用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的制备方法

摘要

本发明公开的一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的制备方法，首先采用快速凝固甩带法制备高的铜合金箔带，然后对CuW预结合面用酸溶解的方法去铜处理，结合面处得到多孔结构的W骨架，随后在还原性气氛炉内对CuW、合金箔带、CuCr合金进行整体烧结熔渗得到CuW与CuCr整体材料，之后对其进行固溶时效处理。由于熔渗过程中合金箔带中的Cr元素向多孔骨架中的填充与浸渗，并与W形成W-Cr固溶体，使骨架与基体铜相之间实现了冶金结合，提高了该整体材料的界面结合强度。

说明书

技术领域

本发明属于异质材料连接制备技术领域，涉及一种用于高压电触头的 CuW与CuCr整体材料的制备方法。

背景技术

自力型高压整体电触头由耐电弧烧损的CuW触指部分和提供弹性的 CuCr部分连接而成，CuW/CuCr整体材料综合了这两种异质材料各自的性能 优势，广泛用于高压断路器中的电触头。随着高压开关向超特高压、大容量、 小型化方向发展，灭弧室内CuW/CuCr整体弧触头在使用过程中所承受的热 载荷和机械载荷更大，服役环境更为恶劣，对其核心部件－CuW/CuCr整体 材料界面结合强度提出了更高的要求。

已有的研究表明，异质材料界面结合强度取决于界面结合性质，冶金结 合高于机械结合。由于Cu、W两相互不相溶，也不形成金属间化合物，在 采用液态连接技术制备CuW/CuCr整体材料过程中，结合面处的W骨架表 面与Cu液不能形成冶金结合，因此结合面处大量存在的以机械结合方式 Cu-W结合偶成为界面结合强度不能大幅度提高的制约性因素。另外，Cu与 W两相间仅以机械结合为主，相间结合强度不足，在服役过程中，结合面产 生的裂纹极易沿Cu/W相界面进一步扩展，最终导致材料沿结合面断裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的 制备方法，解决现有整体材料由于结合强度不足而导致的容易沿结合面发生 断裂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体 材料的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1，制备铜合金箔带

将商用的CuCr合金锭经机加工去除各种缺陷，置于具有快速凝固装置 的感应加热炉内，在保护气氛中，1150~1250℃的温度下重熔保温40min后， 采用快速凝固甩带法制成铜合金箔带；

步骤2，处理CuW结合面

根据整体电触头的产品尺寸，选取合适长度的商用CuW合金，采用机 械加工车平预结合的端部后，将其新鲜端部放入体积浓度为20~30%的硝酸 溶液中，浸入深度为1~5mm，浸泡时间为3-5小时，使CuW合金端部中的 Cu相溶解在硝酸溶液中，取出后先用清水清洗被腐蚀的端部，然后放入装 有蒸馏水的超声波震荡器清洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波震 荡器清洗20~30min，最后放入真空干燥箱烘干备用；

步骤3，清洗合金箔带

将步骤1中制备的铜合金箔带剪成与结合面面积相等的片状，将其放入 盛有丙酮的清洗超声波震荡器中清洗10~20min后放入干燥箱烘干备用；

步骤4，清洗CuCr合金棒预结合面

根据整体电触头的产品尺寸，截取合适长度的商用CuCr合金棒材，机 械加工车平端部，选择截取的新鲜机加工面做为预结合面，并用丙酮清洗后 晾干备用；

步骤5，整体材料组装

将经步骤2，3，4处理过的三种材料由下至上按照CuW合金、合金箔 带、CuCr合金依次叠放置于坩埚内；

步骤6，整体材料的烧结熔渗

将步骤5中装好三部分材料的坩埚置于还原气氛烧结炉内，通入还原气 体，通入气体30min后以10℃/min的加热速度进行加热，当炉内温度达到 1100℃~1300℃，保温时间为1~4小时，随后关闭加热电源经随炉冷却降至 室温，取出熔铸好的整体材料；

