專(zhuān)利名稱(chēng)：一種銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法是使用脈沖電子束的 方法在銅鉻合金表面制備納米結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而提高觸頭材料的表面的顯微硬度和耐磨性等力 學(xué)性能，屬于材料表面處理和改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于銅鉻合金的相互固溶度很小，因此銅鉻合金結(jié)合了鉻的高硬度和銅良好的導(dǎo) 電導(dǎo)熱性，在制備高強(qiáng)高導(dǎo)材料、集成電路引線框架、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線、電車(chē) 及電力火車(chē)架空導(dǎo)線等方面得到廣泛應(yīng)用，尤其是高鉻含量的銅鉻合金因具有耐電壓強(qiáng)度 高、開(kāi)斷電流能力大、抗熔焊性能好和截流性能低等特點(diǎn)，作為觸頭材料廣泛應(yīng)用于中壓真 空斷路器中。作為觸頭材料的銅鉻合金，材料表面的強(qiáng)度、顯微組織的均勻性和晶粒大小等 對(duì)觸頭材料的性能起十分重要的作用。合金表面的強(qiáng)度與耐電壓強(qiáng)度等成線性關(guān)系，因此 如何提高合金的表面強(qiáng)度，細(xì)化合金表面的顯微組織，提高合金的性能，進(jìn)而提高真空斷路 器的使用壽命是至關(guān)重要的。銅鉻合金在使用過(guò)程中發(fā)生磨損，主要集中在表面，合金的失 效往往由于觸頭材料的表面率先失效而引起整個(gè)失效，因此需要對(duì)銅鉻合金進(jìn)行表面強(qiáng)化 處理。電子束(Electron Beam)表面處理技術(shù)是將高能量密度的電子束轟擊到金屬表 面，并采用高速掃描的方式，使電子束能量均勻地分布于金屬表面。電子束表面處理技術(shù)在 機(jī)械制造業(yè)中得到很好的應(yīng)用，如在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上、模具上以及各種工具進(jìn)行表面強(qiáng)化， 達(dá)到提高其耐熱、耐蝕、耐磨等性能。脈沖電子束通過(guò)將材料快速加熱使材料的表面達(dá)到熔 化溫度后再進(jìn)行急劇冷卻，通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制來(lái)提高形核率抑制晶粒長(zhǎng)大可以在材料表面獲 得納米組織。近年來(lái)許多研究者正開(kāi)展利用電子束表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行高溫合金和功能材料 的研究。目前還沒(méi)有人通過(guò)采用電子束表面強(qiáng)化的方法對(duì)銅鉻合金進(jìn)行處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)銅鉻合金在使用過(guò)程中表面容易失效的情況而設(shè)計(jì)和提供了一 種銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其目的是通過(guò)采用脈沖電子束設(shè)備對(duì)銅鉻合金進(jìn)行 表面納米強(qiáng)化處理，進(jìn)而提高銅鉻合金表面的顯微硬度和耐磨性等力學(xué)性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利采用以下技術(shù)方案1.選取按照比例配好的銅鉻合金。銅鉻合金是采用真空感應(yīng)熔煉法或者熔滲法或 者混粉燒結(jié)法制備而成，銅鉻合金材料的鉻含量重量比范圍為5wt% 50wt% ；2.將選取的銅鉻合金表面機(jī)械加工后拋光，將拋光后的銅鉻合金放入到裝有酒精 或丙酮溶液的超聲波清洗機(jī)中使用超聲波清洗，清洗時(shí)間為5 20min，當(dāng)然根據(jù)銅鉻合金 材料的配比不同，清洗時(shí)間是不同的；然后用清水清洗干凈，清洗后進(jìn)行吹干、烘干或真空 干燥；3.將干燥處理后的銅鉻合金裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空
