一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法
2023-05-02 23:35:41
專利名稱：一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料表面改性技術領域，具體涉及一種純銅表面離子鍍耐 磨抗電蝕合金的方法。
背景技術：
純銅具備優良的導電性和導熱性，在導電元器件、熱交換器傳熱元件等零 部件中得到廣泛的應用。但在某些應用場合，特別是要求耐磨抗電蝕的場合， 純銅明顯表現出自身的不足。
以導電元器件電觸頭為例。電觸頭是真空斷路器的關鍵元件，理想的電觸 頭材料應具有以下性能①高的電流分斷能力；②高的承受電壓能力；③高的 導電率和導熱率；④抗熔焊性能好；⑤低的電弧燒損率；⑥低的觸頭磨損；⑦ 低的截流值；⑧良好的加工性能。由於這些性能之間是相互矛盾的，在實際應 用過程中，往往受到各種因素的影響，而不能同時滿足以上各項指標。
按照電觸頭材料的性能要求，純銅具備高的導電率、導熱率和良好的加工 性能，但力學強度低，抗磨損、抗電蝕和抗熔焊性差，因此純銅現在很少用於 觸頭材料。為了提高純銅的抗磨損、抗電蝕和抗熔焊性及力學強度，人們通過 合金化方法來改善其性能，其中用作電觸頭材料的主要有W-Cu， Cu-Bi和Cu-Cr 系列合金。近年來隨著大功率真空高壓開關技術的發展，Cu-Cr系列的合金觸頭 以其眾多的優越性能大有取代W-Cu， Cu-Bi系列的合金觸頭材料之勢。Cu-Cr合 金觸頭材料的優勢在於Cu和Cr之間具有很小的互溶度，由Cu-Cr合金相圖可見， Cr在Cu中的固溶度1080'C時僅有0.7。/。， 60(TC時幾乎不溶，從而使Cu和Cr都充分 保留各自良好的性能，即具有較低熔點、高導電率和熱導率的Cu組元，有利於提 高真空開關的分斷能力；Cr組元具有較高的熔點，能促使合金基體晶粒細化，
有利於形成均勻、彌散分布的穩定的強化相，既能保持材料的高導電性，又能 提高其開斷能力以及力學性能，且不易產生熱電子發射。這種材料能夠保證真 空開關具有良好的耐電壓、抗燒損、抗熔焊和低截流等特性。
然而，由於Cu-Cr合金屬於難混溶系列的合金，從而採用普通熔煉方法制 備的Cu-Cr合金宏觀偏析嚴重。為了解決這一問題，世界各國製備Cu-Cr合金 主要採用粉末冶金法、熔滲法和真空電弧熔煉法。雖然這些方法製備的Cu-Cr 系列合金已被用於觸頭材料，但都存在自身的缺點和不足。其中粉末冶金法的 主要缺點是Cr粒子之間的尺寸和間距過大，材料的組織均勻性較低，氧和氮 含量過高，降低了觸頭電流的分斷能力。熔滲法的缺點是生產效率低，鉻粒子 相對比較粗大，且鉻含量必須達到相當的比例，這嚴重降低了導電率。而電弧 熔煉法生產成本較高，而且很多工藝參數需要進一步摸索和完善。總而言之， 銅中Cr元素的加入在提高觸頭部分性能的同時，必然削弱其它性能，即以降 低導電能力為代價的。
發明內容
本發明的目的是針對整體純銅和Cu-Cr合金的優點和不足，而研製一種純 銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，具體地說，是在純銅表面製備耐磨抗電 蝕合金，離子鍍Cu-Cr合金的方法，即以純銅為基礎材料，以Cu-Cr合金為鍍 材製成弧靶，採用離子鍍手段，在真空條件下，Cu-Cr合金靶材磁控電弧蒸發 沉積在純銅基材表面上，形成純銅/Cu-Cr合金。採用這種方法，可在純銅表面 獲得耐磨抗電蝕好的合金層，其心部保持純銅優良的導電性能，而表面充分展 現Cu-Cr合金高的電流分斷能力、高的承受電壓能力、良好的抗熔焊性能、低 的電弧燒損率和低的觸頭磨損等性能特點。
本發明的技術方案是這樣實現的
一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，包括以下步驟 第一步、對純銅表面進行拋光、除油處理，晾乾後裝爐；