步骤7，整体材料的热处理

将步骤6中制备的材料置于热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为 800℃~950℃，保温2~5h，随后打开炉门对高温整体材料进行水淬，再将淬 火后的整体材料置于热处理炉内进行时效处理，时效温度为400℃~500℃， 保温2~5h后随炉冷却，最后对热处理后的整体材料进行机加工，即成。

本发明的特点还在于，

步骤1中CuCr合金锭中Cr的质量百分数为10%。

步骤1中保护气体为氩气。

步骤1中所述铜合金箔带的厚度为40-60μm。

步骤2中CuW合金中Cu的质量百分数为10~30%。

步骤4中CuCr合金棒材中Cr的质量百分数为0.5~1.2%。

步骤5中选用的坩埚直径比所装整体材料直径大1~2mm，高度高于所 装料5~10mm。

步骤6中还原气体为H₂气体。

本发明的有益效果是，由于熔渗过程中合金箔带中的Cr元素向多孔骨 架中的填充与浸渗，并与W形成W-Cr固溶体，使骨架与基体铜相之间实现 了冶金结合，提高了该整体材料的界面结合强度，且制备成本较低、操作工 艺简单。

附图说明

图1为本发明一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的制备方法 的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种用于高压电触头的CuW与CuCr整体材料的制备方法， 如图1所示的流程，按照以下步骤实施：

步骤1，制备铜合金箔带

将商用的Cr的质量百分数为10%的CuCr合金锭经机加工去除各种缺 陷，清洗干净；置于快速凝固装置的感应加热炉内，氩气做为保护气氛，在 1150~1250℃重熔保温40min后，采用快速凝固单辊甩带法制备铜合金箔带， 其厚度为40-60μm；

步骤2，处理CuW结合面

根据整体电触头的产品尺寸，选取合适长度的商用CuW合金，其中Cu 的质量百分数为10~30%。采用机械加工车平预结合的端部后，将其新鲜端 部放入体积浓度为20~30%的硝酸溶液中，新鲜端部浸入溶液中深度为1~5 mm，在溶液中浸泡时间为3-5小时。由于Cu可以和硝酸反应生成硝酸铜， 溶液变为蓝色，而W不溶解于酸，所以端部CuW合金中的Cu相大部分溶 解在硝酸溶液中，预结合面处只剩下连续的多孔W骨架。取出端部已被腐 蚀成多孔结构的CuW合金，先用清水清洗被腐蚀的端部后，然后将其放入 装有蒸馏水的超声波震荡器清洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波 震荡器清洗20~30min，最后放入真空干燥箱烘干备用；

步骤3，清洗合金箔带

将步骤1中制备的铜合金箔带剪成与结合面面积大小相等的片状，将其 放入盛有丙酮的清洗超声波震荡器中清洗10~20min，晾干后放入干燥箱备 用；

步骤4，清洗CuCr合金棒预结合面

根据整体电触头的产品尺寸，截取合适长度的商用低Cr含量的铬青铜 合金棒材，其中Cr的质量百分数为0.5~1.2%，选择截取的新鲜的机加工面 做为预结合面，并用丙酮清洗后晾干备用；

步骤5，整体材料组装

将经步骤2，3，4处理过的三种材料由下至上按照CuW合金、合金箔 带、CuCr合金依次叠放置于坩埚内；

步骤6，整体材料的烧结熔渗

将步骤5中装好三部分材料的坩埚置于还原性烧结炉内进行整体烧结熔 渗，通入炉内的还原气体为H₂气体。通入气体30min后，然后以10℃/min 的加热速度进行加热，当炉内温度达到1100℃~1300℃，保温1~4小时。随 后关闭加热电源经随炉冷却降至室温，取出熔铸好的整体材料；

