專利名稱：一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法是使用脈 沖電子束的方法在W-Cu合金觸頭材料表面制備納米結(jié)構(gòu)層，進而提高觸頭材料的表面的 顯微硬度和耐磨性等力學性能，屬于材料表面處理和改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
W-Cu合金材料是由W和Cu所組成的兩相均勻分布的既不固溶又不形成化合物的 一類復合材料，兼有W的高熔點、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性、高的高溫強度和Cu的高導 電、導熱率、塑性及易加工性，而且Cu在電弧高溫下蒸發(fā)時可吸收大量的電弧能量，降低電 弧溫度，可有效地改善使用條件和降低電蝕作用，因此被廣泛地用作電觸頭材料、電阻焊、 電火花加工和等離子電極材料、電熱和高比重合金、特殊用途的軍工材料(如火箭噴嘴、飛 機喉襯)等。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大和電力市場的發(fā)展，對配電網(wǎng)絡(luò)和配電系統(tǒng)的要求 更高，不久的將來，配電網(wǎng)絡(luò)不僅要保證重要用戶的供電可靠性，而且應(yīng)該普遍提高整個配 電系統(tǒng)的可靠性，要求高壓開關(guān)GCB和GIS具有更高的工作可靠性，特別要求GCB和GIS的 WCu觸頭應(yīng)具有更好的耐電弧命。高性能的W-Cu觸頭材料才能保證高可靠性的GCB和GIS。 W-Cu合金是高壓SF6斷路器使用性能最好的觸頭材料。目前國內(nèi)外制造W-Cu觸頭材料采用的方法主要為混粉燒結(jié)法、熔滲法和熱壓法 等?；旆蹮Y(jié)法制備的W-Cu合金生產(chǎn)工藝簡單易控，但燒結(jié)溫度高，時間長，燒結(jié)體的性 能較差，特別是燒結(jié)致密度較低，不適于W-Cu觸頭的生產(chǎn)。熱壓法可獲得相對密度高達 99. 5%以上的W-Cu合金，熱壓法的優(yōu)點是可以制取任意銅含量的W-Cu合金材料，其缺點是 設(shè)備成本較高。國內(nèi)制造W-Cu觸頭材料，采用的方法主要有H2熔滲、真空熔滲、N2熔滲等， 其實質(zhì)都是熔滲法。熔滲法制備的W-Cu合金觸頭材料致密度高，燒結(jié)性能好，電導和熱導 性能也很理想，缺點是熔滲后需進行機加工以去除多余的金屬銅。另外，此法難以制取銅含 量較高的W-Cu觸頭，一般W含量大于50wt %的W-Cu觸頭都可以用該法生產(chǎn)。此外在大多數(shù) 熔滲法制造的W-Cu合金觸頭材料中，W骨架的壓坯密度主要由經(jīng)驗法確定，沒有充分考慮 到W骨架在壓制脫模后的彈性后效及熔滲時的收縮率等因素，實際使用時，容易出現(xiàn)W-Cu 合金觸頭材料密度偏離、化學成分超出標準范圍等情況，影響W-Cu觸頭材料的性能。作為觸頭材料的W-Cu合金材料表面的強度、顯微組織的均勻性和晶粒大小等對 觸頭材料的性能起十分重要的作用。合金表面的強度與耐電壓強度等成線性關(guān)系，因此如 何提高合金的表面強度，細化合金表面的顯微組織，提高合金的性能，進而提高真空斷路器 的使用壽命是至關(guān)重要的。W-Cu合金觸頭材料在使用過程中發(fā)生的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失效，因此需要對W-Cu合金觸 頭材料進行表面強化處理。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 機械制造業(yè)中得到很好的應(yīng)用，如在燃氣輪機葉片上、模具上以及各種工具進行表面強化，達到提高其耐熱、耐蝕、耐磨等性能。脈沖電子束通過將材料快速加熱使材料的表面達到熔 化溫度后再進行急劇冷卻，通過動力學控制來提高形核率抑制晶粒長大可以在材料表面獲 得納米組織。近年來許多研究者正開展利用電子束表面強化技術(shù)進行高溫合金和功能材料 的研究。目前還沒有人通過采用電子束表面強化的方法對W-Cu合金觸頭材料進行處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對W-Cu合金觸頭材料在使用過程中表面磨損、表面容易失效的情 況而設(shè)計和提供了一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其目的是通過采用 脈沖電子束設(shè)備對W-Cu合金觸頭材料進行表面納米強化處理，進而提高W-Cu合金觸頭材 料表面的顯微硬度和耐磨性等力學性能。為了實現(xiàn)上述目的，本專利采用以下技術(shù)方案1.選取合格的W、Cu材料，按照重量比例配制，采用熱壓法、機械合金化法、熔滲 法或者混粉燒結(jié)法等制備W-Cu合金觸頭材料，W-Cu合金觸頭材料中W重量含量范圍為 50wt% 90wt% ；2.將W-Cu合金觸頭材料表面機械加工后放入到裝有酒精或丙酮溶液的超聲波清 洗機中使用超聲波清洗，清洗時間一般為8 20min，當然因W重量含量不同而選取的清洗 時間有差異；然后用清水清洗干凈，清洗后進行吹干、烘干或真空干燥。3.將干燥處理后的W-Cu合金觸頭材料裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真 空，直到真空室的真空度P < 6X10_3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護氣體，如沖入氬氣、 氦氣等作為惰性保護氣體。4.啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對W-Cu合金觸頭材料的表面進行電子束沖 擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數(shù)范圍能量密度10-30J/cm2，脈沖寬度 30-80 μ s，脈沖次數(shù)2-60次。5.檢驗W-Cu合金觸頭材料的表面。通過脈沖電子束表面處理后的W-Cu合金觸頭 材料表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于lOOnm，深度達到10 μ m以上。
