專利名稱：一種高性能CuCr25合金觸頭材料及其快速凝固制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高性能CuCr25合金塊體觸頭材料，更具體地說是大功率真空斷路開關觸頭材料用CuCr合金塊體材料及其制備方法。
背景技術：
Cu-Cr合金觸頭(Cr含量25～50wt％)具有分斷電流能力大、耐電壓強度高、電弧燒損率低等優(yōu)點，是目前國內外制造大功率真空斷路開關時普遍采用、同時對開關性能起決定性作用的關鍵部件。
高質量的Cu-Cr合金觸頭(材料)必需同時滿足以下三個基本要求(1)第二相Cr顆粒尺寸盡可能細小且在觸頭表面均勻分布；(2)具有盡可能低的氣體含量；(3)具有盡可能高的致密度。由于CuCr合金屬于偏晶系合金，采用傳統(tǒng)鑄錠工藝基本無法制備。目前，國際上CuCr合金主要有三種制備方法(1)混粉法，將主要成分的Cr粉和一定比例的Cu粉均勻混合，經(jīng)冷壓和熱壓燒結成形，制備成塊體觸頭材料；(2)熔滲法，將適量的的Cu粉和全部Cr粉制成預制骨架，然后利用重力在真空下向骨架中熔滲Cu；(3)自耗電極法，將一定比例的Cu粉和Cr粉壓制成自耗電極棒坯，然后制備具有快速凝固組織的觸頭材料。前兩種方法由于受原材料中尺寸較大的Cr顆粒的限制，難以獲得高質量的觸頭材料，同時成品率較低，而自耗電極法制備工藝復雜，成本高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于制備大功率真空斷路開關觸頭材料的CuCr合金低成本快速凝固塊體材料。由于傳統(tǒng)觸頭制備技術存在上述問題，因此本發(fā)明制備的CuCr合金塊體材料，有利于解決上述問題，同時大幅度提高觸頭材料的綜合使用性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種適用于制備大功率真空斷路開關觸頭材料的CuCr合金塊體材料的制備方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種大功率真空斷路開關觸頭材料用CuCr25合金塊體材料，按重量百分比計，該合金成分為Cu72～77wt％，Cr23～28wt％。
一種制備所述的大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，該方法包括下述步驟(1)按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Cu72～77wt％，Cr23～28wt％，進行配料；(2)在惰性氣體保護下，升溫至2000～2200℃將原料熔化，澆鑄成預制錠；(3)在惰性氣體保護下，升溫至2000～2200℃將合金預制錠熔化后，進行霧化，霧化氣體為惰性氣體，霧化壓力為0.5～1.0Mpa；(4)在氣霧化的同時，高速旋轉接收盤，并使接收盤朝斜下方下拉，使霧化液滴直接沉積到接收盤上，得到圓錠形狀的CuCr25合金塊體材料。
制備出具有快速凝固組織的CuCr25塊體觸頭材料，該塊體材料經(jīng)后續(xù)熱擠壓變形加工成具有一定尺寸的棒坯，然后切片制成各規(guī)格的觸頭片。
在上述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法中，在所述步驟(2)、(3)中，惰性氣體為高純氬氣或高純氮氣。
在上述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法中，在上述步驟(3)中，所述將合金預制錠熔化過程是將合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化，感應加熱熔煉爐的溫度控制為2200～2400℃，再經(jīng)感應加熱中間包加熱，感應加熱中間包的溫度控制為2000～2200℃；所述霧化的過程是將熔化后的熔體通過與非限制式氣流霧化噴嘴分離式配合的導流管，導流管為感應加熱，導流管的溫度控制為2000～2200℃。
在上述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法中，在上述步驟(3)中，所述合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化后，保溫8-15min，使合金熔體均勻化。
在上述的所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法中，所述的步驟(2)和(3)中，所述的惰性氣體保護是采用先抽真空，后充入惰性氣體，在抽真空的過程中，真空度為10-2～10-3pa。
在上述的所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法中，在所述步驟(4)中，接收盤下拉的角度是與水平面的垂線成30～35角度，下拉的速度V1，0＜V1≤30mm/min，接收盤的轉速V2，0＜V2≤120rpm。接收盤下拉的速度及接收盤的轉速的具體數(shù)值要根據(jù)單位時間噴嘴進行氣霧化合金粉末的重量而定。