步骤7，整体材料的热处理

将步骤6中制备的试样置于热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为 800℃~950℃，保温2~5h，随后打开炉门对高温整体材料进行水淬。再将淬 火后的整体材料置于热处理炉内进行时效处理，时效温度为400℃~500℃， 保温2~5h后随炉冷却出炉即成；最后对热处理后的整体材料进行机加工即 为成品。

实施例1

首先制备铜合金箔带，将商用的Cr含量（质量百分数）为10%的CuCr 合金锭经机加工去除各种缺陷，置于快速凝固装置的感应加热炉内，氩气做 为保护气氛，在1150℃重熔保温40min后，采用快速凝固单辊甩带法制备铜 合金箔带，其厚度为40μm。

然后处理CuW结合面，采用机械加工车平预结合的端部后，将其新鲜 端部放入体积浓度为30%的硝酸溶液中，新鲜端部浸入溶液中深度为1mm， 在溶液中浸泡时间为3小时。取出端部已被腐蚀成多孔结构的CuW合金， 先用清水清洗被腐蚀的端部后，然后将其放入装有蒸馏水的超声波震荡器清 洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波震荡器清洗20~30min，最后放 入真空干燥箱烘干备用。

将铜合金箔带剪成与结合面面积大小相等的片状，将其放入盛有丙酮的 清洗超声波震荡器中清洗10~20min。

随后将处理过的三种材料依次叠放置于坩埚内。将坩埚置于烧结气氛炉 内进行整体烧结熔渗，还原气体为H₂气体。通入气体30min后，然后以 10℃/min的加热速度进行加热，当炉内温度达到1100℃，保温1小时。随后 关闭加热电源经随炉冷却降至室温，取出熔铸好的整体材料。

之后对整体材料进行热处理，固溶温度为900℃，保温5h后进行水淬。 再对其进行时效处理，时效温度为400℃，保温5h后炉冷却出炉即成；最后 对热处理后的整体材料进行机加工即为成品。

实施例2

首先制备铜合金箔带，将商用的Cr含量（质量百分数）为10%的CuCr 合金锭经机加工去除各种缺陷，置于快速凝固装置的感应加热炉内，氩气做 为保护气氛，在1200℃重熔保温40min后，采用快速凝固单辊甩带法制备 铜合金箔带，其厚度为45μm。

然后处理CuW结合面，采用机械加工车平预结合的端部后，将其新鲜 端部放入体积浓度为25%的硝酸溶液中，新鲜端部浸入溶液中深度为2mm， 在溶液中浸泡时间为3.5小时。取出端部已被腐蚀成多孔结构的CuW合金， 先用清水清洗被腐蚀的端部后，然后将其放入装有蒸馏水的超声波震荡器清 洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波震荡器清洗20~30min，最后放 入真空干燥箱烘干备用。

将铜合金箔带剪成与结合面面积大小相等的片状，将其放入盛有丙酮的 清洗超声波震荡器中清洗10~20min，并将处理过的三种材料依次叠放置于 坩埚内。将坩埚置于烧结气氛炉内进行整体烧结熔渗，还原气体为H₂气体。 通入气体30min后，然后以10℃/min的加热速度进行加热，当炉内温度达 到1150℃，保温2小时。随后关闭加热电源经随炉冷却降至室温，取出熔铸 好的整体材料。

之后对整体材料进行热处理，固溶温度为850℃，保温4h后进行水淬。 再对其进行时效处理，时效温度为450℃，保温4h后炉冷却出炉即成；最后 对热处理后的整体材料进行机加工即为成品。

实施例3

首先制备铜合金箔带，将商用的Cr含量（质量百分数）为10%的CuCr 合金锭经机加工去除各种缺陷，置于快速凝固装置的感应加热炉内，氩气做 为保护气氛，在1250℃重熔保温40min后，采用快速凝固单辊甩带法制备 铜合金箔带，其厚度为50μm。

