专利名称：碳陶瓷复合材料焊接导电嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳陶瓷焊接导电嘴的制造工艺，属于机械制造领域。
焊接导电嘴是自动弧焊机的一个重要部件，它的质量直接关系到焊接质量和生产效率。目前大都为金属导电嘴，以铜和铜合金嘴为居多。在90年代，日本等发达国家开始关注改善导电嘴性能的研究。如美国专利USP5340658报导了使用碳和金属的复合材料制造的焊接导电嘴，这种焊接嘴是在原金属嘴(利用铜或银、镍、铝等金属制造的)的引弧嘴部位加一个碳基材料的环，环与金属之间用钎焊连接，钎焊料采用钒、铌、钛、锆和硅中之一种与制造焊接嘴的金属元素组成的合金料。该种焊接与原铜嘴或铜合金嘴相比，在克服咬丝、熔接缺点方面有一定改善，但做为自动弧焊机使用，在导丝过程中，丝孔仍然容易磨损，从而使丝孔扩大，引起电压和电流波动，影响焊接质量。且该种焊接嘴使用寿命并未明显提高，因此，在焊接过程中由于频繁更换焊接嘴，造成连续焊缝中的接点不可避免，然而这在要求高质量的发电机组用大型锅炉排管焊接中是不允许的。因而，研制高寿命的导电焊接嘴是非常重要的。中国专利CN1065058A申请号为91101684.8报导了一种晶须增韧强化碳陶瓷复合材料可用于制作导电嘴，但上述材料中含有碳化硅晶须，晶须制备及增韧强化碳陶瓷复合材料的制备过程中产生致癌粉尘，操作复杂，成本高，造成公害，因此，使用该材料制造的导电嘴成本高，污染环境，不易于推广。
本发明的目的提供一种新型碳陶瓷复合材料焊接导电嘴及其制造工艺，该导电嘴焊接质量高，寿命长，污染小，成本低。
本发明的内容是这样来实现的本发明第一方面提供一种碳陶瓷复合材料制成的焊接导电嘴，上述碳陶瓷复合材料的配方配比见表1表1
原材料 重量百分比颗粒度碳 30-70％ 小于2微米碳化硅 20-60％ 小于2微米碳化硼 5-30％ 小于2微米碳化钨或碳化铌 5-10％ 小于2微米本发明第二方面涉及一种制造焊接导电嘴的工艺方法，该方法具体工艺步骤如下(1)将颗粒度小于2微米的重量百分比为30--70％的碳及20--60％的碳化硅粉未和5-30％碳化硼及5-10％的碳化钨或碳化铌在非极性溶剂中例如乙醇中混合球磨24--48小时，烘干；(2)上述烘干后的混合体进行冷压成型，然后在惰性气体例如氩气氛下，温度2000--2200℃，压力20--40兆帕，热压烧结1.0--2.0小时，烧结出为棒材；(3)将上述烧结出的棒材切割和外形加工，然后在电加工机床上，采用高速旋转空心电极一次成孔，其孔经比焊丝大0.3--0.4毫米，内孔不直度小于0.04毫米，内孔表面粗糙度平均值为1.25微米，制成如图1所示的全碳陶瓷焊接导电嘴。
本发明的第三方面涉及一种制造镶嵌碳陶瓷芯的焊接导电嘴的工艺方法，其制造工艺步骤如下(1)将颗粒小于2微米的重量百分比为30--70％的碳及20--60％的碳化硅粉未和5-30％碳化硼及5-10％的碳化钨或碳化铌在非极性溶剂如乙醇中混合球磨24--48小时，烘干；(2)上述烘干后的混合体进行冷压成型，然后在惰性气体例如氩气氛下，温度2000--2200℃，压力20--40兆帕，热压烧结1.0--2.0小时，烧结出为棒材；(3)将上述棒材加工成碳陶瓷芯，将上述碳陶瓷芯热镶嵌到铜或铜合金基嘴中，利用碳陶瓷复合材料做为铜嘴或铜合金嘴的内衬，复合后在电加工机床上对陶瓷芯采用高速旋转空心电极一次成孔，其孔径比焊丝大0.3--0.4毫米，内孔不直度小于0.04毫米，内孔表面粗糙度平均值为1.25微米，制成如图2所示的镶嵌碳陶瓷芯的焊接导电嘴。
本发明采用的主要是来源广，成本低，便于大量生产的碳和碳化硅粉未，又加入少量的高熔点，高硬度，低电阻率的添加剂-碳化硼、碳化钨或碳化铌，增加了该导电嘴的耐摩性，导电性及抗氧化性能。以上添加剂成本也较低。在碳陶瓷复合材料的制备过程中，碳素粉未与陶瓷粉未球磨时，软质的碳素颗粒包复于硬质的陶瓷颗粒表面，烧结成型后，形成了陶瓷颗粒弥散于碳基体中的微观组织结构。弥散化的陶瓷相，改善了碳素基体的强度，提高了材料的硬度和耐磨性。同时材料中的碳成分在摩擦时可起到润滑的作用，因而增加了材料的减摩性能；由于微观结构中存在碳成分的连续相，因而继承了碳材料良好导电、导热性和抗热震性，添加剂相互反应，形成了导热、导电性良好的新相。在高温时，材料中的添加剂与氧反应形成了氧化物的保护膜，从而阻止了材料进一步氧化，因而具有良好的高温抗氧化性能。