第二步、抽真空至5X10^—l(TPa，通氬氣至15—30Pa，接通直流電源， 在純銅與真空室殼體之間加上300—500伏負偏壓，通過輝光離子轟擊對純銅 表面進行淨化、活化預處理，清除純銅表面的油膜、氧化膜，時間4—10min;
第三步、接通弧光電源，引弧鉤與Cu-Cr合金靶材之間產生弧光放電，單 靶工作電流為30—60A，磁控電弧蒸發出的耙材粒子沉積在純銅表面，形成均 勻的鍍覆層，時間60-180min，由鍍層厚度而定；
第四步、關閉弧光電源，關閉直流電源，在氬氣保護下降溫，出爐後進行 拋光處理。
所述的步驟(l)拋光處理是指，對純銅表面待鍍部位用棉布輪或1000-1200 目砂布輪進行拋光，以便使表面光潔有利於施鍍，並為鍍後拋光做前期準備。
所述的步驟(1)除油處理是指用酒精或丙酮擦洗，達到初步除油的目的。
所述的步驟(2)和(3)的工藝參數優選抽真空至0.05-lPa，充氬後真 空度20-25Pa，負偏壓350-450伏，轟擊時間5_8min，單耙工作電流為35 — 55A。
所述的引弧鉤由直徑為5mm的純鎢棒製成，Cu-Cr合金靶材成分以重量百 分比計為Cu 70-85%、 Cr 15-30%。
所述的鍍覆層為Cu-Cr合金，其成分以重量百分比計為Cu 70-85%、 Cr 15-30%。
本發明的積極效果是
1、 本發明的鍍材經電弧蒸發出的粒子沉積在純銅表面，鍍層中Cr粒子分 布進一步彌散細化，克服了鍍材原始組織成分均勻性差的不足。
2、 本發明的鍍覆層為Cu-Cr合金，主要成分為銅，與基材純銅有相近的 物理參數，親和力高，且施鍍前離子轟擊淨化活化效果好，鍍層附著力強。
3、 本發明製作的電觸頭，心部保持純銅優良的導電性能，表面具備Cu-Cr 合金高的電流分斷能力、高的承受電壓能力、良好的抗熔焊性能、低的電弧燒 損率和低的磨損率等綜合性能，還能節省價格相對較高的鉻資源。
具體實施例方式
以下結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例1:
厚度為2mra的純銅板材，長、寬尺寸為10mmX20mm，在其表面離子鍍一層 耐磨抗電蝕合金，工藝步驟為
第一步、將純銅表面進行拋光、除油處理後裝爐，；
第二步、抽真空至約5Xl(TPa，通氬氣至20Pa，接通直流電源，在純銅 件與真空室殼體之間加上350V負偏壓，通過輝光離子轟擊對純銅表面進行淨 化、活化預處理，清除純銅表面的油膜、氧化膜，時間8min;
第三步、接通弧光電源，引弧鉤與合金靶材Cu-Cr (20%wt)之間產生弧光 放電，單耙工作電流為35A，時間180min，磁控電弧蒸發出的靶材粒子沉積在 純銅表面，形成均勻鍍覆層，鍍覆層為Cu-Cr合金，其成份與靶材成份一致；
第四步、關閉弧光電源，關閉直流電源，在氬氣保護下降溫，出爐後進行 拋光處理。
實施例2:
厚度為5mm的純銅板材，長、寬尺寸為12mmX25mm,在其表面離子鍍一層 耐磨抗電蝕合金，工藝步驟同上，具體參數是
將純銅表面拋光、除油處理後裝爐；抽真空至約10—lPa，通氬氣至25Pa; 接通直流電源，在純銅件與真空室殼體之間加上400V負偏壓，通過輝光離子 轟擊對純銅表面進行淨化、活化預處理，清除純銅表面的油膜、氧化膜，時間 6min;然後接通弧光電源，引弧鉤與合金靶材Cu-Cr (25%wt)之間產生弧光 放電，單耙工作電流為40A，時間120min，磁控電弧蒸發出的耙材粒子沉積在 純銅表面，形成均勻鍍覆的Cu-Cr合金層，其成份與靶材成份一致；關閉弧光 電源，關閉直流電源，在氬氣保護下降溫，出爐後進行拋光處理。
實施例3:
厚度為8mm的純銅板材，長、寬尺寸為15mmX30mm，在其表面離子鍍一 層耐磨抗電蝕合金，工藝步驟同上，具體參數是
