專利名稱：Cu-Cr材料的粉末冶金制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，特別是真空開(kāi)關(guān)的Cu-Cr材料的粉末冶金制造方法，以及粉末冶金方法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn),特別是真空開(kāi)關(guān)。還涉及高功率的Cu-Cr材料的制造。
背景技術(shù)：
將Cu-Cr材料應(yīng)用于制造開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，特別是真空開(kāi)關(guān)原理的應(yīng)用領(lǐng)域是是已知的。真空開(kāi)關(guān)原理在中等電壓(即7.2kV至40kV)的范圍內(nèi)作為現(xiàn)行開(kāi)關(guān)原理已經(jīng)廣泛地獲得認(rèn)可，并且已經(jīng)展現(xiàn)出在更高電壓范圍內(nèi)應(yīng)用的趨勢(shì)。這種開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在真空-中等電壓-功率開(kāi)關(guān)和真空保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)都得到應(yīng)用。對(duì)于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)特別要求在整個(gè)使用壽命中盡可能保持高的開(kāi)關(guān)能力、高的絕緣能力和盡可能低的損耗。人們追求高的抗磨損能力、良好的電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)能力、在開(kāi)關(guān)過(guò)程中盡可能低的焊接彎曲度以及高的絕緣能力和足夠的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度。DE102006021772A1闡明了一種制造用于真空開(kāi)關(guān)的銅-鉻觸點(diǎn)的方法。這樣制造用于真空開(kāi)關(guān)的銅-鉻觸點(diǎn)，一個(gè)薄的銅-鉻板坯通過(guò)澆鑄或者噴注以及后續(xù)的快速冷卻制造成觸點(diǎn)的原材料。這里使用垂直于板坯的方向的濃度曲線作為參數(shù)。還展示并描述了銅-鉻系統(tǒng)的狀態(tài)圖表。如在物質(zhì)狀態(tài)圖中看到的，在固相中基本上不存在Cu和Cr的混溶性。只有在共晶點(diǎn)(該點(diǎn)溫度約為1075°C )以下的一個(gè)很小的范圍內(nèi)存在這樣一個(gè)范圍，在該范圍內(nèi)存在固溶體內(nèi)的很小的Cr在Cu內(nèi)的溶解度。在固溶體內(nèi)的Cr在Cu內(nèi)的最大溶解度在1075°C溫度下、大約在0.7原子％條件下出現(xiàn)熱力學(xué)平衡時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)溫度降低時(shí)，Cr在Cu內(nèi)的溶解度也降低，當(dāng)溫度為400°C時(shí)，在固溶體內(nèi)的Cr在Cu內(nèi)的溶解度以熱力學(xué)平衡表示為0.03原子％。Cu-Cr系統(tǒng)的詳盡的物質(zhì)狀態(tài)圖可參見(jiàn)M.Hansen和K.Anderko的《Constitutionof Binary Alloys)), McGraw-Rill Book Company, Inc.(1958)的第 524 頁(yè)中。由物質(zhì)狀態(tài)圖可知，在低于共晶點(diǎn)溫度的、Cr晶粒溶入Cu晶格的Cu-Cr材料中，典型的含量為Cu為30-80重量％而Cr為70-20重量％。由于在該范圍內(nèi)的Cr在Cu內(nèi)的較低的溶解度，在固溶體中的Cu晶格中存在較少量的Cr。如果在固溶體中Cr的比重小于Cu，下面還將繼續(xù)使用Cu晶格的概念。已知有純粉末冶金法、燒結(jié)浸滲法和熔煉法，用于生產(chǎn)用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料。由于Cu-Cr系統(tǒng)的復(fù)雜的物質(zhì)狀態(tài)圖，直接制造均相的熔融材料是不可能的。因此通常應(yīng)用所謂的重熔材料用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的高價(jià)值的Cu-Cr材料，例如可以使用激光或者電弧造成重熔。用于生產(chǎn)用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(下面也稱作真空開(kāi)關(guān)觸點(diǎn))的Cu-Cr材料的純粉末冶金法與熔煉法相比要經(jīng)濟(jì)得多。