3室的真空度P < 5X10_3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體，如沖入高純氬氣等作為惰 性保護(hù)氣體；4.啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理。 脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍能量密度10-30/(^2，脈沖寬度30-8(^8，脈沖 次數(shù)2-50次；5.檢驗(yàn)銅鉻合金的表面。通過(guò)脈沖電子束表面處理后的銅鉻合金表面形成納米結(jié) 構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于lOOnm，深度達(dá)到IOym以上。本發(fā)明的銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，具有如下特點(diǎn)1、采用脈沖電子束設(shè)備對(duì)銅鉻合金進(jìn)行表面納米強(qiáng)化處理，納米結(jié)構(gòu)尺度小于 lOOnm，深度達(dá)到10 μ m以上，能顯著提高銅鉻合金表面的顯微硬度和耐磨性等力學(xué)性能。2、有效降低銅鉻合金在使用過(guò)程中發(fā)生的表面磨損，提高銅鉻合金制件，如真空 斷路器等制件的使用壽命。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括如下步驟選取按照 比例配好的銅鉻合金。銅鉻合金是采用真空感應(yīng)熔煉法或者熔滲法或者混粉燒結(jié)法制備而 成，銅鉻合金材料的鉻含量重量比范圍為5wt% 50wt% ；2.將選取的銅鉻合金表面機(jī)械加工后拋光，將拋光后的銅鉻合金放入到裝有酒精 或丙酮溶液的超聲波清洗機(jī)中使用超聲波清洗，清洗時(shí)間為5 20min，當(dāng)然根據(jù)銅鉻合金 材料的配比不同，清洗時(shí)間是不同的；然后用清水清洗干凈，清洗后進(jìn)行吹干、烘干或真空 干燥。3.將干燥處理后的銅鉻合金裝在夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真 空度P < 5 X 10_3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體，如沖入高純氬氣等作為惰性保護(hù) 氣體。4.啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理。 脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍能量密度10-30/(^2，脈沖寬度30-8(^8，脈沖 次數(shù)2-50次。本發(fā)明的能量密度可以為15J/Cm2、18J/Cm2、20J/Cm2、25J/Cm2、28J/Cm2 ；脈沖 寬度可以為 35 μ s,40 μ s,45 μ s,50 μ s,55 μ S,60 μ S,65 μ S,70 μ S,75 μ S ；脈沖次數(shù)可以 為5次、8次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次、55次等，均能實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明目的。5.檢驗(yàn)銅鉻合金的表面。通過(guò)脈沖電子束表面處理后的銅鉻合金表面形成納米結(jié) 構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于lOOnm，深度達(dá)到IOym以上。惰性保護(hù)氣體是高純氬氣、氦氣等。本發(fā)明的真空感應(yīng)熔煉法、熔滲法或者混粉燒結(jié)法制備銅鉻合金，該三種方法都 是現(xiàn)有的制備方法，不作詳述。另外，超聲波清洗機(jī)、脈沖電子束設(shè)備等都是現(xiàn)有的裝置，只 是針對(duì)不同的材料選取不同的加工工藝參數(shù)，達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求即可，不作詳述。實(shí)施例1 取真空感應(yīng)熔煉的直徑為30mm的CuCr25合金試樣(含Cr25% )，表面機(jī)械加工 后拋光，將拋光后的CuCr25合金觸頭材料放入到裝有酒精的超聲波清洗機(jī)中使用超聲波清洗lOmin，然后用清水清洗干凈，清洗后采用電吹風(fēng)進(jìn)行吹干。將干燥的CuCr25合金觸頭 材料裝在專(zhuān)用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為2. OX IO-3Pa后，迅 速關(guān)閉真空閥，然后向真空室內(nèi)充入純度為99. 99%的氬氣直到3. OX 104Pa。啟動(dòng)脈沖電 子束設(shè)備，加載高壓，對(duì)CuCr25合金觸頭材料的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理。脈沖電子 束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)為能量密度15J/cm2，脈沖寬度40 μ s，脈沖次數(shù)10次。實(shí)施例2 取熔滲法制備的直徑為20mm的CuCr50合金試樣(含Cr50% )，表面機(jī)械加工后 拋光，將拋光后的CuCr50合金觸頭材料放入到裝有丙酮的超聲波清洗機(jī)中使用超聲波清 洗15min，然后用清水清洗干凈，清洗后進(jìn)行真空干燥。