本发明在电加工打孔时，采用了高速旋转空心电极一次成孔的工艺，使本发明孔径表面平滑。
在本发明的另一个实施方式-镶嵌碳陶瓷芯的焊接导电嘴的加工工艺中，利用碳陶瓷与铜或铜合金的热膨胀系数之差，使用了热镶嵌碳陶瓷芯的工艺，使得本发明更进一步降低成本。
综合以上所述，本发明的优点在于(1)本发明具有较高的强度，良好的导电、导热、抗高温氧化、抗热震及减摩、耐摩特性，使用寿命长。实践表明其使用寿命比一般金属导电嘴提高5倍。(2)使用本发明，焊弧稳定，走丝均匀，焊缝平滑，焊接质量好，不出现卡丝、咬丝、熔结现象，生产效率高。(3)本发明成本低，制造过程中不产生污染，有利于推广。
图1为全碳陶瓷复合材料焊接导电嘴示意图，其中1为碳陶瓷复合材料，图2为镶嵌碳陶瓷芯的焊接导电嘴示意图，图2中2为铜或铜合金，3为碳陶瓷衬。
实施例分别称400克碳粉、400克碳化硅粉、100克碳化硼粉、100克碳化钨粉，用适量的乙醇在碳化硅研磨罐中球磨30小时，然后将料烘干，在20兆帕的压力下于柱状石墨模中成型，再置于热压炉内，在氩气氛下，温度2100℃，压力30兆帕，烧结1小时。出炉后，将烧成棒材在普通的机加工车床上按附图1、2的形状进行切割和外型加工，附图1型的焊接嘴直接用电加工机床打孔，附图2型的焊接嘴，要先将加工好的碳陶瓷芯利用热镶嵌工艺和铜基嘴复合后再进行电加工打孔。
本发明上述实施例在现场进行工艺考核，根据不同焊接件确定了焊接工艺参数。在MPM焊机上，焊丝直径为1.2毫米，焊接电流250-300安培，焊接电压为25--30伏特，焊接速度40--50米/分，焊丝伸出长度为15毫米，气体流量为10--15升/分，电源极性为直流反接，回路电感为0.10--0.16毫亨，在焊接过程中焊弧稳定，走丝速度均匀，焊缝平滑，焊接质量好，没有发生卡丝、咬丝、熔接现象。采用原铜导电焊嘴，每班换3--5次导电焊嘴。采用本发明平均3个班换一次导电焊嘴原铜导电焊嘴磨损后，焊接嘴孔径呈椭园形，内径变大，严重影响弧流稳定性，本发明的丝孔未发现明显磨损，孔径变化极小，因此，弧流稳定。
权利要求
1.一种碳陶瓷复合材料制成的焊接导电嘴，其特征在于上述碳陶瓷复合材料的配方为含碳重量百分比30--70％，碳化硅20--60％，碳化硼5-30％，碳化钨或碳化铌5-10％。
2.一种生产碳陶瓷复合材料焊接导电嘴的工艺方法，其特征在于工艺步骤如下(1)将颗粒度小于2微米，重量百分比为30--70％的碳及20-60％的碳化硅粉未和5-30％碳化硼及5-10％的碳化钨或碳化铌在乙醇中混合球磨24--48小时，烘干；(2)上述烘干后的混合体进行冷压成型，在氩气氛下，温度2000--2200℃，压力20--40兆帕，热压烧结1.0--2.0小时，烧结出为棒材；(3)将上述烧结出的棒材切割和外形加工，然后在电加工机床上，采用高速旋转空心电极一次成孔，其孔径比焊丝大0.3--0.4毫米，内孔不直度小于0.04毫米，内孔表面粗糙度平均值为1.25微米。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)为将上述棒材加工成碳陶瓷芯，将上述碳陶瓷芯热镶嵌到铜或铜合金基嘴中，复合后在电加工机床上，对陶瓷芯采用高速旋转空心电极一次成孔，其孔径比焊丝大0.3--0.4毫米，内孔不直度小于0.04毫米，内孔表面粗糙度平均值为1.25微米。
全文摘要
一种碳陶瓷复合材料焊接导电嘴，属于机械领域。本发明的内容是在碳和碳化硅粉末混合基体中，加入少量碳化硼、碳化钨或碳化铌添加剂，经湿磨混合烘干处理，再热压烧结成棒状坯料，再经机加工和电火花打孔，即可制成具有高性能、高寿命的焊接导电嘴。这种焊接嘴具有较高强度、良好的导电、导热、抗高温氧化、抗热震及减摩、耐磨特性。其使用寿命比一般焊接嘴提高5倍。同时在焊接过程中没有卡丝、咬丝、熔结现象，焊接质量好，效率高。
文档编号B23K9/24GK1162513SQ96102859
公开日1997年10月22日 申请日期1996年4月12日 优先权日1996年4月12日
发明者张宝清, 董利民, 田杰谟 申请人:清华大学