但是經(jīng)粉末冶金法制成的Cu-Cr材料至今為止還不能具有所有的人們所需的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用粉末冶金法制造用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的方法以及用粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)了高的抗磨損性、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力、在開(kāi)關(guān)過(guò)程中盡可能低的焊接傾向以及開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的高的介電強(qiáng)度足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并且能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。本目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的粉末冶金法制造方法實(shí)現(xiàn)。有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)在從屬權(quán)利要求中給出。用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，特別是真空開(kāi)關(guān)的Cu-Cr材料的粉末冶金法制造方法具有如下步驟:對(duì)由Cu粉末和Cr粉末形成的Cu-Cr混合粉末進(jìn)行擠壓，將經(jīng)過(guò)擠壓的Cu-Cr混合粉末燒結(jié)成Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的材料。燒結(jié)和/或接下來(lái)的熱處理過(guò)程以交替的溫度變化進(jìn)行，在該溫度變化過(guò)程中Cu-Cr混合粉末或者Cu-Cr材料至少兩次交替地加熱到一個(gè)上溫度邊界值以上再冷卻到下溫度邊界值以下。所有的步驟都在沒(méi)有熔化液相生成的溫度中進(jìn)行。Cu-Cr材料的粉末冶金的整個(gè)制造過(guò)程在低于Cu-Cr系統(tǒng)的共晶點(diǎn)(1075°C )的溫度以下進(jìn)行，因此不會(huì)生成熔化液相。所謂“純粉末冶金”指的是沒(méi)有熔化液相生成的過(guò)程。實(shí)施具有交替的溫度變化的燒結(jié)或者接下來(lái)的熱處理過(guò)程(或者兩者)。交替的溫度變化應(yīng)該理解為，交替地進(jìn)行溫度升高和溫度降低，其中溫度升高和溫度降低分別進(jìn)行至少兩次。優(yōu)選地，溫度升高和溫度降低分別進(jìn)行三次。交替的溫度變化可以在對(duì)經(jīng)過(guò)擠壓的Cu-Cr毛坯的燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)行。然而也可以，在熱處理過(guò)程中對(duì)經(jīng)過(guò)(傳統(tǒng)的)燒結(jié)的Cu-Cr材料進(jìn)行交替地溫度變化。上溫度邊界值優(yōu)選可以這樣選擇，實(shí)現(xiàn)在固溶體中Cr在Cu內(nèi)的盡可能大的溶解度。下溫度邊界值優(yōu)選可以這樣選擇，給出與上邊界溫度相比的明顯更低的在固溶體中Cr在Cu內(nèi)的溶解度。Cu-Cr材料的制造可以這樣進(jìn)行，已經(jīng)制成開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的最終形態(tài)，或者開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)還需進(jìn)行適宜的后續(xù)處理才能獲得其最終形態(tài)。通過(guò)純粉末冶金法可以以特別經(jīng)濟(jì)的方式制造Cu-Cr材料。通過(guò)交替的溫度變化(周期退火)可以實(shí)現(xiàn)，在Cu晶格中形成很多Cr晶粒，晶粒尺寸為截面面積0.1 μ m2至50 μ m2 (在顯微照片中測(cè)量得到)。形成的Cu-Cr材料具有在顯微照片中測(cè)量得到的Cr晶粒尺寸分布，該分布具有位于截面面積為0.1 μ m2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第一最大值。晶粒尺寸分布的確定通過(guò)以顯微鏡在顯微照片中對(duì)各個(gè)Cr晶粒的面積的測(cè)量進(jìn)行。顯微鏡可以理解為現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。以這種方式能夠制造出用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料，其能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的抗磨損性、良好地導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力、在開(kāi)關(guān)過(guò)程中低的焊接傾向以及開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的高的介電強(qiáng)度足夠的機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)現(xiàn)了交替的溫度變化可以順利地達(dá)到前述的有利的晶粒尺寸分布，即便是使用了相對(duì)粗顆粒的Cr粉末(例如，顆粒直徑介于20μπι至200 μ m之間)作為原材料。