一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法

摘要

本发明公开了一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法，包括以下顺序步骤：s1.制取触头材料；s2.根据电子束熔丝装置设置热源参数；s3.在石墨舟中利用电子束持续散焦预热钨坯；s4.调整电子束与铜丝位向关系，并通过高速运动电子束与铜丝之间的交互作用，产生能量转换熔融金属铜丝；s5.以恒定速度移动工作平台；s6.返回步骤s4，直至熔渗过程结束。本发明的优势在于：电子束熔渗法尤其适合小批量、质量分数配比不同的铜钨合金制备，制造过程仅需计算满足质量分数要求的铜丝长度；电子束装置所具备的真空环境适合铜合金的制备，可最大限度的避免氧化，提高熔渗效果。

权利要求

1.一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：s1.制取触头材料；

s2.根据电子束熔丝装置设置热源参数；

s3.在石墨舟中利用电子束持续散焦预热钨坯；

s4.调整电子束与铜丝位向关系，并通过高速运动电子束与铜丝之间的交互作用，产生能量转换熔融金属铜丝；

s5.以恒定速度移动工作平台；

s6.返回步骤s4，直至熔渗过程结束。

2.如权利要求1所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，步骤s1包括以下步骤：s11.设定铜的质量分数；

s12.根据铜钨触头直径、铜钨触头高度、铜钨触头密度、铜丝密度以及焊丝直径计算出满足试样中铜质量分数要求所需要的铜丝长度。

3.如权利要求1所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，步骤s2中的所述热源参数包括束流参数、聚焦电流参数以及速度矢量参数，其中，所述速度矢量参数还包括送丝速度和工作台运动速度。

4.如权利要求1所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，步骤s2还需要设置熔渗时间，即在设置的熔渗时间内完成铜丝的熔融过程。

5.如权利要求1所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，步骤s3中，电子束持续散焦预热钨坯至1400℃±50℃温度。

6.如权利要求1所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，步骤s4中，调整电子束与铜丝位向关系，保证电子束能量集中在铜丝尖端。

7.如权利要求1～6所述的电子束熔渗制备铜钨触头的方法中的任一项所述，上述步骤均在真空环境下进行操作，真空度小于10-2Pa。

说明书

一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及触头材料领域，尤其涉及一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法。

背景技术

[0002] 电触头是高压开关和断路器中重要的接触元件，目前应用较成熟的高压电触头材料为铜钨复合材料。铜钨触头材料因具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及高强度而广泛应用于各种高压开关和断路器。铜钨触头材料传统制备方法为粉末冶金法和熔渗法：①粉末冶金法：将一定量的钨粉和铜粉混合配粉后压制烧结成型；②熔渗法：钨粉在模具中压制烧结成具有一定孔隙度的钨骨架坯，将其与浸铜片叠置并置于真空或气氛保护环境中，加热到铜熔点以上一定温度，液态铜借助毛细管作用浸入到钨骨架孔隙中，最终得到铜钨整体熔渗材料。

[0003] 但以上两种工艺方法均有各自弊端：粉末冶金法制备的触头材料的导电性和导热性、机械性能较熔渗法差。而熔渗法作为目前广泛使用的触头材料制备方法，生产过程需要模具制造、坯体烧结、整体熔渗等辅助工序，因此生产周期较长、适合大批量零件的生产。对于小批量、供货期要求短的产品，这种方法显然也不适用。

[0004] 目前以电子束作为热源的技术主要用于焊接、物相沉积、钻孔、增材成型等领域，在熔渗领域尚无应用。电子束熔渗是以高能量密度电子束流为热源与金属丝材交互作用，使金属丝材熔化后浸入坯体中，从而实现熔渗过程。

[0005] 公开号为CN101279365A的发明专利，公开了一种高抗电弧烧蚀的铜钨电触头材料的制备方法。该方法按以下步骤进行：首先按比例称量铜粉、钨粉以及稀土单质，然后将20～40％的铜粉、钨粉以及稀土单质放在高能球磨机中进行机械合金化；再将余下的铜粉、钨粉以及添加的镍粉和乙醇进行共同机械混合；在模具中压制成型；最后将压坯装入高温保护气氛烧结炉中采用熔渗技术烧结成型即可得到。

发明内容

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：

[0007] s1.制取触头材料；

[0008] s2.根据电子束熔丝装置设置热源参数；

[0009] s3.在石墨舟中利用电子束持续散焦预热钨坯；

[0010] s4.调整电子束与铜丝位向关系，并通过高速运动电子束与铜丝之间的交互作用，产生能量转换熔融金属铜丝；

[0011] s5.以恒定速度移动工作平台；

[0012] s6.返回步骤s4，直至熔渗过程结束。

[0013] 进一步地，步骤s1包括以下步骤：

[0014] s11.设定铜的质量分数；

[0015] s12.根据铜钨触头直径、铜钨触头高度、铜钨触头密度、铜丝密度以及焊丝直径计算出满足试样中铜质量分数要求所需要的铜丝长度。

[0016] 进一步地，步骤s2中的所述热源参数包括束流参数、聚焦电流参数以及速度矢量参数，其中，所述速度矢量参数还包括送丝速度和工作台运动速度。

[0017] 进一步地，步骤s2还需要设置熔渗时间，即在设置的熔渗时间内完成铜丝的熔融过程。

[0018] 进一步地，步骤s3中，电子束持续散焦预热钨坯至1400℃±50℃温度。

[0019] 进一步地，步骤s4中，调整电子束与铜丝位向关系，保证电子束能量集中在铜丝尖端。

[0020] 进一步地，上述步骤均在真空环境下进行操作，真空度小于10-2Pa。

[0021] 另外,还公开了一种电子束熔丝装置，包括真空室，所述真空室内包括工作台，所述工作台上设置有石墨舟，所述石墨舟内设有钨坯，所述真空室上方还设有电子枪，所述电子枪用于产生和发射电子束，所述真空室外还设有缠绕铜丝的送丝盘。