將純銅表面拋光、除油處理後裝爐；抽真空至約1Pa，通氬氣至25Pa，接 通直流電源，在純銅件與真空室殼體之間加上450V負偏壓，通過輝光離子轟 擊對純銅表面進行淨化、活化預處理，清除純銅表面的油膜、氧化膜，時間5 rnin;然後接通弧光電源，引弧鉤與合金耙材Cu-Cr (30%wt)之間產生弧光放 電，單靶工作電流為55A，時間60min，在純銅表面形成均勻鍍覆的Cu-Cr合 金層，其成份與靶材成份一致；關閉弧光電源，關閉直流電源，在氬氣保護下 降溫，出爐後進行拋光處理。
權利要求
1、一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟第一步、對純銅表面進行拋光、除油處理，晾乾後裝爐；第二步、抽真空至5×10-2—10°Pa，通氬氣至15-30Pa，接通直流電源，在純銅與真空室殼體之間加上300—500伏負偏壓，通過輝光離子轟擊對純銅表面進行淨化、活化預處理，清除純銅表面的油膜、氧化膜，時間4—10min；第三步、接通弧光電源，引弧鉤與Cu-Cr合金靶材之間產生弧光放電，單靶工作電流為30-60A，磁控電弧蒸發出的靶材粒子沉積在純銅表面，形成均勻的鍍覆層，時間60-180min，由鍍層厚度而定；第四步、關閉弧光電源，關閉直流電源，在氬氣保護下降溫，出爐後進行拋光處理。
2、 根據權利要求1所述的一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵 在於所述的拋光處理是指，對純銅表面待鍍部位用棉布輪或1000-1200目砂布皿 行拋光，以便使表面光潔有利於施鍍，並為鍍後拋光做前期準備。
3、 根據權利要求1所述的一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵 在於所述的除油處理是指，用酒精或丙酮擦洗。
4、 根據權利要求1所述的一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵 在於所述的抽真空至0.05-lPa，充氬後真空度20-25Pa，負偏壓350-450伏，轟擊 時間5-8min，斜巴工作電流為35—55A。
5、 根據權利要求1所述的一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵 在於所述的引弧鉤由直徑為5mm的純鴇棒製成，Cu-Cr合金耙材成分以重量百分 比計為Cu 70-85%、 Cr 15-30%。
6、 根據權利要求1所述的一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，其特徵 在於所述的鍍覆層為Cu-Cr合金，其成分以重量百分比計為Cu 70-85%、 Cr 15-30%。
全文摘要
本發明提供一種純銅表面離子鍍耐磨抗電蝕合金的方法，是將純銅表面拋光除油處理，晾乾後裝爐；抽真空，通氬氣，接通直流電源，在純銅件與真空室殼體之間加上負偏壓，通過輝光離子轟擊對純銅表面進行預處理，清除表面的油膜、氧化膜；接通弧光電源，引弧鉤與Cu-Cr合金靶材之間產生弧光放電，磁控電弧蒸發出的靶材粒子沉積在純銅表面，形成均勻鍍覆的合金層；關閉弧光電源和直流電源，在氬氣保護下降溫，出爐後拋光。採用該方法，可在純銅表面獲得耐磨抗電蝕好的合金層，其心部保持純銅優良的導電性能，而表面充分展現Cu-Cr合金高的電流分斷能力、高的承受電壓能力、良好的抗熔焊性能、低的電弧燒損率和低的觸頭磨損等性能特點。
文檔編號C23C14/54GK101353781SQ20081014141
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月22日 優先權日2008年9月22日
發明者侯文義, 袁慶龍 申請人:河南理工大學