在沒(méi)有交替的溫度變化的純粉末冶金制造方法中，其中應(yīng)用例如顆粒直徑不超過(guò)200 μ m的Cu粉末和Cr粉末，生成的Cu-Cr材料具有如下結(jié)構(gòu)，在顯微照片中的Cu晶格中的一些較小的Cr晶粒旁邊存在相對(duì)大的Cr顆粒(顆粒直徑在100 μ m至150 μ m范圍內(nèi))。那么就形成了典型的單峰的晶粒尺寸分布，最大值例如位于100 μ m2至25000 μ m2的晶粒尺寸范圍內(nèi)。這意味著，如果沒(méi)有進(jìn)行交替的溫度變化，Cr粉末的顆粒尺寸基本保持在最后生成的Cu-Cr材料的起始材料中。使用特別細(xì)顆粒晶粒的Cr粉末作為原材料會(huì)導(dǎo)致其它問(wèn)題。會(huì)使制造過(guò)程復(fù)雜化。細(xì)顆粒晶粒的Cr粉末與粗顆粒的粉末相比具有較高的含氧量。因此會(huì)使Cr相不容易結(jié)合到Cu晶格材料內(nèi)，這引起更高的孔隙率。此外還已知，細(xì)顆粒的Cr粉末組分中的氧化物雜質(zhì)比大的晶粒粉末的要多。處理細(xì)顆粒粉末的另一個(gè)困難在于，在制造過(guò)程中避免氧吸收的操作方法和保證足夠的工作場(chǎng)所的安全性。此外為了實(shí)現(xiàn)材料的理想的密度和較低的孔隙率，需要較高的壓力，或者需要經(jīng)過(guò)燒結(jié)的材料的冷成型。用上面給出的方法步驟可以用傳統(tǒng)的制造設(shè)備以經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)所需的Cu-Cr材料的性質(zhì)。用制造Cu-Cr材料的方法可以實(shí)現(xiàn)低的孔隙率、高的密度、極低的雜質(zhì)含量、細(xì)顆粒的Cr晶粒并且Cr晶粒在Cu晶格中均質(zhì)的各向同性的分布以及始終不變的Cu-Cr材料的均一的化學(xué)成分。生成的Cu-Cr材料出色地適用于應(yīng)用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，既能用于高壓和中壓范圍的功率開(kāi)關(guān)也可以用于低壓范圍的真空保護(hù)開(kāi)關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，上溫度邊界值位于1065°C至1025°C范圍內(nèi)，而下溫度邊界值至少低于上溫度邊界值50°C。下溫度邊界值優(yōu)選低于上溫度邊界值100°C。這種情況下的上溫度邊界值位于略低于共晶點(diǎn)溫度(1075°C )的范圍內(nèi)，即在該范圍內(nèi)達(dá)到在固溶體中，在Cu晶格中Cr晶?？梢匀芙饧s0.7原子％。該范圍對(duì)應(yīng)于在固溶體中Cr在Cu內(nèi)的最大溶解度所處的范圍。另 一種情況下，上溫度邊界值以足夠程度低于共晶點(diǎn)溫度，由此可以阻止在輕微的溫度波動(dòng)時(shí)形成熔化液相。下溫度邊界值明顯低于上溫度邊界值，因此在該范圍內(nèi)(熱平衡狀態(tài)下)固溶體中，相對(duì)較少量的Cr溶解在Cu晶格中。因此在加熱到上溫度邊界值時(shí)的Cr在Cu晶格材料中積聚(最大達(dá)到0.7原子％)。當(dāng)冷卻到低于下溫度邊界值時(shí)(即在物質(zhì)狀態(tài)圖中的垂直移動(dòng))，在固溶體中溶解的Cr量超過(guò)對(duì)應(yīng)于該低溫的溶解度，其遠(yuǎn)低于0.7原子％。因此Cr從Cu晶格中析出并且形成具有小的晶粒尺寸的Cr晶粒。隨著不斷重復(fù)的交替溫度變化，具有小的晶粒尺寸的Cr晶粒的數(shù)量增加。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，本方法還具有其它步驟:將Cu粉末和Cr粉末混合成Cu-Cr混合粉末。這種情況下能夠通過(guò)應(yīng)用常見(jiàn)的Cr粉末和Cu粉末制成Cu-Cr混合粉末。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，在Cu-Cr混合粉末中的Cu顆粒的顆粒尺寸分布具有
<80 μ m，優(yōu)選< 50 μ m的最大的顆粒直徑。這種情況下,在燒結(jié)過(guò)程中可靠地實(shí)現(xiàn)Cu晶格的形成并且Cu-Cr材料形成可靠的小孔隙率和高的密度。在此最大的顆粒直徑通過(guò)篩析確定。因此使用具有相應(yīng)的篩孔大小(例如80 μ m至50 μ m)的篩子并且只使用能夠通過(guò)篩子的顆粒。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，在Cu-Cr混合粉末中的Cr顆粒的顆粒尺寸分布具有
<200μπι，優(yōu)選< 160 μ m的最大的顆粒直徑。最大的顆粒直徑通過(guò)具有相應(yīng)的篩孔大小的篩析確定。這種情況下的最大顆粒直徑的值要足夠的小，以達(dá)到在Cu-Cr材料中沒(méi)有大的Cr晶粒形成。另一方面，也能夠形成足夠大的單個(gè)顆粒，因此不會(huì)出現(xiàn)由氧化物引起的雜質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)并且可以在傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高的密度和低的孔隙率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，在Cu-Cr混合粉末中的Cr顆粒的顆粒尺寸分布具有^ 20μπι，優(yōu)選> 32μπι的最小的顆粒直徑。