專利名稱：高性能低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作電工材料領(lǐng)域用的銅鉻合金觸頭材料的制備方法，尤其是利
用電磁懸浮熔煉技術(shù)生產(chǎn)高性能、低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法。
背景技術(shù)：
銅鉻(CuCr)合金是廣泛用于中高壓真空斷路器的觸頭材料，具有較好的耐電壓 和開斷電流能力。其中氣體和雜質(zhì)含量指標(biāo)是決定其性能的關(guān)鍵。當(dāng)材料中含有較高的氧、 氮等氣體含量或較多的夾雜物時(shí)，將極大地?fù)p害觸頭性能甚至不能使用。因此，不斷降低材 料中的氣體含量以及減少夾雜物的污染是發(fā)展高性能CuCr觸頭材料的關(guān)鍵。
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)CuCr合金主要有五種工藝路線。 1.混粉法將一定比例的Cu粉和Cr粉充分混合，冷壓成型，再經(jīng)真空燒結(jié)或熱等 靜壓而成?；旆鄯ǖ膬?yōu)點(diǎn)是工藝簡單，成熟度高，缺點(diǎn)是對(duì)原材料氣體含量有極為嚴(yán)格的要 求，很難獲得低氣體含量的產(chǎn)品，致密度較低也是一個(gè)重要缺陷。 2.熔滲法將適量的Cr粉和其他組分充分混合壓制，在真空或惰性保護(hù)氣氛中燒 結(jié)成一定孔隙度的Cr骨架，而后在真空中滲Cu，由于毛細(xì)作用，液態(tài)Cu被吸入骨架的孔隙 中，形成密度在98%理論密度以上的致密的CuCr觸頭合金。 3.自耗法將Cu粉和Cr粉裝入薄壁Cu管中或者將混粉法制成的CuCr合金棒在 真空電弧爐中作為陰極進(jìn)行自耗熔煉，所得錠坯再經(jīng)熱擠壓進(jìn)一步提高致密度。自耗法制 備工藝復(fù)雜，成本高。 4.真空熔煉法將一定比例的銅塊和鉻塊在真空中頻感應(yīng)熔煉爐中熔化去氣，然 后澆入特制的模具中。 5.霧化制備法將一定比例的銅塊和鉻塊在真空中頻感應(yīng)熔煉爐中熔化成預(yù)制 合金錠后，將預(yù)制合金錠通過氣體霧化法快速凝固制備銅鉻合金塊體材料。這種方法制備 的銅鉻合金由于熔化溫度高，對(duì)坩堝嘴有特殊的要求。 這五種工藝方法中前三種對(duì)原材料特別是Cr粉性能有嚴(yán)格要求，如果Cr粉的氧 含量較高，在真空或保護(hù)氣氛環(huán)境中燒結(jié)都不能有效脫除Cr粉的氧，最終將使CuCr觸頭中 具有極高的氧含量。過高的氧含量會(huì)使觸頭在開斷電流時(shí)放出大量氣體，損害真空滅弧室 的真空和絕緣能力，使真空斷路器開斷失敗，造成嚴(yán)重事故。采用真空熔煉方法中雖然能夠 獲得低的氣體含量，但由于真空熔煉是在極高溫度下的氧化物坩堝中進(jìn)行，由于高溫下銅 鉻合金容易與材料發(fā)生反應(yīng)，造成合金受到污染，并且坩堝材料中往往存在較多的夾雜物， 降低了觸頭的可靠性。由于銅鉻合金的熔煉是在極高溫度下進(jìn)行的，采用真空感應(yīng)熔煉法 和霧化制備法都容易與坩堝材料發(fā)生反應(yīng)，造成合金受到污染，并且坩堝材料中往往存在 較多的夾雜物，降低了觸頭的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中制備CuCr合金方法的上述不足，采用真空電磁懸浮的熔煉制備技術(shù)，提供一種用于制備高性能、低氧、低氮、低夾雜物的銅鉻合金觸頭材料，大幅度 提高銅鉻合金觸頭材料的性能，從根本上解決坩堝材料的污染問題。 本發(fā)明的技術(shù)方案高性能低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，其特征在于包 括如下操作步驟 (1)按照工藝要求的合金成分，將銅金屬材料和鉻金屬材料按照鉻重量含量為
10wt% 75wt^的比例配樣；對(duì)應(yīng)的銅金屬材料重量含量為25wt% 90wt% ; (2)將配制好的材料混粉壓制成塊體，或者通過真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧
熔煉制成合金預(yù)制錠；將材料放入真空感應(yīng)熔煉爐或真空非自耗電弧熔煉爐后，先抽取熔
