阅读说明：本技术 一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法 (Method for producing copper-tungsten contact by electron beam infiltration ) 是由 康迪 周宁 周兴 邵红颜 刘萍 王小军 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法,包括以下步骤：S1：将钨粉、铜粉分别置于混料机中混料；S2：将混料后的钨粉压制成圆形钨坯,将混料后的铜粉平均分为两份,分别压制成圆形铜坯；S3：将圆形钨坯、圆形铜坯置于真空烧结炉中真空烧结；S4：将烧结钨坯放入石墨坩埚中,圆形铜坯放置在烧结钨坯上,置于电子束真空烧结设备中真空熔渗,将熔渗后坯料取出翻面后再次放入石墨坩埚中,取另一个圆形铜坯置于熔渗钨坯上,再次真空熔渗,冷却得到铜钨触头材料。总之,本发明具有工艺完善、制备效率高、材料性能优等优点。(The invention provides a method for producing a copper-tungsten contact by electron beam infiltration, which comprises the following steps: s1: placing tungsten powder and copper powder in a mixer respectively for mixing; s2: pressing the mixed tungsten powder into a circular tungsten blank, averagely dividing the mixed copper powder into two parts, and respectively pressing into circular copper blanks; s3: placing the round tungsten blank and the round copper blank in a vacuum sintering furnace for vacuum sintering; s4: and putting the sintered tungsten blank into a graphite crucible, putting the circular copper blank on the sintered tungsten blank, putting the sintered tungsten blank into electron beam vacuum sintering equipment for vacuum infiltration, taking the infiltrated blank out, turning over the blank, putting the blank into the graphite crucible again, taking the other circular copper blank, putting the other circular copper blank on the infiltrated tungsten blank, performing vacuum infiltration again, and cooling to obtain the copper-tungsten contact material. In a word, the invention has the advantages of perfect process, high preparation efficiency, excellent material performance and the like.)

一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法

技术领域

本发明属于电触头制造技术领域，具体是涉及一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法。

背景技术

钨铜触头是利用高纯钨粉优异的金属特性和高纯紫铜粉的可塑性、高导电性等优点，经静压成型、高温烧结、溶渗铜的工艺精制而成的复合材料。钨铜触头具有优良的耐电弧烧损性和抗熔焊性，断弧性能好,导电导热好,热膨胀小,高温不软化,高强度,高密度,高硬度等特点。具有很好的导电导热性，较好的高温强度和一定的塑性。在3000℃以上的温度下，合金中的铜被液化蒸发，大量吸收热量，降低材料表面温度，所以这类材料也称为金属发汗材料。钨铜触点广泛用作高压，超液压开关和断路器的触头，保护环，用于电热墩粗砧块材料，自动埋弧焊导电咀，等离子切割机喷嘴，电焊机，对焊机的焊头，滚焊轮，封气卯电极和点火花电极,点焊，碰焊材料等。

传统生产工艺使用真空炉或气氛保护炉进行烧结渗铜，发热体产生热量后通过热传导、对流的方式加热工件，整个炉膛被加热，耗能较高。整个烧结过程包括升温、高温烧结、降温三个环节，持续时间在30小时以上，效率较低，只适合批量生产。

本发设计了一种旨在解决小批量及多规格试验料生产效率问题，同时降低生产能耗的铜钨触头生产方法。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法。

本发明的技术方案是：一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法，主要包括以下步骤：

S1：原料预混

选取2-10μm的钨粉置于混料机中，向钨粉中加入钨粉质量1-5％的粘合剂，混料8-16h；

选取与钨粉等质量的4-7μm铜粉置于混料机中，向铜粉中加入铜粉质量0.5-3％的锌粉和铜粉质量0.1-1％的润滑剂，混料10-15h；

S2：坯料成型

将混料后的钨粉用200t的液压机压制成圆形钨坯；

将混料后的铜粉平均分为两份，用200t的液压机分别压制，得到两块圆形铜坯；

S3：坯料预烧

将圆形钨坯置于真空烧结炉中，以700-800℃的温度在氮气氛围下热处理1-2h，然后抽真空烧结炉中真空度至3.0±0.5×10^-2Pa，升高真空烧结炉中温度至1400-1600℃，保持温度恒定烧结3-5h，冷却后得到烧结钨坯；

S4：电子束熔渗

将烧结钨坯放入石墨坩埚中，取一个圆形铜坯放置在烧结钨坯上，将石墨坩埚置于电子束真空烧结设备中，抽电子束真空烧结设备中真空度至4.5±0.1×10^-2Pa，电子束的熔覆电压设置为60±5kV，电流设置为40±10mA，扫描速度设置为300-350mm/min，电子束能量达到106-108W/cm²后开始熔渗，熔渗时间为1±0.2h，冷却得到熔渗坯料；