最小的顆粒直徑同樣通過(guò)篩析(篩孔大小例如20 μ m至32 μ m)確定，但是這種情況下使用不能通過(guò)篩子的顆粒。這種情況下的最小顆粒直徑足夠大，因此不會(huì)出現(xiàn)由氧化物引起的雜質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)并且可以在傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高的密度和低的孔隙率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，Cu-Cr混合粉末具有30重量％至80重量％的Cu含量和70重量％至20重量％的Cr含量。這樣可以實(shí)現(xiàn)，提供高的抗磨損性和低的焊接傾向以及良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)Cr含量高于70重量％時(shí)，導(dǎo)致導(dǎo)熱和導(dǎo)電能力的明顯變差。當(dāng)Cr含量低于20重量％時(shí)，不能達(dá)到令人滿意的抗磨損性和焊接傾向。本發(fā)明的目的還通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求8的粉末冶金法制成的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。有利的擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中給出。Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)可以應(yīng)用于真空開(kāi)關(guān)。粉末冶金法制成的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有30重量％至80重量％的Cu含量和70重量％至20重量％的0含量。Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有位于Cu晶格中的Cr晶粒。顯微照片中測(cè)得的Cr晶粒的晶粒尺寸分布具有位于截面面積為0.1 μ m2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第一最大值。開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)通過(guò)沒(méi)有熔化液相形成的Cu粉末和Cr粉末的粉末冶金工藝制成。所以是純粉末冶金方法制成的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。Cu晶格在這里理解為，一種主要由Cu構(gòu)成然而在其固溶體中也含有少量的Cr的材料。此外還可能存在雜質(zhì)。在Cu晶格中形成Cr晶粒。Cr晶粒的晶粒尺寸分布這樣確定:測(cè)繪出開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的顯微照片并且通過(guò)顯微鏡進(jìn)行分析。在顯微照片中，確定Cr晶粒并且測(cè)量出Cr晶粒的截面面積。該測(cè)定求值方法在一個(gè)足夠大的面積范圍，或者不同的面積范圍(這些范圍形成足夠大的總面積)內(nèi)進(jìn)行，這樣可以得到一個(gè)有代表性的統(tǒng)計(jì)結(jié)論。測(cè)定求值可以通過(guò)手算或者借助適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)將測(cè)得的截面面積作為X軸，每個(gè)單位面積內(nèi)(例如mm2)的與各個(gè)截面面積對(duì)應(yīng)的Cr晶粒個(gè)數(shù)作為y軸(優(yōu)選以對(duì)數(shù)形式給出)描繪出的圖表，可以清楚地看出晶粒尺寸分布。晶粒尺寸分布具有位于截面面積為0.1 μ Hl2至50 μ Hl2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的最大值。以粉末冶金法制成的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有上述鑒于用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的、以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的方法的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)純粉末冶金制法實(shí)現(xiàn)了特別經(jīng)濟(jì)的制造。由于晶粒尺寸分布具有位于截面面積為0.1 μ m2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的最大值，因此Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有大量的細(xì)顆粒Cr晶粒。細(xì)顆粒Cr晶粒均勻地分布。以這種方式實(shí)現(xiàn)了非常好的抗磨損性。