然后处理CuW结合面，采用机械加工车平预结合的端部后，将其新鲜 端部放入体积浓度为25%的硝酸溶液中，新鲜端部浸入溶液中深度为 2.5mm，在溶液中浸泡时间为4小时。取出端部已被腐蚀成多孔结构的CuW 合金，先用清水清洗被腐蚀的端部后，然后将其放入装有蒸馏水的超声波震 荡器清洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波震荡器清洗20~30min， 最后放入真空干燥箱烘干备用。

随后将铜合金箔带剪成与结合面面积大小相等的片状，将其放入盛有丙 酮的清洗超声波震荡器中清洗10~20min，并将处理过的三种材料依次叠放 置于坩埚内。将坩埚置于烧结气氛炉内进行整体烧结熔渗，还原气体为H₂。 通入气体30min后，然后以10℃/min的加热速度进行加热，当炉内温度达 到1200℃，保温2小时。随后关闭加热电源经随炉冷却降至室温，取出熔铸 好的整体材料。

之后对整体材料进行热处理，固溶温度为900℃，保温3h后进行水淬。 再对其进行时效处理，时效温度为450℃，保温3h后炉冷却出炉即成；最后 对热处理后的整体材料进行机加工即为成品。

实施例4

首先制备铜合金箔带，将商用的Cr含量（质量百分数）为10%的CuCr 合金锭经机加工去除各种缺陷，置于快速凝固装置的感应加热炉内，氩气做 为保护气氛，在1200℃重熔保温40min后，采用快速凝固单辊甩带法制备 铜合金箔带，其厚度为60μm。

然后处理CuW结合面，采用机械加工车平预结合的端部后，将其新鲜 端部放入体积浓度为20%的硝酸溶液中，新鲜端部浸入溶液中深度为5mm， 在溶液中浸泡时间为5小时。取出端部已被腐蚀成多孔结构的CuW合金， 先用清水清洗被腐蚀的端部后，然后将其放入装有蒸馏水的超声波震荡器清 洗30~40min，再放入盛有无水乙醇的超声波震荡器清洗20~30min，最后放 入真空干燥箱烘干备用。

随后将铜合金箔带剪成与结合面面积大小相等的片状，将其放入盛有丙 酮的清洗超声波震荡器中清洗10~20min，并将处理过的三种材料依次叠放 置于坩埚内。将坩埚置于烧结气氛炉内进行整体烧结熔渗，还原气体为H₂。 通入气体30min后，然后以10℃/min的加热速度进行加热，当炉内温度达 到1300℃，保温4小时。随后关闭加热电源经随炉冷却降至室温，取出熔铸 好的整体材料。

之后对整体材料进行热处理，固溶温度为950℃，保温2h后进行水淬。 再对其进行时效处理，时效温度为500℃，保温5h后炉冷却出炉即成；最后 对热处理后的整体材料进行机加工即为成品。

下表为现有技术及上述四个实施例制备出的CuW/CuCr整体材料的界 面结合强度对比：

  不同制备工艺   现有技术  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  界面强度(MPa)   260   325   345   340   342

从上表可以看出，由4个实施例分别制备的CuW/CuCr整体材料的界面 结合强度有较大幅度的提高，实施例3所制备材料的界面强度最高，可达340 MPa。

本发明的优点是，将结合面处CuW合金中的Cu相去掉，只剩下连续的 多孔W骨架，然后在结合面处引入高Cr含量的铜合金箔带，通过Cr元素 向多孔骨架中的填充，并与W形成W-Cr固溶体，使骨架与基体相之间实现 了冶金结合；结合面上及靠近CuW合金侧原本以机械结合方式存在的Cu-W 结合偶发生改变，取而代之的是以冶金结合方式存在的Cu-W-Cr结合偶，骨 架与基体相结合力增强，同时结合面处的W颗粒表面也实现了冶金结合。 且本发明方法制备成本较低、操作工艺简单。

本发明的优点是，提供一种能够获得CuW/CuCr高界面结合强度的制备 方法，且本发明方法制备成本较低、操作工艺简单。