煉爐內(nèi)的氣體，然后充入高純惰性氣體； (3)在惰性氣體保護(hù)下，將合金預(yù)制錠在真空電磁懸浮爐或冷坩堝爐中經(jīng)高頻感 應(yīng)加熱熔化；合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，待合金錠完全熔化后， 保溫一段時(shí)間(使合金樣品中溶解的氣體盡可能揮發(fā)出來，降低相關(guān)氣體含量并使兩者充 分混合以混合均勻)； (4)采用高純惰性氣體冷卻凝固或者采用水冷銅坩堝冷卻凝固得到銅鉻合金錠。
進(jìn)一步的特征是在真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧熔煉中，以及在真空電磁懸 浮熔煉和冷坩堝熔煉過程中，采用高純氬氣作為惰性保護(hù)氣氛。 本發(fā)明的高性能、低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如 下特點(diǎn) 1、合金成分均勻，氧、氮等氣體含量低，組織致密、成分均勻、純凈度高，夾雜物少， 大幅度提高銅鉻合金觸頭材料的性能。 2、可以避免高溫下坩堝材料對(duì)合金的污染，并且可以利用強(qiáng)烈的電磁攪拌作用使 合金顯微組織更加均勻。 3、本方法操作簡單方便，不需要復(fù)雜的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的高性能、低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，其操作方法如下 1.按照工藝要求的合金成分，將銅金屬材料和鉻金屬材料按照鉻重量含量為
10wt% 75wt^的比例配樣，銅金屬材料重量含量為25wt% 90wt% ; 2.將配制好的材料混粉壓制成塊體，或者通過真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧熔
煉制成合金預(yù)制錠；將材料放入真空感應(yīng)熔煉爐或真空非自耗電弧熔煉爐后，先抽取熔煉
爐內(nèi)的氣體，然后充入高純惰性氣體； 3.在惰性氣體保護(hù)下，將合金預(yù)制錠在真空電磁懸浮爐或冷坩堝爐中經(jīng)高頻感應(yīng) 加熱熔化；合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，待合金錠完全熔化后，保 溫一段時(shí)間，保溫時(shí)間通常在1分鐘之內(nèi)；使合金樣品中溶解的氣體盡可能揮發(fā)出來，降低 相關(guān)氣體含量并使兩者混合均勻； 4.采用高純惰性氣體冷卻凝固或者采用水冷銅坩堝冷卻凝固得到銅鉻合金錠。
實(shí)施例1 : 取銅塊與鉻塊各占總重量的50%，放入真空非自耗電弧熔煉爐中，抽真空至 8. 0X 10—4Pa后充入高純氬氣至0. 6MPa，接通電源起弧熔煉成合金預(yù)制錠，將所得到的合金預(yù)制錠放入真空電磁懸浮熔煉爐中，通過中空的氧化鋁陶瓷支撐桿將合金錠頂入高頻感應(yīng) 線圈內(nèi)，抽真空至7. 0 X 10—4Pa后充入高純氬氣至0. 6MPa，接通高頻電源，調(diào)節(jié)輸入電流和 功率，合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，通過紅外測溫儀觀察合金錠的 溫度，待合金錠完全熔化后，保溫10-30秒(使合金樣品中溶解的氣體盡可能揮發(fā)出來，降 低相關(guān)氣體含量并使兩者混合均勻)，迅速斷電，樣品在重力的作用下下落到銅坩堝中(水 冷銅坩堝)，迅速冷卻凝固得到合金錠。
實(shí)施例2 : 取銅塊與鉻塊重量比為85 : 15，抽真空至1.5X10—卞a后充入高純氬氣至 0. 3MPa，進(jìn)行感應(yīng)熔煉并澆鑄成合金預(yù)制錠，將所得到的合金預(yù)制錠放入真空電磁懸浮熔 煉爐中，通過中空氧化鋁陶瓷支撐桿將合金錠頂入高頻感應(yīng)線圈內(nèi)，抽真空至1.5X10—3Pa 后充入高純氬氣至0. 3MPa，接通高頻電源，調(diào)節(jié)輸入電流和功率，合金預(yù)制錠在電磁力的作 用下懸浮起來，并加熱熔化，通過紅外測溫儀觀察合金錠的溫度，移出氧化鋁陶瓷支撐桿， 待合金錠完全熔化后，保溫10-30秒，從中空的氧化鋁陶瓷桿中吹高純氦氣，樣品在高純氦
氣下冷卻凝固得到合金錠。
實(shí)施例3 : 取銅塊與鉻塊重量比為70 : 30，放入真空感應(yīng)熔煉中，抽真空至1.0X10—卞a后 充入高純氬氣至0. 5MPa，進(jìn)行感應(yīng)熔煉并澆鑄成合金預(yù)制錠，將所得到的合金預(yù)制錠放入 冷坩堝熔煉爐中，抽真空至1.0X10—3Pa后充入高純氬氣至0. 5MPa，接通高頻電源，調(diào)節(jié)輸 入電流和功率，合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，通過紅外測溫儀觀察 合金錠的溫度，待合金錠完全熔化后，保溫10-30秒，迅速斷電，樣品在重力的作用下下落 到銅坩堝中，迅速冷卻凝固得到合金錠。