通過(guò)純粉末冶金制法實(shí)現(xiàn)了 Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，在燒結(jié)或者稍后進(jìn)行的熱處理過(guò)程中實(shí)行交替的溫度變化，Cu-Cr混合粉末或者說(shuō)Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的材料至少兩次交替地加熱到上溫度邊界值以上然后再次冷卻到下溫度邊界值以下，并且所有步驟在不能產(chǎn)生熔化液相的溫度下進(jìn)行。用粉末冶金工藝制造Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)是可行的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，Cr晶粒的晶粒尺寸分布具有位于截面面積為100 μ HI2至10000 μ HI2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第二最大值。因此存在雙峰的Cr相分布，其具有兩個(gè)最大值，第一最大值位于截面面積為0.1 μ Hi2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)，第二最大值位于截面面積為ΙΟΟμπι2至ΙΟΟΟΟμπι2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)。該晶粒尺寸分布是根據(jù)應(yīng)用粗顆粒Cr粉末(例如顆粒直徑在20 μ m至200 μ m之間)的純粉末冶金方法得到的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，對(duì)應(yīng)于第一最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)多于對(duì)應(yīng)于第二最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)，也就是說(shuō)，相對(duì)于具有對(duì)應(yīng)于第二最大值的晶粒尺寸的晶粒，具有對(duì)應(yīng)第一最大值的晶粒尺寸的晶粒更多。這種情況下，存在晶粒總數(shù)更多的截面面積為0.1 μ m2至50 μ m2的Cr晶粒。這能夠?qū)崿F(xiàn)特別有利的抗磨損性。當(dāng)對(duì)應(yīng)于第一最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)與對(duì)應(yīng)于第二最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)的比值> 5的時(shí)候，存在具有小的橫截面積的細(xì)顆粒Cr晶粒的特別有利的份額。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有> 90%的相對(duì)密度。這種情況下可靠地保證了良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能以及高的機(jī)械強(qiáng)度。這種高的相對(duì)密度通過(guò)在傳統(tǒng)的制造設(shè)備中應(yīng)用相對(duì)粗顆粒的Cr粉末和Cu粉末實(shí)現(xiàn)。這里的相對(duì)密度理解為實(shí)際達(dá)到的密度和對(duì)于組分理論上能夠達(dá)到的密度的比值。通過(guò)應(yīng)用粗顆粒的Cr粉末(顆粒直徑為20 μ m至200 μ m)和交替的溫度變化(至少兩次交替地加熱到一個(gè)上溫度邊界值以上再冷卻到下溫度邊界值以下)實(shí)現(xiàn)了高的密度和Cu晶格中的細(xì)顆粒Cr晶粒的高的份額。


下面根據(jù)實(shí)施例的參考附圖闡述本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案。圖1示出了以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的顆粒尺寸分布的原始狀態(tài)(實(shí)線)和實(shí)施了交替的溫度變化的狀態(tài)(虛線)。圖2示出了以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的在光學(xué)顯微鏡下的顯微照片。圖3示出了實(shí)施了交替的溫度變化之后的以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的在光學(xué)顯微鏡下的顯微照片。圖4示出了用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的粉末冶金方法的過(guò)程步驟示意圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖1至4闡述本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式的用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的粉末冶金制成方法。在第一步-S1-中，將最大顆粒直徑優(yōu)選為50 μ m的Cu粉末和最大顆粒直徑為200 μ m (優(yōu)選為至多160 μ m)而最細(xì)顆粒直徑為20 μ m (優(yōu)選為至少32 μ m)的Cr粉末混合成Cu-Cr混合粉末。