本發(fā)明所使用的原料Cu為無氧Cu，原料Cr為熱解Cr。
該發(fā)明的方法關鍵在于Cu-Cr合金粉末的高真空高溫噴射成形制備工藝。由于Cu-Cr合金在相圖上屬于偏晶系合金，其熔點高達1800℃以上，而合金熔體霧化時的實際溫度更高達2200℃以上，就給這種合金粉末的快速凝固噴射成形制備過程帶來了很大的困難。為解決這一問題從工藝上考慮，本發(fā)明在上述設備上設計了三感應加熱系統(tǒng)------在感應加熱熔爐上設計了熔煉爐感應加熱(2200～2400℃)、在感應加熱中間包上設計了中間包感應加熱(2000～2200℃)、在導流管上設計了導流管系統(tǒng)感應加熱(2000～2200℃)，要求導流管在極短的時間內可以加熱至2000～2200℃。
為了保證制備過程的連續(xù)進行，本發(fā)明研究了一種高純度的ZrO陶瓷導流材料，該材料可耐2200℃以上的高溫，并具有良好的抗沖刷能力和抗熱振性能。
由于制備過程是在2200℃的高溫下進行，因此接收裝置采用全密封集成外加水冷的冷卻方式，按一定角度將冷卻水夾套安裝在接收盤的側壁上。
利用本發(fā)明方法和設備制備出φ200mm以上的CuCr25合金圓錠，機加工扒皮，在860～960℃熱擠壓成一定尺寸的圓錠(例如φ60mm)，然后切片成一定厚度的觸頭片。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)CuCr25合金塊體材料氣體含量低；(2)材料中第二相Cr呈球形，尺寸細小且均勻分布；(3)塊體材料經(jīng)擠壓后致密度高，可達理論密度的99％以上；(4)具有快速凝固組織的CuCr25塊體材料具有高的耐電壓和抗擊穿能力，是高性能的觸頭材料。


圖1為本發(fā)明的制備方法中制備裝置示意2為本發(fā)明的制備方法中接收裝置示意3為用本發(fā)明的方法所制備的CuCr25合金觸頭材料的合金的微觀組織照片圖4為用本發(fā)明的方法所制備的CuCr25合金觸頭樣品照片具體實施方式
由于CuCr合金在相圖上屬于偏晶系合金，其熔點高達1800℃以上，而合金熔體霧化時的實際溫度更高達2200℃以上，且還必須快速凝固氣霧化。因此，本發(fā)明可以采取下述的制備裝置配合本發(fā)明的方法進行制備合金粉末。如圖1所示，該制備裝置是采用上、下兩個罐體，上罐體為熔煉罐體1、下罐體為接收罐體2，熔煉罐體1內從上到下依次設有感應加熱熔爐3、感應加熱中間包4。感應加熱中間包4的進口上對感應加熱熔煉爐3的出口，而感應加熱中間包4的出口接導流管5，導流管5的出口通入接收罐體2內。在導流管5管壁的四周設有感應加熱系統(tǒng)6，并在導流管5的出口處設有非限制式氣流霧化噴嘴7，導流管5的出口段位于非限制式氣流霧化噴嘴的中間，且導流管5與非限制式氣流霧化噴嘴7之間采用的是分離配合方式。由于合金霧化溫度很高，因此在氣霧化過程中選用完全非限制式氣霧化噴嘴，在工作過程中導液管與噴嘴之間采用的是分離配合方式。采用這種噴嘴進行氣霧化合金粉末的制備，避免了高熔點合金霧化給限制式噴嘴使用時所帶來的種種問題。
在接收罐體2中安裝接收裝置，接收裝置為公知設備。如圖2所示，接收裝置包括兩部分，即旋轉部21和升降部22，旋轉部21是在接收座23上設有旋轉牽引電機24、該旋轉牽引電機24通過傳動機構與旋轉主軸26動力連接，該旋轉主軸26上設有接收盤27；升降部22是在機座上設有升降牽引電機28，該升降電機通過傳動機構29與絲杠30動力連接，并在機座上設有與絲杠30平行的光杠31，絲杠30和光杠31與水平面的垂線成30～35角度，接收座23固接行程件32，行程件32上設有螺母和套管頭，螺母與絲杠30螺接，套管頭與光杠31套接，在制備過程中，啟動旋轉牽引電機24，高速旋轉接收盤23，并啟動升降牽引電機28，使絲杠30轉動，螺母也隨之移動，并以光杠31為軌道在光杠31上滑動，以一定的角度和速度下拉接收盤27，使霧化液滴直接沉積到接收盤27上，得到一定直徑的圓錠。
上述制備裝置是為了配合本發(fā)明的工藝方法，但完成本發(fā)明的方法并不局限于該制備裝置，也可以采用其它方式的制備裝置進行本發(fā)明的工藝方法。
實施例按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Cu75wt％，Cr25wt％，進行配料；在惰性氣體保護下，將上述原料放入升溫至2100℃將原料熔化，澆鑄成預制錠；配制合金預制錠以后，如圖1所示，在熔煉罐體1內先抽真空，真空度為10-3Pa，后充入高純氬氣至常壓，在惰性氣體保護下，將合金預制錠在感應加熱熔煉爐4中熔化，感應加熱熔煉爐4的溫度控制為2300℃，保溫10min；再經(jīng)感應加熱中間包6加熱，感應加熱中間包6的溫度控制為2100℃，熔化后的熔體通過導流管5，導流管5的溫度控制為2100℃。采用高純氬氣進行氣霧化，霧化壓力1.0Mpa。如圖2所示，開啟旋轉電機24、升降電機28，以轉速為60～120rpm，高速旋轉接收盤，接收盤下拉的角度是與水平面的垂線成35角度，下拉的速度為20～30mm/min，下拉接收盤27，使霧化液滴直接沉積到接收盤27上，一次性連續(xù)霧化30公斤Cu75Cr25合金高溫熔體時，制備出重20Kg的CuCr合金沉積圓錠坯件，將圓錠扒皮、熱擠壓變形加工致密化，加工成一定直徑的棒坯。