[0022] 进一步地，所述电子束熔丝装置外接控制系统和高压电源。

[0023] 与现有技术相比，本发明的优势在于：①无需钨粉与铜粉混料过程，节省时间的同时避免了由于高速混料造成的元素冶金化；②电子束熔渗法尤其适合小批量、质量分数配比不同的铜钨合金制备，制造过程仅需计算满足质量分数要求的铜丝长度；③电子束装置所具备的真空环境适合铜合金的制备，可最大限度的避免氧化，提高熔渗效果。且真空环境中金属液体润湿角相对较小，更利于熔渗。

附图说明

[0024] 图1为本发明电子束熔渗制备铜钨触头的方法的步骤流程图；

[0025] 图2为本发明电子束熔丝装置的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 以下参考附图1和附图2，对本发明的各实施例予以进一步地详尽阐述。

[0027] 在附图1中，一种电子束熔渗制备铜钨触头的方法，包括以下顺序步骤：

[0028] 步骤一、制取W-A(wt％)Cu触头材料。首先需要设定铜的质量分数，将铜的质量分数用A表示，并根据铜钨触头直径、铜钨触头高度、铜钨触头密度、铜丝密度以及焊丝直径计算出满足试样中铜质量分数要求所需要的铜丝长度。我们将铜钨触头直径、铜钨触头高度、铜钨触头密度、铜丝密度、焊丝直径以及铜丝长度分别用d、H、ρ2、ρ1、Ф以及L表示。最后根据公式：

[0029]

[0030] 计算出铜丝长度。实际操作中，可以根据已有熔渗法可得到铜钨触头的密度参数。进一步地，所述触头材料包括触头部分和导电杆部分，所述触头部分沿头部到尾部的钨含量依次降低。在本具体实施例中，可将触头部分头部的钨含量设为85％wt～95％wt,其尾部的钨含量为50％wt～60％wt。

[0031] 步骤二、根据电子束熔丝装置设置热源参数；步骤s2中的热源参数包括束流参数、聚焦电流参数以及速度矢量参数，速度矢量参数还包括送丝速度和工作台运动速度。其中，送丝速度用Vf表示。同时，在步骤s2中还需要设置熔渗时间，熔渗时间用T表示，熔渗时间可以通过铜丝长度和送丝时间计算得到，即在设置的熔渗时间内完成铜丝的熔融过程。整个熔渗过程无需钨粉与铜粉混料过程，节省时间的同时避免了由于高速混料造成的元素冶金化。具体计算方法为：

[0032]

[0033] 步骤三、在石墨舟中利用电子束持续散焦预热钨坯，电子束持续散焦预热钨坯至1400℃±50℃温度。具体地，首先需要将具有一定间隙度已烧结成型的钨坯置于石墨舟中。
钨坯的间隙度控制在37％-40％的范围内较为合适，钨坯的压力会随之间隙度的增加而减小。

[0034] 步骤四、调整电子束与铜丝位向关系，保证电子束能量集中在铜丝尖端，并通过高速运动电子束与铜丝之间的交互作用，产生能量转换熔融金属铜丝，铜丝经过熔融后以大颗粒熔滴形式进入钨坯，金属熔滴借助毛细管作用力渗入钨骨架的间隙中。

[0035] 步骤五、以恒定速度移动工作平台，恒定速度用Vs表示；

[0036] 步骤六、在熔渗过程完结前，操作中可以反复调整电子束与铜丝位向关系，保证电子束能量集中在铜丝尖端，并通过高速运动电子束与铜丝之间的交互作用，产生能量转换熔融金属铜丝，直至熔渗过程结束。

[0037] 上述步骤均在真空环境下进行操作，真空度小于10-2Pa。这是因为真空环境中金属液体润湿角相对较小，更利于熔渗。

[0038] 具体工艺流程如下：首先在整个工艺流程中，均保持在真空的环境下进行操作，铜丝经过熔融后以大颗粒熔滴形式进入钨坯，金属熔滴借助毛细管作用力渗入钨骨架的间隙中，并经过电子束的持续聚焦，形成铜钨合金，得到的铜钨合金再与铜丝一道经过电子束的持续聚焦，完成熔渗过程，最后经过电子束的持续散焦，对合金表面进行修饰。

[0039] 请进一步参阅附图2，另外,还公开了一种电子束熔丝装置，包括真空室1，真空室1内包括工作台2，工作台2上设置有石墨舟3，石墨舟3内设有钨坯4，真空室1上方还设有电子枪5，电子枪5用于产生和发射电子束，真空室1外还设有缠绕铜丝的送丝盘6。电子束熔丝装置所具备的真空环境适合铜合金的制备，可最大限度的避免氧化，提高熔渗效果。

[0040] 进一步地，电子束熔丝装置外接控制系统7和高压电源8。

[0041] 上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。