例如，第一個(gè)Cu-Cr混合粉末含有25重量％的Cr含量和75重量％的Cu，第二個(gè)Cu-Cr混合粉末含有43重量％的Cr含量和57重量％的Cu。在第二步-S2-中，對(duì)Cu-Cr混合粉末進(jìn)行擠壓。優(yōu)選以壓力(400MPa至850MPa)的冷壓方式壓縮Cu-Cr混合粉末。在下一個(gè)步驟-S3-中，在遠(yuǎn)低于共晶點(diǎn)溫度(即遠(yuǎn)低于1075°C )的燒結(jié)工藝中對(duì)前一步驟中形成的毛坯進(jìn)行燒結(jié)。在步驟-S1-至-S3-中，在Cu-Cr混合粉末中即在經(jīng)過(guò)擠壓的雛形中沒(méi)有熔化液相生成。燒結(jié)過(guò)程可以在850°C至1070°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。此處溫度必須足夠高，這樣燒結(jié)過(guò)程可以以足夠高的速度進(jìn)行到足夠的程度，以保證在不可避免的溫度梯度中不會(huì)形成熔化液相。根據(jù)步驟-S3-以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的在光學(xué)顯微鏡下的顯微照片在圖2中示出。由圖2可以看出，在一個(gè)Cu晶格中有若干個(gè)具有不同晶粒尺寸的Cr晶粒。經(jīng)過(guò)對(duì)已知的例子的晶粒尺寸分布的詳細(xì)的分析得知，Cr晶粒的晶粒尺寸大體上對(duì)應(yīng)于原材料的Cr粉末的顆粒尺寸。這種方式制造的Cu-Cr材料的Cr晶粒的晶粒尺寸分布的計(jì)算結(jié)果在圖1中以實(shí)線標(biāo)出。首先測(cè)繪出Cu-Cr材料的顯微照片并且在顯微鏡下檢驗(yàn)并測(cè)量Cr晶粒的尺寸。其中對(duì)10個(gè)不同的Cu-Cr材料的范圍進(jìn)行分析，以獲得統(tǒng)計(jì)上有說(shuō)服力的分布。圖1中在橫軸以對(duì)數(shù)標(biāo)度給出了測(cè)得的Cr晶粒的截面面積(μ m2)。縱軸同樣以對(duì)數(shù)標(biāo)度給出了以Imm2為單位進(jìn)行規(guī)范化的晶粒個(gè)數(shù)。如圖1中所示，在這種方法中的Cu-Cr材料在晶粒尺寸為10 μ m2至25000 μ m2范圍內(nèi)具有單峰的晶粒尺寸分布。晶粒尺寸分布具有一個(gè)最大值，在晶粒尺寸在> 100 μ m2范圍內(nèi)。然后在熱處理過(guò)程中對(duì)Cu-Cr材料進(jìn)行交替地溫度變化，如下所述。其中將Cu-Cr材料交替地加熱到一個(gè)上溫度邊界值以上再冷卻到下溫度邊界值以下。這里的交替的加熱和冷卻進(jìn)行至少兩次。在該過(guò)程步驟中還應(yīng)該注意，不能形成熔化液相，也就是說(shuō)，始終保持Cu-Cr材料的溫度位于Cu-Cr系統(tǒng)的共晶點(diǎn)溫度(1075°C)以下。下面還將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)描述。在步驟-S4-中，將Cu-Cr材料加熱到上溫度邊界值以上。其中上溫度邊界值優(yōu)選相對(duì)靠近地低于Cu-Cr系統(tǒng)的共晶點(diǎn)溫度，由此Cu-Cr材料的溫度略低于共晶點(diǎn)溫度，但是還要保證離共晶點(diǎn)溫度足夠遠(yuǎn)，以可靠地避免生成液相。因此，上溫度邊界值優(yōu)選位于1025°C至1065°C之間的范圍內(nèi)。緊接著在步驟-S5-中，將Cu-Cr材料冷卻到下溫度邊界值以下。下溫度邊界值優(yōu)選位于比上溫度邊界值低至少50°C的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地位于比上溫度邊界值低至少100°C的范圍內(nèi)。下溫度邊界值優(yōu)選最多比上溫度邊界值低250°C，更優(yōu)選最多比上溫度邊界值低180°C。因此這樣選擇下溫度邊界值，在該點(diǎn)溫度的固溶體中Cr在Cu中的溶解度明顯低于在上溫度邊界值的溶解度。這樣選擇的理由還將詳細(xì)地闡述。例如可以將Cu-Cr材料冷卻至約850°C的范圍。此處建議，不要將下溫度邊界值選擇得過(guò)低，以保證在Cu-Cr材料中的擴(kuò)散過(guò)程可以進(jìn)行到足夠的程度。Cu-Cr材料分別在上溫度水平和下溫度水平保持一段時(shí)間。緊接著重復(fù)步驟-S4-，也就是說(shuō)，再次將Cu-Cr材料加熱到上溫度邊界值以上。然后重復(fù)步驟-S5-，也就是說(shuō)，再次將Cu-Cr材料冷卻到下溫度邊界值以下。步驟-S4-和-S5-重復(fù)η次，最少2次，優(yōu)選最少3次。已知通過(guò)2次至6次(2 < η < 6)的重復(fù)步驟-S4-和-S5-可以實(shí)現(xiàn)Cu-Cr材料的改善，而且進(jìn)行更多次的重復(fù)不會(huì)得到進(jìn)一步的改善。由此對(duì)Cu-Cr材料進(jìn)行周期退火。至少步驟-S4-和-S5-在保護(hù)氣體爐中以低壓和/或在真空爐中進(jìn)行，以避免不希望出現(xiàn)的氧氣導(dǎo)致的氧化反應(yīng)。然后制造過(guò)程就結(jié)束了。圖3示出了實(shí)施了所述交替的溫度變化的以粉末冶金法制成的Cu-Cr材料的在光學(xué)顯微鏡下的顯微照片。由圖3可知，實(shí)施了周期退火后，具有小的截面面積的Cr晶粒的份額與在實(shí)施周期退火之前(圖2)相比得到了提高。