一种层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法
技术领域
本发明涉及CuCr基触头材料技术领域，具体为一种层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法。
背景技术
CuCr作为触头材料，由于其较好的耐击穿电压强度、稳定的燃弧、抗熔焊等性能已经被广泛应用于中高压真空断路器中，目前，商用CuCr触头主要采用中频真空感应熔炼的制备方法，其基本工艺过程是将Cu块和Cr块在中频感应炉中熔化，添加少量的强化元素(如：质量百分数小于0.5的镍元素)，搅拌均匀后在铜模中冷却制备成CuCr基合金铸锭，最后采用机械加工成触头，随输变电路中电压的提升，对CuCr触头提出了需具有更高开断能力的要求，即更高的耐电击穿电压强度，但受制备方法、添加元素种类和含量等因素的限制，进一步提升CuCr触头材料的耐电压强度并保证电导率比较困难，同时，由于CuCr触头在开断过程中，受电弧作用的仅为触头材料表面约200～500微米的厚度，因此，寻找一种工艺简单、成本低廉且适合工业化生产的层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法具有较高的市场价值。
现有的技术缺点是采用真空感应熔炼方法并添加少量强化元素制备CuCr触头材料，提高其耐击穿电压强度效果有限，且部分添加元素会与Cu基体部分固溶会导致电导率的急剧下降，不能满足真空断路器对触头材料导电的要求；同时，该方法为整体的触头材料制备，不利于节约原料成本，本发明通过首先在氩气保护下，称取一定量的Cr粉并分别和添加质量百分数为1％～15％的Ni或Mo或W或Ti粉混合，采用机械球磨方法制备成Cr合金，随后按比例将Cr合金粉与Cu粉均匀混合并压制成厚度约为2～4mm的Cu(Cr合金)薄片(A预制体)；其次将Cu粉和Cr粉末按照所需比例(Cr含量：10％-50％)混合均匀并压制成CuCr触头基体(B基体)，将A置于B基体上真空热压烧结制备成具有层状成分分布的CuCr基体触头材料，在保证触头力学性能和电导率的前提下，节约成本并提高CuCr基触头材料的耐击穿电压强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法，具备生产CuCr基触头材料添加的强化元素种类和含量不受限的特点，同时以真空热压烧结制备成具有层状成分分布的CuCr基体触头材料，在保证触头力学性能和电导率的前提下，节约成本并提高CuCr基触头材料的耐击穿电压强度的优点，解决现有的CuCr触头材料制备方法存在的添加强化元素种类和含量受限及提高耐击穿电压强度有限的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在真空手套箱中按配比将称量好的Cr粉和Ni粉或Mo粉或W粉或Ti粉装入球磨罐中，在罐中加入球磨介质和磨球后密封取出，在球磨机上进行机械球磨；
步骤二：球磨24小时，使Cr粉末与添加粉末均匀的合金化；
步骤三：在真空手套箱中将步骤二的球磨罐中制得的Cr合金粉按配比添加Cu粉，球磨罐密封，在球磨机上混粉30min；
步骤四：将步骤三制得的Cu粉和Cr合金粉末的混合粉末预压成薄片(A预制体)；
步骤五：按配比将称量Cr粉和Cu粉，装入球磨罐中，在罐中加入球磨介质和磨球后密封，在球磨机上混粉30min；
步骤六：将步骤五制得的Cu和Cr的混合粉末预压成CuCr触头基体(B基体)；
步骤七：将步骤四制得的A预制体放置在步骤六制得的B基体上，采用真空热压烧结制备成层状成分分布的CuCr触头材料。
优选的，步骤一中称量和球磨均在氩气气氛保护下进行，Cr粉及强化粉体的粒径约为10～20μm，其中强化粉体：Ni或Mo或W或Ti粉的添加质量百分数为1～15％；球磨介质为无水乙醇；球料比为20:1；磨球的粒径分为8mm和5mm两种，其放入的质量比为2:1。
优选的，步骤二中球磨罐转速为400r/min，Cr粉与添加粉末为机械球磨合金化。
