一种CuCr基触头涂层的冷喷涂制备工艺 |
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| 申请号 | CN202410216541.1 | 申请日 | 2024-02-27 | 公开(公告)号 | CN117966146A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 河南科丰新材料有限公司; | 发明人 | 张国顺; 张燕; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及一种 冷 喷涂 工艺，具体用于制备CuCr基触头。通过对粉末原料进行预热，相对降低喷涂速度，降低对 铜 基材的影响，降低其热应 力 和热 变形 ，并且能够保证涂层的致 密度 ，不导致 电阻 升高。在CuCr 合金 涂层中添加T i能够降低其 熔焊 力， 氧 化镧在基体中起到弥散强化的作用提高了硬度，并且由于其弥散分布使得击穿点增加，单位面积下的 电弧 能量 降低，使得触头的寿命显著提高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种CuCr基触头涂层的冷喷涂制备工艺，其特征在于，首先对铜基材进行喷砂和清洗； |
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| 说明书全文 | 一种CuCr基触头涂层的冷喷涂制备工艺技术领域背景技术[0002] 电触头亦称触点或接点，是高、低压电器中的关键元件，担负着接通与分断电流的任务，它直接影响开关、电器运行的可靠性及使用寿命，所以人们将触头称为电器的“心脏”。电触头在实际使用过程中的情况非常复杂，除了机械力和磨擦作用外，还有焦耳热、电弧的灼烧，以及因电流极性而产生的材料转移等，这些都会对材料产生影响。这就要求点触头材料具备低的电阻率和蒸汽压,高的热导率、熔点、沸点、熔化热和升华热,并且热稳定性好,热容量大,电子逸出功高,以保证高起弧电压和低电流；化学性能稳定；接触电阻低而稳定,良好的抗熔焊性以及良好的耐电弧侵蚀特。 [0003] Cu‑Cr合金目前在国内外真空触头材料领域中占据主导地位，其中CuCr合金因其优良的综合性能而成为中高压电路、中小型真空开关触头材料的首选。铜铬互不相溶，容易引起成分偏析现象，对合金的制备造成很大困难。采用传统工艺制备此类合金，铬偏析严重且组织粗大，大尺寸Cr相的存在将增加材料的电阻率，难以制得理想的CuCr合金触头材料。冷喷涂是利用高压气体携带粉末颗粒进入高速气流，通过Laval管产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下以极高的速度碰撞基板，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。喷涂加热温度远低于其熔点,颗粒基本上没有氧化、烧损和晶粒长大等现象；涂层对基体的热影响小,使涂层与基体之间的热应力减少。 [0004] 本申请中采用冷喷涂工艺制备CuCr合金触头，通过对工艺参数和具体组分的调整获得综合性能优异的CuCr触头。发明内容 [0005] 一种CuCr触头涂层的制备方法，采用冷喷涂技术进行制备。 [0006] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0007] 将质量分数为85‑90％的铜粉末，质量分数为5‑10％的铬粉末，以及质量分数为3‑8％的Ti粉末和质量分数1‑2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为80‑100r/min，球磨时间8‑10h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0008] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为20‑25mm，喷涂压力为5‑7MPa，喷枪移动速度为20‑25mm/s,喷涂粉末预热至400～500℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气或氩气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0009] 本申请采用冷喷涂技术，通过对粉末原料进行预热，相对降低喷涂速度，降低对铜基材的影响，降低其热应力和热变形，并且能够保证涂层的致密度，不导致电阻升高。在CuCr合金涂层中添加Ti能够降低其熔焊力，氧化镧在基体中起到弥散强化的作用提高了硬度，并且由于其弥散分布使得击穿点增加，单位面积下的电弧能量降低，使得触头的寿命显著提高。 具体实施方式[0010] 实施例1： [0011] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0012] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为3％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0013] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0014] 对获得的样品进行性能测试： [0015] 硬度测试在L102MVD维氏硬度仪器上测得，金刚石压头棱面夹角135°，施加压力50N，保压时间10s，测试温度室温。 [0016] 电导率采用sigmacopeSMP10电导率测试仪，测试探头为ES40，测量频率为20KHz，测量温度为室温。选取样品至少5个不同位置的测量点进行测量取其平均值作为试样的导电率。单位为以国际退火铜标准电导率为100％的相对电导率％IACS。 [0017] 熔焊力测试和触头损耗测试采用JF04C触点材料测试机，测试电流15A，电压18V测试间隔500ms，触电间距1mm，进行一万次打点测试。记录每次熔焊力大小求平均值，利用精确度为0.01mg的电子天平，分别测量电接触性能测试前后的样品质量。触头材料的熔焊力指的是两个触头发生熔焊之后，将这两个触头分开所需要施加的力的大小。熔焊力在触头材料的研究中是一个重要参量，可以用来衡量电触头材料的抗熔焊性能。触头材料的抗熔焊性能好坏的评价是根据熔焊力数值的大小来判断,力数值越小抗熔焊性能越好。 [0018] 电弧能量测试采用样品作为阴极，钨棒作为阳极，尖端为2mm圆柱，置于密闭环境中，通入1个标准大气压的氩气，调节直流，使阳极和阴极之间负载的电压稳定于9kV。测试过程中阴极样品以0.2mm/min的速度缓慢向钨棒尖端移动，直至发生电弧放电后停止。通过弧燃时间和击穿电流可以获得电弧能量大小。