對(duì)于Cr晶粒的晶粒尺寸的準(zhǔn)確分析表明，形成了雙峰的晶粒尺寸分布，其具有兩個(gè)最大值。實(shí)施了交替的溫度變化后的晶粒尺寸分布在圖1中以虛線示出。晶粒尺寸分布以與上述圖1中的實(shí)線同樣的方式推導(dǎo)出。很明顯，在周期退火之后，雙峰的晶粒尺寸分布替代了之前的單峰的晶粒尺寸分布(實(shí)線)。晶粒尺寸分布具有位于截面面積為0.1 μ Hi2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第一最大值。此外晶粒尺寸分布具有位于截面面積為100 μ m2至10000 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第二最大值。對(duì)應(yīng)于第一個(gè)最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)多于對(duì)應(yīng)于第二個(gè)最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)。對(duì)應(yīng)于第一個(gè)最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)與對(duì)應(yīng)于第二個(gè)最大值的Cr晶粒的個(gè)數(shù)的比值> 5。此外，Cr晶粒在Cu晶格中分布得非常均勻。在顯微照片中測(cè)得的具有截面面積< 10 μ m2的Cr晶粒的份額非常高。通過(guò)交替的溫度變化的熱處理實(shí)現(xiàn)了在Cu晶格中的的Cr晶粒析出向高份額的極小細(xì)顆粒分布的變化。用所述的具有相對(duì)粗顆粒的顆粒尺寸的Cr粉末的原材料可以在用傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的純粉末冶金方法中制造出具有較低孔隙率的Cu-Cr材料，其同時(shí)具有較少量的雜質(zhì)。純粉末冶金方法適用于Cu-Cr材料。由于作為非常細(xì)顆粒分布的Cr晶粒，純粉末冶金方法制成的Cu-Cr材料具有高的抗磨損性、高的絕緣性和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的足夠的機(jī)械性能。在Cu晶格中作為細(xì)顆粒分布的Cr晶粒的生成在例如開(kāi)篇處所述的DE102006021772A1中的物質(zhì)狀態(tài)圖中可以這樣解釋:在高于略低于共晶點(diǎn)溫度的上溫度邊界值的范圍內(nèi)，在固溶體中可以有0.7原子％的Cr溶解于Cu晶格(熱力學(xué)平衡)。在將Cu-Cr材料冷卻到低于下溫度邊界值過(guò)程中將材料溫度控制到，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下在該溫度下的固溶體中只有份額非常少的Cr溶解于Cu晶格材料中。在冷卻過(guò)程中Cr從Cu晶格材料中析出并且該析出物以小晶粒的形式出現(xiàn)。在將溫度再次加熱到上溫度邊界值時(shí)，固溶體中的Cr溶解于Cr晶格材料。當(dāng)溫度再次降到下溫度邊界值之下，由于在固溶體中的較低的溶解度，Cr再次析出，這就導(dǎo)致了細(xì)顆粒的Cr晶粒。以這種方式形成了所述Cr晶粒的雙峰的晶粒尺寸分布。已知，對(duì)于理想的細(xì)顆粒的Cr晶粒的生成需要至少兩次超過(guò)上溫度邊界值和低于下溫度邊界值。但是當(dāng)周期退火的重復(fù)次數(shù)到達(dá)某一個(gè)數(shù)目時(shí)，再增加次數(shù)也沒(méi)有觀測(cè)到結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善。在周期退火中高溫和低溫之間的溫度轉(zhuǎn)換應(yīng)該選擇為足夠的慢，這樣保證Cr在冷卻過(guò)程中可靠地從Cu晶格中析出，另一方面又不能太慢，以避免由于晶粒的粗顆粒化而再次生成較大的Cr晶粒。本發(fā)明中也進(jìn)行了 Cr和Cu以其它比例混合的Cu-Cr混合粉末的試驗(yàn)，得到了可對(duì)照結(jié)果。Cr含量為70重量％并且Cu含量為30重量％的試驗(yàn)在細(xì)顆粒的Cr析出方面也得到了可對(duì)照的結(jié)果。雖然這里在Cu-Cr材料的燒結(jié)步驟_S3_之后進(jìn)行交替的溫度變化的熱處理，但是也可以，在燒結(jié)步驟中就進(jìn)行交替的溫度變化。這種情況下，對(duì)經(jīng)過(guò)擠壓的Cu-Cr毛坯在燒結(jié)過(guò)程中重復(fù)進(jìn)行步驟-S4-和-S5-。這種情況下省略了單獨(dú)的步驟-S3-，而燒結(jié)在步驟-S4-和-S5-中同時(shí)進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種用于真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的Cu-Cr材料的粉末冶金制造方法，所述方法具有以下步驟: (52)對(duì)由Cu粉末和Cr粉末形成的Cu-Cr混合粉末進(jìn)行擠壓， (53)將經(jīng)過(guò)擠壓的Cu-Cr混合粉末燒結(jié)成Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的材料， 其特征在于， 燒結(jié)和/或接下來(lái)的熱處理過(guò)程以交替的溫度變化進(jìn)行，在所述溫度變化過(guò)程中Cu-Cr混合粉末或者Cu-Cr材料至少兩次交替地加熱到一個(gè)上溫度邊界值以上(S4)再冷卻到下溫度邊界值以下(S5)，其中所有的步驟都在不會(huì)生成熔化液相的溫度下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述上溫度邊界值位于1065°C至1025°C范圍內(nèi)，而所述下溫度邊界值至少低于上溫度邊界值50°C，優(yōu)選至少低于上溫度邊界值100。