レーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法

本発明は、レーザー付加技術を利用して銅クロム合金を製造する方法を提供し、金属材料の分野に属する。 Cu-Cr接点材料の微細構造の微細化と超微細化により、Cu-Cr接点材料の総合性能が全面的に向上し、真空遮断器の絶縁強度が向上することが期待されます。特に、Cr相の微細化は、合金の耐電圧性、耐アーク侵食性を向上させ、合金の電流遮断値を下げるのに役立ちます。溶解、鋳造、粉末冶金などの従来の製造プロセスでは、Cr 相の精製と銅中の Cr の均一な分散を達成することは困難です。本発明は、レーザー積層造形技術を採用して、Cu-Cr合金材料の全体を製造する。この技術は、Cr相を微細化し、合金の総合性能を向上させるだけでなく、あらゆる複雑な形状の部品を迅速かつ正確に製造することができ、部品の自由な製造を実現し、多くの複雑な構造部品の成形を解決し、処理ステップを大幅に削減し、処理サイクルを短縮する。

請求項１．レーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法であって、まず、採用したレーザー印刷方法に応じて適切な粒径の球状銅粉末を選択し、次に平均粒径が２ミクロン未満のＣｒ粉末を選択し、ボールミル処理により銅粉末と混合し、ボールミル処理の速度と時間を制御することにより、球状Ｃｕ粉末の表面にＣｒ粉末を付着させることを特徴とする方法。添加するＣｒ粉末の量は、設計組成に応じて決定され、その範囲は５〜６０重量％の範囲内で任意に調整することができ、混合粉末をレーザープリンターに入れ、適切なレーザー出力と走査速度で印刷してブロックを作製し、その後熱処理して最終的なＣｕＣｒ合金材料を得ることを特徴とする方法。

２．請求項１に記載のレーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法は、レーザー印刷法が粉末床印刷と同軸粉末供給堆積印刷であり、粉末床印刷中の球状銅粉末の粒径が５〜３５ミクロンの範囲であり、同軸粉末供給堆積印刷中の銅粉末の粒径が３０〜５０ミクロンであることを特徴とする。

３．請求項１に記載のレーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法は、同軸粉末供給堆積印刷法において、印刷工程でアルゴン雰囲気保護を採用し、レーザー出力を５００〜７００Ｗに制御し、走査速度を４００〜７００ｍｍ／分に制御し、粉末供給速度を１０〜１５ｇ／分とすることを特徴とする。

４．請求項１に記載のレーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法であって、粉末床レーザー印刷法において、雰囲気はアルゴン雰囲気を採用し、レーザー出力は５０〜２００Ｗの範囲で制御され、走査速度は１００〜２００ｍｍ／ｓであり、レーザービーム径は１００〜２００μｍであることを特徴とする。

５．請求項１に記載のレーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法であって、熱処理が真空中で行われ、熱処理温度が６５０〜９００℃であり、熱処理時間が６０〜９０分であることを特徴とする方法。

手順<br /> レーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法
技術分野:
本発明は金属材料の分野に属し、レーザー付加技術を利用して銅クロム合金を製造する方法に関する。
背景技術:
近年、高出力回路遮断技術が急速に発展しており、その中でも中電圧回路（5～38V）に使用される真空スイッチが主流製品となっています。真空スイッチの動作原理は、機械的な振動によって真空チャンバーの可動接点と静的接点を分離・閉じて、回路の切り替えを実現することです。接点が分離した瞬間、強力な電界により接点間にアークが発生します。アークの高温により、接点表面の微小領域の金属が溶融・蒸発して金属蒸気流が形成され、金属蒸気の密度がアークを維持できないほど小さくなり、回路が切断されます。したがって、真空スイッチにとって接点材料は非常に重要であり、接点材料には高い導電性、優れた機械的特性、耐腐食性が求められます。

CuCr合金の状態図から、Cr含有量が多いCuCr合金は、実際には2相構造の擬似合金であることがわかります。この構造上の特徴により、CuCrはそれぞれの優れた特性を十分に維持できます。融点が低く、電気伝導性および熱伝導性が高いCu成分は、真空スイッチの遮断容量を向上させるのに有利であり、2番目の成分であるCrは、融点が高く、機械的強度が高く、カットオフ値が低いため、真空スイッチの優れた耐電圧性、耐アブレーション性、耐溶接性、および低カットオフ特性が確保されます。 CuCr合金は現在最も広く使用されている接点材料です。これまでのところ、CuCr 合金よりも優れた性能を持つ新しい電気接点材料は発見されていません。研究によると、CuCr 材料の性能は微細構造、特に Cr 粒子のサイズに依存します。CuCr 接点材料の微細構造の改良、組成の均質化、および Cr 粒子の改良により、耐電圧強度が大幅に向上し、最大保持値が低下します。そのため、より微細な粒子を持つCuCr合金接点材料を研究する必要がある。