将熔渗坯料取出翻面后再次放入石墨坩埚中，取另一个圆形铜坯置于熔渗钨坯上，将石墨坩埚置于电子束真空烧结设备中，以上述熔渗参数熔渗1±0.2h，冷却得到铜钨触头材料。

优选地，所述选取钨粉的纯度为99.9％，铜粉的纯度为99.99％，从原料的纯度上避免了杂质对铜钨触头性能的影响。

优选地，所述粘合剂为碳化硅球团、硬脂酸和去离子水以质量比3:1:10混合得到的粘合剂，该粘合剂挥发性好，残留物少，不会影响铜钨触头的强度，所述润滑剂为硬脂酸锌、单甘脂、EBS润滑剂以质量比1:1:5聚合得到的润滑剂，降低铜粉之间的摩擦力，有利于增加压制坯料的密度。

进一步地，S2中，所述圆形钨坯压制成型的具体工艺为：将混料后的钨粉300-500℃预热10-20min后置于圆形模具中，用200t的液压机压制成型，待坯料冷却后用300t的液压机重复压制，得到密度为20.00±0.75g/cm3的圆形钨坯，预热增加钨粉表面的活性，重复压制保证了压制钨坯的密度；

所述两块圆形铜坯压制成型的具体工艺为：将混料后的铜粉平均分为两份，以200-300℃预热后分别置于与钨粉用圆形模具同直径的圆形模具中，用200t的液压机压制成型，待坯料冷却后用300t的液压重复压制，得到两块密度为7.00±0.25g/cm3的圆形铜坯，预热增加铜粉表面的活性，重复压制保证了压制铜坯的密度。

进一步地，所述S3中的真空烧结炉在坯料预烧整体过程中持续通入99.9％的氮气进行保护，通入的氮气流量为0.3-0.5m3/h，氮气可以在烧结过程中起到保护作用，并且流通的氮气可以带离烧结过程中坯料释放的杂质金属蒸气，避免其在坯料表面形成氧化层，影响铜钨触头材料的性能。

优选地，所述S4中，将烧结钨坯放入石墨坩埚之前要在石墨坩埚内铺设石墨纸，将熔渗坯料取出翻面后再次放入石墨坩埚之前要更换石墨纸，石墨纸将坯料与石墨坩埚内壁隔离，放置坯料在烧结过程中与石墨坩埚内壁粘接，并且降低了电子束熔渗对石墨坩埚的损伤。

进一步地，所述S4中，电子束扫描在圆形铜坯上的电子束斑形状为圆形波，圆形波的直径等于圆形铜坯的半径，电子束斑的扫描轨迹为以圆形铜坯中心为扫描原点，1/2圆形铜坯半径为扫描半径的圆，扫描轨迹为一个闭环的圆形，将铜坯的表面完全扫描熔渗，并且避免了反复扫描熔渗造成铜钨触头材料分散不均匀。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法，适合产品开发过程中单件或小批量的样品生产，将铜粉与钨粉压制成圆形坯料后，将铜坯置于钨坯上方放入石墨坩埚中，利用加速电压加速阴极灯丝发射的电子流，高速电子流轰击铜坯表面，动能转化为热能，从而将铜坯熔渗入钨坯中，电子束熔渗的优点是工件单体加热，能量转化效率高，待冷却后将钨坯翻面，再次将铜坯置于钨坯上，再次进行熔渗，使铜钨触头材料中铜、钨分布均匀，增强铜钨触头的强度，整个工艺流程方便灵活，材料规格可随时改变。总之，本发明具有工艺完善、制备效率高、材料性能优等优点。

附图说明

图1是熔渗前的EPMA检测分布图；

图2使熔渗后的EPMA检测分布图。

具体实施方式

为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-2和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。

实施例1：一种电子束熔渗生产铜钨触头的方法，主要包括以下步骤：

S1：原料预混

选取5μm的钨粉置于混料机中，钨粉的纯度为99.9％，向钨粉中加入钨粉质量3％的粘合剂，粘合剂为碳化硅球团、硬脂酸和去离子水以质量比3:1:10混合得到的粘合剂，混料13h；

选取与钨粉等质量的4μm铜粉置于混料机中，铜粉的纯度为99.99％，向铜粉中加入铜粉质量1.8％的锌粉和铜粉质量1％的润滑剂，润滑剂为硬脂酸锌、单甘脂、EBS润滑剂以质量比1:1:5聚合得到的润滑剂，混料15h；

S2：坯料成型

圆形钨坯压制成型的具体工艺为：将混料后的钨粉400℃预热18min后置于圆形模具中，用200t的液压机压制成型，待坯料冷却后用300t的液压机重复压制，得到密度为20.35g/cm³的圆形钨坯；

