[发明专利]一种制造纯铜/铜铬合金复合触头材料的方法

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种制造纯铜/铜铬合金复合触头材料的方法。

背景技术：

触头是真空断路器的关键元件，理想的真空触头材料应具有以下性能：①高的电流分断能力；②高的承受电压能力；③高的导电率和导热率；④抗熔焊性能好；⑤低的电弧烧损率；⑥低的触头磨损；⑦低的截流值；⑧良好的加工性能。由于这些性能之间是相互矛盾的，在实际应用过程中，往往受到各种因素的影响，而不能同时满足以上各项指标。

按照真空触头材料的性能要求，纯铜虽然具备高的导电率和导热率和良好的加工性能，但力学强度低，抗磨损、抗电蚀和抗熔焊性差，用于制作真空触头材料，其明显表现出自身的不足。

为了提高纯铜的抗磨损、抗电蚀和抗熔焊性及力学强度，人们通过合金化方法来改善其性能，其中用作触头材料的主要有W-Cu，Cu-Bi和Cu-Cr系列合金。近年来随着大功率真空高压开关技术的发展，Cu-Cr系列的合金触头以其众多的优越性能大有取代W-Cu，Cu-Bi系列的合金触头材料之势。Cu-Cr合金触头材料的优势在于Cu和Cr之间具有很小的互溶度，由Cu-Cr合金相图可见，Cr在Cu中的固溶度1080℃时仅有0.7％，600℃时几乎不溶，从而使Cu和Cr都充分保留各自良好的性能，即：具有较低熔点、高导电率和热导率的Cu组元，有利于提高真空开关的分断能力；Cr组元具有较高的熔点，能促使合金基体晶粒细化，有利于形成均匀、弥散分布的稳定的强化相，既能保持材料的高导电性，又能提高其开断能力以及力学性能，且不易产生热电子发射。这种材料能够保证真空开关具有良好的耐电压、抗烧损、抗熔焊和低截流等特性。

然而，由于Cu-Cr合金属于难混溶系列的合金，从而采用普通熔炼方法制备的Cu-Cr合金宏观偏析严重。为了解决这一问题，世界各国制备Cu-Cr合金主要采用粉末冶金法、熔渗法和真空电弧熔炼法。虽然这些方法制备的Cu-Cr系列合金已被用于触头材料，但都存在自身的缺点和不足。其中粉末冶金法的主要缺点是Cr粒子之间的尺寸和间距过大，材料的组织均匀性较低，氧和氮含量过高，降低了触头电流的分断能力。熔渗法的缺点是生产效率低，铬粒子相对比较粗大，且铬含量必须达到相当的比例，这严重降低了导电率。而电弧熔炼法生产成本较高，而且很多工艺参数需要进一步摸索和完善。总而言之，铜中Cr元素的加入在提高触头部分性能的同时，必然削弱其它性能，即以降低导电能力为代价的。

目前，使用的大功率Cu-Cr触头厚度一般为3-6mm，而真空开关触头的磨损和电蚀主要发生在表面，即真空触头有0.8-1.2mm厚的Cu-Cr层即可满足使用要求，如果能在纯铜表面制备0.8-1.2mm厚的Cu-Cr合金层用作真空触头材料，不仅能够充分利用纯铜与Cu-Cr合金各自的优势性能，而且可使制造成本显著降低。

发明内容：

本发明的目的是针对整体纯铜和Cu-Cr合金的优点和不足，而提供一种制造纯铜/铜铬合金复合触头材料的方法，具体地说，是在纯铜表面激光熔覆抗磨损、抗电蚀和抗熔焊性及力学强度优异的Cu-Cr合金制作Cu/Cu-Cr复合触头材料的方法，即以纯铜为基础材料，Cu-Cr合金混合粉末为覆层材料，采用激光熔覆方法，在氩气保护下，将Cu-Cr合金粉末涂层熔覆在纯铜基材表面上，形成纯铜/Cu-Cr合金复合材料。采用这种方法，可在纯铜表面获得耐磨抗电蚀好的合金层，其心部保持纯铜优良的导电性能，而表面充分展现Cu-Cr合金高的电流分断能力、高的承受电压能力、良好的抗熔焊性能、低的电弧烧损率和低的触头磨损等性能特点。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种制造纯铜/铜铬合金复合触头材料的方法，包括以下步骤：

第一步、对纯铜基材表面先用砂纸打磨，再用丙酮清洗表面；

第二步、铜铬合金涂层预置：将铜粉与铬粉按重量百分比：Cu 60-85％、Cr15-40％的比例混合均匀，涂层预置采用粘接法，粘结剂与Cu-Cr粉末的体积比为1∶1.6-2，再加丙酮稀释调制成糊状，在纯铜基材表面预置厚度为1.2-1.8mm的Cu-Cr涂层，置于烘箱中，在烘干温度为80-100℃条件下烘干；

第三步、对涂层进行激光熔覆：激光熔覆设备采用5kW多功能CO₂横流激光器，激光工艺参数为：激光输出功率1.5-2.5kW，扫描速度6-15mm/s，光斑直径3mm，单道熔覆，多道搭接熔覆的搭接率为30-45％，激光熔覆过程中用氩气保护熔池；

第四步、对纯铜/铜铬合金熔覆层进行整平加工和抛光处理。