用本發(fā)明的方法所制備的CuCr25合金觸頭材料的合金的微觀組織照片如圖3所示，本發(fā)明的CuCr25合金觸頭材料的合金成分均勻、顯微組織均勻細小、第二相Cr呈球形彌散地分布于Cu基體中。且氧含量低、氮含量低。這種工藝制備的CuCr25合金的Cr相尺寸大約在3～8μm，只是傳統(tǒng)CuCr25合金觸頭材料中Cr相尺寸的十分之一左右，這種新型工藝制備的新型材料具有更高的耐電壓和抗電擊穿性能，是一種高性能的觸頭材料。用本發(fā)明的方法所制備的CuCr25合金觸頭樣品照片如圖4所示。
權利要求
1.一種大功率真空斷路開關觸頭材料用快速凝固CuCr25合金塊體材料，其特征在于按重量百分比計，該合金成分為Cu72～77wt％，Cr23～28wt％。
2.一種制備權利要求1所述的大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Cu72～77wt％，Cr23～28wt％，進行配料；(2)在惰性氣體保護下，升溫至2000～2200℃將原料熔化，澆鑄成預制錠；(3)在惰性氣體保護下，升溫至2000～2200℃將合金預制錠熔化后，進行霧化，霧化氣體為惰性氣體，霧化壓力為0.5～1.0Mpa；(4)在氣霧化的同時，高速旋轉接收盤，并使接收盤朝斜下方下拉，使霧化液滴直接沉積到接收盤上，得到圓錠形狀的CuCr25合金塊體材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，其特征在于在所述步驟(2)、(3)中，惰性氣體為高純氬氣或高純氮氣。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，其特征在于在上述步驟(3)中，所述將合金預制錠熔化過程是將合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化，感應加熱熔煉爐的溫度控制為2200～2400℃，再經(jīng)感應加熱中間包加熱，感應加熱中間包的溫度控制為2000～2200℃；所述霧化的過程是將熔化后的熔體通過與非限制式氣流霧化噴嘴分離式配合的導流管，導流管為感應加熱，導流管的溫度控制為2000～2200℃。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，，其特征在于在上述步驟(3)中，所述合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化后，保溫8-15min。
6.根據(jù)權利要求5所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，其特征在于所述的步驟(2)和(3)中，所述的惰性氣體保護是采用先抽真空，后充入惰性氣體，在抽真空的過程中，真空度為10-2～10-3Pa。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備大功率真空斷路開關用觸頭材料用CuCr25合金塊體材料的方法，其特征在于在所述步驟(4)中，接收盤下拉的角度是與水平面的垂線成30～35角度，下拉的速度V1，0＜V1≤30mm/min，接收盤的轉速V2，0＜V2≤120rpm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率真空斷路開關觸頭材料用CuCr25合金材料及其制備方法，該合金成分為Cu72～77wt％，Cr23～28wt％。按合金成分配料，在惰性氣氛保護下將原料熔化，澆鑄成合金預制錠。在惰性氣氛下升溫至2200℃將合金預制錠熔化，以高純惰性氣體為霧化氣體，進行快速凝固噴射成形技術制備，霧化壓力為0.5～1.0MPa。本發(fā)明的CuCr25合金觸頭材料的合金成分均勻、顯微組織均勻細小、第二相Cr呈球形彌散地分布于Cu基體中、氧含量低、氮含量低。這種工藝制備的CuCr25合金的Cr相尺寸大約在3～8μm，只是傳統(tǒng)CuCr25合金觸頭材料中Cr相尺寸的十分之一左右，這種新型工藝制備的新型材料具有更高的耐電壓和抗電擊穿性能，是一種高性能的觸頭材料。
文檔編號C22C9/00GK1510152SQ0215797
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月23日 優(yōu)先權日2002年12月23日
發(fā)明者張永安, 熊柏青, 石力開, 劉紅偉, 朱寶宏, 徐駿 申請人:北京有色金屬研究總院