現在、CuCr 合金の従来の製造技術には、主に混合溶解鋳造、機械的合金化、急速凝固が含まれます。混合溶解鋳造法は生産コストが低いが、生産された銅合金は粗大な結晶粒、大きなたわみ、高不純物含有量などの問題を抱えている。また、CuとCrは互いに溶解しにくいため、混合溶解鋳造技術では、クロム含有量が高く、クロム分布が均一なCuCr合金を生産することが難しい。メカニカルアロイング法は、銅粉末とクロム粉末を混合し、加圧して焼結する方法であり、ある程度までCrの分布を改善できますが、完全に緻密なCuCr合金を得ることは依然として困難です。文献に報告された結果によると、[Liu Jie、Zhou Zhiming、Tu Jian、Huang Can、Chai Linjiang、Huang Weijiu、Wang Yaping、レーザー表面処理によるCu Cr50合金の微細構造と特性、表面技術、2016、45（5）：169-174]、Cu-Cr合金の表面をさらにレーザー再溶融処理することで、Cr相のサイズを大幅に縮小し、銅中のCrの分布を改善し、CuCr合金の硬度と耐摩耗性を改善できることが示されています。これは、レーザー再溶融による急速凝固により、CuCr合金のCr相を微細化することが可能であることを示しています。ただし、文献に報告されているレーザー表面再溶融法は、Cu-Cr合金の表面改質にのみ使用でき、Cu-Cr合金材料全体を準備するためには使用できません。したがって、既存の研究結果に基づいて、バルクのCuCr合金を調製するだけでなく、CrをCu中に均一に分散させることができる方法を探ることが急務です。

発明の概要：
本発明の目的は、バルクＣｕＣｒ合金を製造し、Ｃｕ中にＣｒを均一に分散させる方法を提供することである。
レーザー付加技術を用いた銅クロム合金の製造方法は、まず、採用したレーザー印刷方法に応じて適切な粒径の球状銅粉末を選択し、次に平均粒径が２ミクロン未満のＣｒ粉末を選択してボールミルで銅粉末と混合し、ボールミルの速度と時間を制御することで、球状Ｃｕ粉末の表面にＣｒ粉末を付着させることができることを特徴とする。Ｃｒ粉末の添加量は、設計組成に応じて決定され、その範囲は５〜６０重量％の範囲内で任意に調整することができる。混合粉末をレーザープリンターに入れ、適切なレーザー出力とスキャン速度で印刷してブロックを作製し、その後熱処理して最終的なＣｕＣｒ合金材料を得る。

さらに、レーザー印刷方法には、粉末床印刷と同軸粉末供給堆積印刷の2種類があります。粉末床印刷における球状銅粉末の粒子サイズは5〜35ミクロンの範囲であり、同軸粉末供給堆積印刷における銅粉末の粒子サイズは30〜50ミクロンです。

さらに、同軸粉末供給堆積印刷法では、印刷プロセスはアルゴン雰囲気によって保護され、レーザー出力は500〜700Wに制御され、スキャン速度は400〜700mm /分に制御され、粉末供給速度は10〜15g /分です。

さらに、粉末床レーザー印刷法では、雰囲気はアルゴン雰囲気を採用し、レーザー出力は50〜200Wの範囲内で制御され、走査速度は100〜200mm/s、レーザービーム径は100〜200μmである。
また、熱処理は真空中で行われ、熱処理温度は６５０〜９００℃、熱処理時間は６０〜９０分である。

本発明の利点は、レーザー付加製造方法により、Cr相を微細化し、合金の総合性能を向上させることができるだけでなく、あらゆる複雑な形状のCuCr合金部品を迅速かつ正確に製造し、多くの複雑な構造部品の成形を解決し、処理工程を大幅に削減し、処理サイクルを短縮できることである。

具体的な実施方法：
（１）CuCr35合金の粉末床レーザー印刷<br /> まず、粒径が5〜35ミクロンの球状銅粉と平均粒径が2ミクロン未満のCr粉を選択し、ボールミルで混合します。ボールミル速度は150rpm、ボールミル時間は60分、銅粉とCr粉の質量比は65:35です。混合粉末を、レーザー出力 150 W、スキャン速度 150 mm/s、レーザービーム径 200 μm のアルゴン雰囲気保護された粉末床レーザープリンターに入れました。最後に、印刷された CuCr 合金を 900°C で 60 分間真空熱処理し、その後炉冷して最終的な CuCr35 合金を得ました。
（２）レーザー同軸粉末供給・蓄積法によるCuCr55合金の印刷<br /> まず、粒子サイズが30〜50ミクロンの球状銅粉と平均粒子サイズが2ミクロン未満のCr粉を選択し、ボールミルで混合します。ボールミル速度は200rpm、ボールミル時間は90分、銅粉とCr粉の質量比は45:55です。混合粉末を、アルゴン雰囲気保護、レーザー出力 700 W、スキャン速度 700 mm/分、粉末供給速度 15 g/分の同軸粉末供給レーザープリンターに配置しました。最後に、印刷された CuCr 合金を 850°C で 90 分間真空熱処理し、その後炉冷して最終的な CuCr55 合金材料を得ました。

出願人: 北京科技大学発明者: 任樹斌、趙楊、明飛、陳宇紅、何新波、玛玄慧

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