將干燥的CuCr50合金觸頭材料裝在 專(zhuān)用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為1. 6 X IO-3Pa后，迅速關(guān)閉真 空閥，然后向真空室內(nèi)充入純度為99. 99%的氬氣直到4. OX 104Pa。啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備， 加載高壓，對(duì)CuCr50合金觸頭材料的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理。脈沖電子束表面強(qiáng)化 處理的主要參數(shù)為能量密度25J/cm2，脈沖寬度60 μ s，脈沖次數(shù)30次。實(shí)施例3 取混粉燒結(jié)法制備的直徑為25mm的CuCr30合金試樣(含Cr30% )，表面機(jī)械加 工后拋光，將拋光后的CuCrfO合金觸頭材料放入到裝有丙酮的超聲波清洗機(jī)中使用超聲 波清洗12min，然后用清水清洗干凈，清洗后進(jìn)行真空干燥。將干燥的CuCrfO合金觸頭材料 裝在專(zhuān)用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為2. 4X KT3Pa后，迅速關(guān) 閉真空閥，然后向真空室內(nèi)充入純度為99. 99%的氬氣直到2. OX 104Pa。啟動(dòng)脈沖電子束 設(shè)備，加載高壓，對(duì)CuCrfO合金觸頭材料的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理。脈沖電子束表 面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)為能量密度20J/cm2，脈沖寬度50 μ s，脈沖次數(shù)20次。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于(1)將符合要求的銅、鉻原材料通過(guò)真空感應(yīng)熔煉法，熔滲法或者混粉燒結(jié)法制備而成銅鉻合金；銅鉻合金的成分按照鉻含量重量百分比為5wt％～50wt％；(2)將銅鉻合金表面機(jī)械加工后拋光，將拋光后的銅鉻合金放入到裝有酒精或丙酮溶液的超聲波清洗機(jī)中使用超聲波清洗，清洗時(shí)間為5～20min；然后用清水清洗干凈，清洗后進(jìn)行吹干、烘干或真空干燥；(3)將干燥處理后的銅鉻合金裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度P＜5×10 3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體。(4)啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理；脈沖電子束表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍為能量密度10 30J/cm2，脈沖寬度30 80μs，脈沖次數(shù)2 50次；(5)通過(guò)脈沖電子束表面處理后的銅鉻合金表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于100nm，深度達(dá)到10μm以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述惰性保 護(hù)氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種銅鉻合金表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法是將銅鉻合金表面清洗處理后裝在夾具上，放入真空室內(nèi)，真空室的真空度P＜5×10-3Pa，然后向真空室內(nèi)充入氬氣作為保護(hù)氣體；啟動(dòng)脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對(duì)銅鉻合金的表面進(jìn)行電子束沖擊強(qiáng)化處理；電子束表面強(qiáng)化的主要參數(shù)范圍能量密度10-30J/cm2，脈沖寬度30-80μs，脈沖次數(shù)2-50次；然后打開(kāi)真空室，檢驗(yàn)銅鉻合金表面質(zhì)量。本發(fā)明技術(shù)方案在銅鉻合金表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于100nm，深度達(dá)到10μm以上。通過(guò)電子束表面強(qiáng)化處理的銅鉻合金表面的顯微組織大大細(xì)化，顯微硬度和耐磨性大大提高。
文檔編號(hào)C21D1/773GK101892361SQ20101020763
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者周志明, 唐麗文, 夏華, 曹敏敏, 雷彬彬, 黃偉九 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)