电弧能量是电弧的重要参数之一，一般来说，电弧能量越大，电接触材料表面被烧蚀的越严重。 [0019] 实施例2： [0020] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0021] 将质量分数为98％的铜粉末，质量分数为5％的铬粉末，以及质量分数为6％的Ti粉末和质量分数1％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为90r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0022] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为20mm，喷涂压力为5MPa，喷枪移动速度为20mm/s,喷涂粉末预热至500℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0023] 随后参照实施例1进行测试。 [0024] 对比例1： [0025] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0026] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为5％的Ti粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0027] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0028] 随后参照实施例1进行测试。 [0029] 对比例2： [0030] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0031] 将质量分数为87％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为1％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0032] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0033] 随后参照实施例1进行测试。 [0034] 对比例3： [0035] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0036] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为5％的铬粉末，以及质量分数为8％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0037] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0038] 随后参照实施例1进行测试。 [0039] 对比例4： [0040] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0041] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为3％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0042] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至300℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0043] 随后参照实施例1进行测试。 [0044] 对比例5： [0045] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0046] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为3％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0047] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为7MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至600℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0048] 随后参照实施例1进行测试。 [0049] 对比例6： [0050] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0051] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为3％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0052] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为4MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0053] 随后参照实施例1进行测试。 [0054] 对比例7： [0055] 以质量纯度为99.9％的多用途110铜作为基材，首先对铜基材进行喷砂和清洗。设置喷砂处理的进气压力为0.7MPa，结束后放入乙醇溶剂中在60kHz下超声处理25min，再在60℃下干燥4h。 [0056] 将质量分数为85％的铜粉末，质量分数为10％的铬粉末，以及质量分数为3％的Ti粉末和质量分数2％的氧化镧粉末进行球磨，球料比为8:1，添加无水乙醇作为分散剂，球磨转速为100r/min，球磨时间8h，经烘干筛分，获得粒径为30‑50微米的原料粉末。 [0057] 利用冷喷涂设备将原料粉末喷涂在铜基材上，冷喷涂设备的工艺参数为：冷喷涂距离为25mm，喷涂压力为8MPa，喷枪移动速度为25mm/s,喷涂粉末预热至400℃，冷喷涂所用的纯度为99.99％的氮气。最终在铜基材上获得CuCr基涂层。 [0058] 随后参照实施例1进行测试。 [0059] 表1测试结果 [0060] [0061] [0062] 对比例1中未添加氧化镧粉末，导致最终硬度降低、电弧能量升高。对比例2中添加Ti含量较低熔焊力未得到有效降低，对比例3Ti过量，导致最终导电性能劣化。对比例4‑7对喷涂参数进行了调整，喷涂工艺会影响最终涂层的组织和形貌，若涂层空隙、裂纹、空隙明显增多，涂层组织均匀性变差，会影响最终的综合性能，喷涂能量输入过大也会导致对基体的劣化甚至会在涂层中产生空洞。 |
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