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還具有以下步驟:(SI)將Cu粉末和Cr粉末混合成Cu-Cr混合粉末。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述Cu-Cr混合粉末中的Cu顆粒具有這樣的顆粒尺寸分布，所述顆粒尺寸分布具有< 80 μ m,優(yōu)選< 50 μ m的最大顆粒直徑。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述Cu-Cr混合粉末中的Cr顆粒具有這樣的顆粒尺寸分布，所述顆粒尺寸分布具有< 200 μ m,優(yōu)選< 160 μ m的最大顆粒直徑。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述Cu-Cr混合粉末中的Cr顆粒具有顆粒尺寸分布，所述顆粒尺寸分布具有> 20 μ m，優(yōu)選> 32 μ m的最小顆粒直徑。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述Cu-Cr混合粉末具有Cu含量為30重量％-80重量％，而Cr含量為70重量％_20重量％。
8.一種粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，特別應(yīng)用于真空開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有Cu含量為30重量％-80重量％，而Cr含量為70重量％_20重量％，其特征在于，所述Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有在Cu晶格內(nèi)的Cr晶粒，在顯微照片中測(cè)得的Cr晶粒的晶粒尺寸分布具有位于截面面積為0.1 μ m2至50 μ m2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第一最大值，所述開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)通過(guò)Cu粉末和Cr粉末的粉末冶金工藝制成，在所述過(guò)程中沒(méi)有熔化液相的生成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其特征在于，所述Cr晶粒的晶粒尺寸分布具有位于截面面積為IOOym2至IOOOOym2之間的晶粒尺寸范圍內(nèi)的第二最大值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其特征在于，所述第一最大值對(duì)應(yīng)的Cr晶粒個(gè)數(shù)多于所述第二最大值對(duì)應(yīng)的Cr晶粒個(gè)數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其特征在于，所述第一最大值對(duì)應(yīng)的Cr晶粒個(gè)數(shù)與所述第二最大值對(duì)應(yīng)的Cr晶粒個(gè)數(shù)的比值> 5。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11的任意一項(xiàng)所述的粉末冶金法制造的Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其特征在于，所述Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)具有> 90%的相對(duì)密度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，特別是真空開(kāi)關(guān)的Cu-Cr材料的粉末冶金的制造方法，該方法具有以下步驟(S2)對(duì)由Cu粉末和Cr粉末形成的Cu-Cr混合粉末進(jìn)行擠壓，(S3)將經(jīng)過(guò)擠壓的Cu-Cr混合粉末燒結(jié)成Cu-Cr開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的材料。燒結(jié)或接下來(lái)的熱處理過(guò)程以交替的溫度變化進(jìn)行，在該溫度變化過(guò)程中Cu-Cr混合粉末或者Cu-Cr材料至少兩次交替地加熱到一個(gè)上溫度邊界值以上(S4)再冷卻到下溫度邊界值以下(S5)。所有的步驟都在不能生成熔化液相的溫度下進(jìn)行。
文檔編號(hào)C22C27/06GK103201059SQ201180038423
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者克勞迪婭·科萬(wàn)達(dá), 弗蘭克·米勒 申請(qǐng)人:普蘭西電力技術(shù)股份公司