圆形铜坯压制成型的具体工艺为：将混料后的铜粉平均分为两份，以300℃预热后分别置于与钨粉用圆形模具同直径的圆形模具中，用200t的液压机压制成型，待坯料冷却后用300t的液压重复压制，得到两块密度为7.22g/cm³的圆形铜坯；

S3：坯料预烧

将圆形钨坯置于真空烧结炉中，以700℃的温度在氮气氛围下热处理2h，然后抽真空烧结炉中真空度至3.5×10^-2Pa，升高真空烧结炉中温度至1580℃，保持温度恒定烧结4h，冷却后得到烧结钨坯，真空烧结炉在坯料预烧整体过程中以99.9％的氮气进行保护；

S4：电子束熔渗

在石墨坩埚内铺设石墨纸，将烧结钨坯放入石墨坩埚中，取一个圆形铜坯放置在烧结钨坯上，将石墨坩埚置于电子束真空烧结设备中，抽电子束真空烧结设备中真空度至4.5×10^-2Pa，电子束扫描在圆形铜坯上的电子束斑形状为圆形波，圆形波的直径等于圆形铜坯的半径，电子束斑的扫描轨迹为以圆形铜坯中心为扫描原点，1/2圆形铜坯半径为扫描半径的圆，电子束的熔覆电压设置为65kV，电流设置为50mA，扫描速度设置为300mm/min，电子束能量达到108W/cm²后开始熔渗，熔渗时间为1.2h，冷却得到熔渗坯料；

将熔渗坯料取出，更换石墨坩埚内的石墨纸，将熔渗坯料翻面后再次放入石墨坩埚中，取另一个圆形铜坯置于熔渗钨坯上，将石墨坩埚置于电子束真空烧结设备中，以上述熔渗参数熔渗1.2h，冷却得到铜钨触头材料，

熔渗过程中材料的EPMA检测分布图如图1-2所示。

实施例2：与实施例1基本相同，不同之处在于：S3中，真空烧结炉在坯料预烧整体过程中持续通入99.9％的氮气进行保护，通入的氮气流量为0.3m³/h。

实施例3：与实施例1基本相同，不同之处在于：

S2中，将混料后的铜粉以300℃预热后置于与钨粉用圆形模具同直径的圆形模具中，用200t的液压机压制成型，待坯料冷却后用300t的液压重复压制，得到一块密度为7.13g/cm³的圆形铜坯；

S4中，在石墨坩埚内铺设石墨纸，将烧结钨坯放入石墨坩埚中，将圆形铜坯放置在烧结钨坯上，将石墨坩埚置于电子束真空烧结设备中，抽电子束真空烧结设备中真空度至4.6×10^-2Pa，电子束扫描在圆形铜坯上的电子束斑形状为圆形波，圆形波的直径等于圆形铜坯的半径，电子束斑的扫描轨迹为以圆形铜坯中心为扫描原点，1/2圆形铜坯半径为扫描半径的圆，电子束的熔覆电压设置为65kV，电流设置为50mA，扫描速度设置为350mm/min，电子束能量达到106W/cm²后开始熔渗，熔渗时间为1.2h，冷却得到铜钨触头材料。

实验例1：研究真空烧结炉在烧结过程中持续通入氮气对铜钨触头材料性能的影响

采用实施例1、实施例2分别提供的方法对圆形钨坯进行烧结，分别检测烧结钨坯的性能，结果如表1所示，并采用烧结到的烧结钨坯制备铜钨触头，检测铜钨触头的性能，并与市面上现售的铜钨触头进行对比，结果如表2所示，

表1烧结钨坯、圆形铜坯性能参数表

表2铜钨触头性能参数表

组别	拉伸强度/MPa	导电率/IACS
			实施例1	266.57	51.34
实施例2	283.54	60.37
			对照组	237.68	42.34

结论：真空烧结炉在烧结过程中持续通入氮气可以将烧结过程中蒸发的金属蒸气带离真空烧结炉，避免其在坯料表面形成氧化层，影响坯料的性能，制得的铜钨触头性能较优，并且明显优于现有市售的铜钨触头。

实验例2：研究单面熔渗与双面熔渗得到的铜钨触头材料性能差异

利用实施例1、实施例3分别提供的方法制备得到铜钨触头材料，分别检测铜钨触头材料的性能，对比结果如表3所示，

表3单面熔渗、双面熔渗得到的铜钨触头材料性能对比表

组别	拉伸强度/MPa	导电率/IACS
			实施例1	266.64	51.57
实施例3	210.48	38.43

结论：铜钨触头材料的双面熔渗明显提高了铜钨触头材料的拉伸强度和导电率。