fā)明還提供一種上述電觸頭的制備方法，其工藝簡(jiǎn)單，制備成本低。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0011]銅合金材料用粉體組合物，由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成:WC粉末1.0?5.0%,CeO2粉末0.2?1.0 %，W粉末30.0?70.0 %，余量為Cu粉末。
[0012]所述Cu粉末的粒度為200?400目，其他粉末材料的粒度均為2?15 μ m。
[0013]銅合金復(fù)合材料層，由上述粉體組合物經(jīng)混合、熔煉、成形制得，熔煉溫度為1100 ?1180。。。
[0014]電觸頭，包括基體及包覆在基體表面的銅合金復(fù)合材料層，銅合金復(fù)合材料層的厚度為2.0?4.5mmο
[0015]所述基體采用Cu-Cr合金材料，如QCr0.5合金。
[0016]上述電觸頭的制備方法，包括以下步驟:取銅合金材料用粉體組合物，混勻后得混合粉末，在混合粉末中加入粘結(jié)劑，混勻后包覆在Cu-Cr合金的表面形成包覆層，經(jīng)加熱熔焊制得銅合金復(fù)合材料層，再經(jīng)固溶、時(shí)效、成形處理，即得電觸頭。
[0017]所述粘結(jié)劑可采用濃度0.5%的松香酒精溶液(即在無水乙醇中添加0.5%的松香)，或者其他溶于溶劑的熱塑性高分子材料(如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)，例如0.5?1.0%的聚乙烯丙酮溶液，0.5?1.0%的聚乙烯石油醚溶液，等。粘結(jié)劑的加入量為混合粉末質(zhì)量的1.0?2.0%，優(yōu)選1.5%。
[0018]所述包覆層的厚度為2.5?5mm。
[0019]所述加熱熔焊為惰性氣氛保護(hù)下、在高頻感應(yīng)加熱熔焊裝置中進(jìn)行表面重熔處理。所述惰性氣氛可為氬氣氣氛，氬氣流量為10?20L/min，優(yōu)選15L/min)。加熱熔焊的條件為:感應(yīng)圈移動(dòng)速率0.1?10mm/s，感應(yīng)加熱溫度1100?1180°C，感應(yīng)圈從一端勻速移動(dòng)至另一端。
[0020]所述固溶處理的條件為:溫度950?1000°C，保溫30?60min，氬氣氣氛。固溶處理后水冷。
[0021]所述時(shí)效處理的條件為:溫度450?500°C，保溫I?4h。時(shí)效處理后空冷。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]本發(fā)明中銅合金復(fù)合材料的主要成分為W和Cu，能形成WCu合金，其中添加的CeO2和WC粒子彌散分布于WCu合金基體中，且電子逸出功比W低，既起彌散強(qiáng)化作用，又能使電弧得到有效分散，從而提高觸頭材料的耐電弧燒蝕性能、抗熔焊性能及復(fù)合材料層強(qiáng)度等。
[0024]本發(fā)明中銅合金復(fù)合材料層主要由合金基體和混合顆粒彌散強(qiáng)化相組成，具有優(yōu)良的抗電弧燒蝕性能、抗電壓強(qiáng)度、良好的載流能力，良好的抗熔焊性能和截?cái)嚯娏髂芰?，同時(shí)復(fù)合材料層的承載基體采用力學(xué)性能和電學(xué)、熱學(xué)性能優(yōu)良的Cu-Cr合金，因此由上述兩種合金通過熔焊冶金復(fù)合形成的新型電觸頭材料同時(shí)兼具兩者的優(yōu)良特性，以取代整體鎢銅(或銅鎢)合金整體觸頭材料，具有制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)約戰(zhàn)略金屬鎢，降低成本等優(yōu)點(diǎn)。
[0025]本發(fā)明先在Cu-Cr合金表面預(yù)置Cu-W-WC-CeOjg合料層，在惰性氣氛中進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱熔焊，再經(jīng)固溶、時(shí)效處理得到鎢銅合金整體觸頭材料，其中Cu-W-WC-CeO2復(fù)合材料層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度為260?380MPa，電導(dǎo)率27?66% IACS, 40V和40A直流負(fù)載實(shí)驗(yàn)條件下熔焊力< 8.5X10 2MPa,單位面積接觸電阻< 73.6Ω/πι2，電觸頭單位面積總燒損量< 3.8 X 10 3g/mm2，可滿足高壓開關(guān)與斷路器用自力型整體觸頭的要求。且制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制，成本較低，適用于制造高壓開關(guān)和高壓斷路器觸頭零部件。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下述實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例中銅合金材料用粉體組合物，由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成:WC粉末5.0%, CeO2粉末1.0 %，W粉末30.0 %，余量為Cu粉；Cu粉的粒度為300?400目，其他粉末材料的粒度均為2?5 μ m。
[0029]電觸頭，由以下步驟制備得到:
[0030]I) QCr0.5合金棒螺紋加工和預(yù)處理
[0031]將直徑12mm的QCr0.5合金棒表面機(jī)械加工出M12mmX 1.75mm的粗牙螺紋，并進(jìn)行機(jī)械粘結(jié)前的預(yù)處理:依次進(jìn)行10% Na2OVK溶液清洗脫脂、清水沖洗和烘干；其中QCr0.5合金棒為符合GB/T5233-2001規(guī)定的Cu-Cr合金，狀態(tài)為硬化態(tài)Y ;10% Na2OyKS液進(jìn)行清洗脫脂目的是除去QCr0.5合金棒表面粘附的油污；
[0032]2)粉末配制和混合
[0033]按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確取WC粉末、CeO2粉末、W粉末與Cu粉，采用V型混粉機(jī)充分混合4小時(shí)；
[0034]3)混合粉末的模具機(jī)械粘結(jié)預(yù)置
[0035]采用Q235鋼制模具(常規(guī)的具定位功能的雙臺(tái)階通孔模具)對(duì)QCr0.5合金棒表面進(jìn)行預(yù)置上述混合后的粉末材料，預(yù)置后室溫干燥2小時(shí)；預(yù)置前將混合均勻的粉末與粘結(jié)劑混合均勻，粘結(jié)劑為0.5%的松香酒精溶液，粘結(jié)劑的添加量為混合粉末質(zhì)量的1.5%，預(yù)置層厚度為2.5mm；
[0036]4)氬氣保護(hù)高頻感應(yīng)加熱熔焊
[0037]將上述機(jī)械粘結(jié)預(yù)置合金層的合金棒在氬氣氣氛保護(hù)高頻感應(yīng)熔焊裝置中進(jìn)行表面局部依次重熔處理，氬氣流量為15L/min，感應(yīng)圈寬50mm，感應(yīng)圈移動(dòng)速率10mm/s，感應(yīng)加熱溫度1130°C，從一端勻速移動(dòng)至另一端，處理后室溫冷卻；
[0038]5)固溶和時(shí)效處理
[0039]對(duì)氬氣保護(hù)高頻感應(yīng)加熱熔焊后的合金棒進(jìn)行固溶和時(shí)效處理，以提高心部力學(xué)性能和導(dǎo)電率；固溶處理溫度950°C，氬氣保護(hù)加熱，保溫60min，水冷；時(shí)效處理溫度500°C，保溫lh，空冷；
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