具體實施例方式一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)選取合格的W、Cu材料，采用熱壓法、機械合金化法、熔滲法或者混粉燒結(jié)法制 備W-Cu合金，W-Cu合金觸頭材料中的W重量含量范圍為50wt% 90wt% ；(2)將W-Cu合金觸頭材料表面機械加工后放入到裝有酒精或丙酮溶液的超聲波 清洗機中使用超聲波清洗，清洗時間一般為8 20min ；然后用清水清洗干凈，清洗后進行 吹干、烘干或真空干燥；(3)將干燥處理后的W-Cu合金觸頭材料裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真 空，直到真空室的真空度P < 6X10_3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護氣體；(4)啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對W-Cu合金觸頭材料的表面進行電子束沖 擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數(shù)范圍能量密度10-30J/cm2，脈沖寬度 30-80 μ s，脈沖次數(shù)2-60次；本發(fā)明的能量密度可以為15J/Cm2、18J/Cm2、20J/Cm2、25J/Cm2、 28J/cm2 ；35 μ s、40y s、45y s、50y s>55y s、60y s、65y s、70y s>75y 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，均能實現(xiàn)本發(fā)明目的。(5)通過脈沖電子束表面處理后的W-Cu合金觸頭材料表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納 米結(jié)構(gòu)尺度小于lOOnm，深度達到IOym以上。進一步的特征是所述的惰性保護氣體為氬氣。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、脈沖電子束設(shè)備等都是現(xiàn)有的裝置，只 是針對不同的材料選取不同的加工工藝參數(shù)，達到相關(guān)技術(shù)要求即可，不作詳述。實施例1 取熱壓法制備的直徑為30mm的WCu50合金試樣，表面機械加工后拋光，將拋光后 的WCu50合金觸頭材料放入到裝有酒精的超聲波清洗機中使用超聲波清洗lOmin，然后用 清水清洗干凈，清洗后采用電吹風進行吹干。將干燥的WCu50合金觸頭材料裝在專用的夾 具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為5. O 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. 9 %的氬氣直到3. O X IO4Pa0啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓， 對WCu50合金觸頭材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要 參數(shù)為能量密度15J/cm2，脈沖寬度40 μ s，脈沖次數(shù)10次。實施例2 取熔滲法制備的直徑為20mm的WCu30合金試樣，表面機械加工后拋光，將拋光后 的WCu30合金觸頭材料放入到裝有丙酮的超聲波清洗機中使用超聲波清洗15min，然后用 清水清洗干凈，清洗后進行真空干燥。將干燥的WCu30合金觸頭材料裝在專用的夾具上，放 入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為4. O 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. 9%的高純氬氣直到4. O X 104Pa。啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對 WCu30合金觸頭材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參 數(shù)為能量密度25J/cm2，脈沖寬度60 μ s，脈沖次數(shù)30次。實施例3 取混粉燒結(jié)法制備的直徑為25mm的WCu20合金試樣，表面機械加工后拋光，將拋 光后的WCu40合金觸頭材料放入到裝有丙酮的超聲波清洗機中使用超聲波清洗12min，然 后用清水清洗干凈，清洗后進行真空干燥。將干燥的WCu20合金觸頭材料裝在專用的夾具 上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度為5. 2 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. 9%的氬氣直到2. OX 104Pa。啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對 WCu20合金觸頭材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參 數(shù)為能量密度30J/cm2，脈沖寬度60 μ s，脈沖次數(shù)40次。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進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)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)選取合格的W、Cu材料，采用熱壓法、機械合金化法、熔滲法或者混粉燒結(jié)法制備W-Cu合金，W-Cu合金觸頭材料中的W重量含量范圍為50wt％～90wt％；(2)將W-Cu合金觸頭材料表面機械加工后放入到裝有酒精或丙酮溶液的超聲波清洗機中使用超聲波清洗，清洗時間一般為8～20min；然后用清水清洗干凈，清洗后進行吹干、烘干或真空干燥；(3)將干燥處理后的W-Cu合金觸頭材料裝在配用的夾具上，放入真空室內(nèi)，抽真空，直到真空室的真空度P＜6×10-3Pa，然后向真空室內(nèi)充入惰性保護氣體；(4)啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對W-Cu合金觸頭材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數(shù)范圍能量密度10-30J/cm2，脈沖寬度30-80μs，脈沖次數(shù)2-60次；(5)通過脈沖電子束表面處理后的W-Cu合金觸頭材料表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于100nm，深度達到10μm以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所 述的惰性保護氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種W-Cu合金觸頭材料表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法是將W-Cu合金觸頭材料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＜6×10-3Pa，然后向真空室內(nèi)充入氬氣作為保護氣體；啟動脈沖電子束設(shè)備，加載高壓，對W-Cu合金觸頭材料的表面進行電子束沖擊強化處理；電子束表面強化的主要參數(shù)范圍能量密度10-30J/cm2，脈沖寬度30-80μs，脈沖次數(shù)2-60次；然后打開真空室，檢驗W-Cu合金觸頭材料表面質(zhì)量。本發(fā)明技術(shù)方案在W-Cu合金觸頭材料表面形成納米結(jié)構(gòu)層的納米結(jié)構(gòu)尺度小于100nm，深度達到10μm以上。通過電子束表面強化處理的W-Cu合金觸頭材料表面的顯微組織大大細化，顯微硬度和耐磨性大大提高。
文檔編號H01H1/025GK101886236SQ20101020763
公開日2010年11月17日 申請日期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, 彭成允, 曹敏敏, 陳元芳, 雷彬彬, 黃偉九 申請人:重慶理工大學