优选的，步骤三中Cu粉添加质量百分数为75％，70％，65％，60％，50％，混粉为氩气气氛保护。
优选的，步骤四中A预制体是采用冷压模具在氩气气氛的手套箱中进行预压，压强约为0.5MPa，厚度为2～4mm。
优选的，步骤五中Cu粉和Cr粉的质量比分别为15:1，7:3，13:7，3:2，1:1。
优选的，步骤五中球磨介质为无水乙醇；球料比为10:1；磨球的粒径分为8mm和5mm两种，其放入的质量比为2:1，球磨罐转速为100r/min。
优选的，步骤六中B基体是采用冷压模具在氩气气氛的手套箱中进行预压，压强约为0.5MPa，厚度为8mm～10mm。
优选的，步骤七中的真空热压烧结采用高强石墨模具，压力为40MPa，炉内真空度约为5×10-2Pa，升温速率为10℃/min，保温温度为950℃～980℃，保温时间为3h～4h。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过上述制备方法，不对生产CuCr基触头材料的强化元素种类和含量添加受限，同时以真空热压烧结制备成具有层状成分分布的CuCr基体触头材料，在保证触头力学性能和电导率的前提下，节约成本并提高CuCr基触头材料的耐击穿电压强度，解决了现在感应熔炼制备方法存在的强化元素种类和含量添加受限及耐击穿电压强度提高有限的问题，值得推广。
2、本发明产出的一种层状成分分布强化CuCr基触头材料以Cu粉、Cr粉、Ni粉、W粉、Mo粉和Ti粉为原料，通过在机械合金化制备Cr合金，随后通过与Cu粉均匀混合后预压制备成预制体A，将其放置在Cu粉与Cr粉混合均匀预压所得CuCr的基体B上，随后采用真空热压烧结，其对原料和制备设备均无特殊要求，并且节省原料、所通气氛为常压气氛。
3、本发明通过上述制备方法提高了CuCr触头材料中表层的耐电压和电弧烧蚀层中添加元素的含量，在提升其耐电击穿电压强度性能同时尽可能不降低其电导率的前提下，节约原料成本，对于提高CuCr基触头材料的使用电压等级和工业化大规模生产具有很高的价值。
附图说明
图1是本发明所制备的Cr合金粉末的X射线衍射图谱；
图2是本发明CrNi合金化粉末所制备的层状成分分布强化CuCr基触头材料，其表面放大200倍的扫描电镜背散射电子照片；
图3是本发明所制备的层状成分分布强化CuCr基触头材料纵剖面的30倍的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在真空手套箱中按配比将称量好的Cr粉和Ni粉或Mo粉或W粉或Ti粉装入球磨罐中，在罐中加入球磨介质和磨球后密封取出，在球磨机上进行机械球磨；
步骤二：球磨24小时，使Cr粉末与添加粉末均匀的合金化；
步骤三：在真空手套箱中将步骤二的球磨罐中制得的Cr合金粉按配比添加Cu粉，球磨罐密封，在球磨机上混粉30min；
步骤四：将步骤三制得的Cu粉和Cr合金粉末的混合粉末预压成薄片(A预制体)；
步骤五：按配比将称量Cr粉和Cu粉，装入球磨罐中，在罐中加入球磨介质和磨球后密封，在球磨机上混粉30min；
步骤六：将步骤五制得的Cu和Cr的混合粉末预压成CuCr触头基体(B基体)；
步骤七：将步骤四制得的A预制体放置在步骤六制得的B基体上，采用真空热压烧结制备成层状成分分布的CuCr触头材料，通过上述制备方法，生产CuCr基触头材料时添加的强化元素种类和含量不受限，同时以真空热压烧结制备成具有层状成分分布的CuCr基体触头材料，在保证触头力学性能和电导率的前提下，节约成本并提高CuCr基触头材料的耐击穿电压强度，解决了现在感应熔炼制备方法存在的强化元素种类和含量添加受限及耐击穿电压强度提高有限的问题；
步骤一中称量和球磨均在氩气气氛保护下进行，Cr粉及强化粉体的粒径约为10～20μm，其中强化粉体：Ni或Mo或W或Ti粉的添加质量百分数为1～15％；球磨介质为无水乙醇；球料比为20:1；磨球的粒径分为8mm和5mm两种，其放入的质量比为2:1；