實(shí)施例4 : 取銅粉與鉻粉重量比為75 : 25，然后通過混粉法壓制成合金預(yù)制錠，將混粉壓制 的合金預(yù)制錠放入冷坩堝熔煉爐中，抽真空至1. 2X 10—3Pa后充入高純氬氣至0. 4MPa，接通 高頻電源，調(diào)節(jié)輸入電流和功率，合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，通 過紅外測溫儀觀察合金錠的溫度，待合金錠完全熔化后，保溫10-30秒，迅速斷電，樣品在 重力的作用下下落到水冷銅坩堝中，迅速冷卻凝固得到合金錠。 銅塊與鉻塊重量比還可以是如下比例，90 : 10，88 : 12，85 : 15，80 : 20， 78 : 22，73 : 37，68 : 32，65 : 35，60 : 40，58 : 42，55 : 45，48 : 52，45 : 55，42 : 58， 40 : 60， 38 : 62， 35 : 65， 33 : 67， 30 : 70， 25 : 75等，都能滿足本發(fā)明制備方法的要 求。 最后需要說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制技術(shù)方 案，盡管申請人參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理
解，那些對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍， 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
高性能低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，其特征在于包括如下操作步驟(1)按照工藝要求的合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為10wt％～75wt％的比例配樣；(2)將配制好的材料混粉壓制成塊體，或者通過真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧熔煉制成合金預(yù)制錠；將材料放入真空感應(yīng)熔煉爐或真空非自耗電弧熔煉爐后，先抽取熔煉爐內(nèi)的氣體，然后充入高純惰性氣體；(3)在惰性氣體保護(hù)下，將合金預(yù)制錠在真空電磁懸浮爐或冷坩堝爐中經(jīng)高頻感應(yīng)加熱熔化；合金預(yù)制錠在電磁力的作用下懸浮起來，并加熱熔化，待合金錠完全熔化后，保溫一段時(shí)間；(4)采用高純惰性氣體冷卻凝固或者采用水冷銅坩堝冷卻凝固得到銅鉻合金錠。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，其特征在于 在真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧熔煉中，以及在真空電磁懸浮熔煉和冷坩堝熔煉過程 中，采用高純氬氣作為惰性保護(hù)氣氛。
全文摘要
本發(fā)明公開了高性能低夾雜銅鉻合金觸頭材料的制備方法，其步驟1.按照工藝要求的合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為10wt％～75wt％的比例配樣；2.將配制好的材料混粉壓制成塊體，或者通過真空感應(yīng)熔煉和真空非自耗電弧熔煉制成合金預(yù)制錠；3.在惰性氣體保護(hù)下，將合金預(yù)制錠在真空電磁懸浮爐或冷坩堝爐中經(jīng)高頻感應(yīng)加熱熔化；4.采用高純惰性氣體冷卻凝固或者采用水冷銅坩堝冷卻凝固得到銅鉻合金錠。本發(fā)明的制備方法，合金成分均勻，氧、氮等氣體含量低，組織致密、成分均勻、純凈度高，夾雜物少，大幅度提高銅鉻合金觸頭材料的性能；可以避免高溫下坩堝材料對(duì)合金的污染，使合金顯微組織更加均勻。
文檔編號(hào)C22C1/02GK101709393SQ20091019126
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者周志明, 唐麗文, 夏華, 張弛, 彭成允, 曹敏敏, 李又兵, 雷彬彬 申請人:重慶理工大學(xué)