步骤二中球磨罐转速为400r/min，Cr粉与添加粉末为机械球磨合金化；
步骤三中Cu粉添加质量百分数为75％，70％，65％，60％，50％，混粉为氩气气氛保护；
步骤四中A预制体是采用冷压模具在氩气气氛的手套箱中进行预压，压强约为0.5MPa，厚度为2～4mm；
步骤五中Cu粉和Cr粉的质量比分别为15:1，7:3，13:7，3:2，1:1；
步骤五中球磨介质为无水乙醇；球料比为10:1；磨球的粒径分为8mm和5mm两种，其放入的质量比为2:1，球磨罐转速为100r/min；
步骤六中B基体是采用冷压模具在氩气气氛的手套箱中进行预压，压强约为0.5MPa，厚度为8mm～10mm；
步骤七中的真空热压烧结采用高强石墨模具，压力为40MPa，炉内真空度约为5×10-2Pa，升温速率为10℃/min，保温温度为950℃～980℃，保温时间为3h～4h，本发明产出的一种层状成分分布强化CuCr基触头材料以Cu粉、Cr粉、Ni粉、W粉、Mo粉和Ti粉为原料，通过在机械合金化制备Cr合金，随后通过与Cu粉均匀混合后预压制备成预制体A，将其放置在Cu粉与Cr粉混合均匀预压所得CuCr的基体B上，随后采用真空热压烧结，其对原料和制备设备均无特殊要求，并且节省原料、所通气氛为常压气氛；通过上述制备方法提高了CuCr触头材料中添加元素的含量，在提升其耐电击穿电压强度性能同时尽可能不降低其电导率的前提下，大大减少了原料成本，对于提高CuCr基触头材料的使用电压等级和工业化大规模生产具有很高的价值。
实施例一：
铬、镍粉末的质量比为95:5，机械合金化后与占总重量65％、粒径约为50微米铜粉充分混合，气氛保护下预压成预制体A，放置在混合均匀、Cu粉与Cr粉重量比为13:7且预压制得的CuCr基体B上，在40MPa压力下真空热压烧结制备成层状成分分布强化的CuCr基触头材料，本实施例与现有的触头相比，耐压强度提高45％；
实施例二：
铬、钛粉末的质量比为98:2，机械合金化后与占总重量65％、粒径约为50微米铜粉充分混合，气氛保护下预压成预制体A，放置在混合均匀、Cu粉与Cr粉重量比为13:7且预压制得的CuCr基体B上，在40MPa压力下真空热压烧结制备成层状成分分布强化的CuCr基触头材料，本实施例与现有的触头相比，耐压强度提高15％；
实施例三：
铬、钨粉末的质量比为95:5，机械合金化后与占总重量65％、粒径约为50微米铜粉充分混合，气氛保护下预压成预制体A，放置在混合均匀、Cu粉与Cr粉重量比为13:7且预压制得的CuCr基体B上，在40MPa压力下真空热压烧结制备成层状成分分布强化的CuCr基触头材料，本实施例与现有的触头相比，耐压强度提高27％；
实施例四：
铬、钼粉末的质量比为92:8，机械合金化后与占总重量65％、粒径约为50微米铜粉充分混合，气氛保护下预压成预制体A，放置在混合均匀、Cu粉与Cr粉重量比为13:7且预压制得的CuCr基体B上，在40MPa压力下真空热压烧结制备成层状成分分布强化的CuCr基触头材料，本实施例与现有的触头相比，耐压强度提高25％。
图1表明经过机械球磨后的衍射峰仅出现了Cr峰，并由于强化原子与其合金化导致了晶格畸变，引起Cr衍射峰所在角度的偏移，添加的粉末较好的与Cr粉进行了合金化；
图2照片表明真空热压烧结后CrNi合金颗粒分散均匀，触头材料的致密度较好；
图3左侧为CuCr35(质量百分数)的基体，右侧为Cr合金粉末强化的触头材料表层，两侧之间结合良好，并有较为清晰界线。
综上所述：该层状成分分布强化CuCr基触头材料的制备方法，通过上述制备方法，不对生产CuCr基触头材料的强化元素种类和含量添加受限，同时以真空热压烧结制备成具有层状成分分布的CuCr基体触头材料，在保证触头力学性能和电导率的前提下，节约成本并提高CuCr基触头材料的耐击穿电压强度，解决了现在感应熔炼制备方法存在的强化元素种类和含量添加受限及耐击穿电压强度提高有限的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
