專利名稱：自蔓延熔鑄－電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于合金材料制備技術領域，特別是涉及一種采用自蔓延熔鑄-電渣重熔法制備CuCr合金觸頭材料的新工藝。
背景技術：
理想的觸頭材料必須具有以下電氣性能大的分斷電流能力、高的耐電壓強度、可靠的抗熔焊性能、高的導電率和導熱率、低的電弧燒損率以及低的截流值等。近年來隨著大功率真空高壓開關技術的發(fā)展，CuCr系列的合金觸頭材料以其眾多的優(yōu)越性能逐漸取代了傳統的W-Cu、Cu-Bi系列的合金觸頭材料，而廣泛的應用于中高壓大功率真空開關電路中，預計隨著其性能的不斷改善，其應用范圍會更加廣泛。據對西安、桂林、沈陽、鄭州、錦州等地的生產廠家和用戶的調查發(fā)現，銅鉻觸頭材料具有廣闊的市場，CuCr合金售價高達50-65萬元/t(而金屬Cu、Cr分別售價為1.7萬元和6萬元左右)，按原料價格算增值達15-20倍，據保守估算可形成近千億的產值。從Cu-Cr合金相圖看，CuCr合金屬于難混溶系列的合金，無法采用普通的熔煉方法制備CuCr合金。實際應用發(fā)現高壓觸頭材料的電氣性能取決于其微觀結構，而微觀結構又取決于其制備工藝。因此，世界各國都把開發(fā)CuCr合金的制備工藝和技術放在首位。例如，粉末燒結法制備的CuCr合金流程就是將一定比例的銅粉和鉻粉經充分混合均勻壓坯，然后燒結成形。粉末燒結法主要缺點是對粉末質量，尤其是鉻粉的質量要求很嚴。該工藝制備的產品質量相對較低，氧含量波動很大，可高達0.2％。熔滲法制備CuCr合金是將適量的銅粉與全部鉻粉充分混合后壓坯，在真空或還原性氣氛下先燒結成多孔的鉻骨架，燒結溫度控制在銅的熔點附近(1083℃)然后在真空下浸入熔融的銅中，使之在毛細力作用下，充分浸滲入預先燒結的鉻骨架中。熔滲法的缺點是生產效率低，鉻粒子相對比較粗大，且鉻含量要達到相當的比例。電弧熔煉法制取CuCr觸頭材料是將經等靜壓后真空燒結的CuCr合金錠作為自耗電極，在真空(或惰性氣體氣氛)中，將電極在直流電弧作用下迅速熔化，然后快速冷卻凝固形成鑄錠。但該方法需要成本較高、結構復雜的真空系統和直流電弧電源，生產成本較高，而且很多工藝參數需要進一步摸索和完善。前兩種工藝均存在著粉末冶金材料所固有的缺陷，即材料致密度差，合金中Cu、Cr兩相分布不易均勻、結合不夠緊密，真空自耗電弧熔煉法使性能有所提高，但設備要求高，更重要是我國沒有知識產權。近年來隨著技術的發(fā)展，又涌現出許多新的制備技術，如“電渣熔鑄生產銅鉻合金真空開關觸頭材料的方法(申請?zhí)?6114678.8，CN1186318A)”、“一種低氧低夾雜物銅鉻合金觸頭的生產方法(申請?zhí)?00310105130.3，CN1619000A)”，這兩種方法都是利用電渣冶金工藝的優(yōu)點，進而制備出CuCr合金觸頭材料。但是這兩種制備工藝所采用的自耗電極棒都是采用高純的金屬粉末制備而成的，生產成本很高，且制備工藝復雜，其中，前者自耗電極棒采用燒結工藝制備而成，后者采用真空感應爐熔煉制備而成，不但工藝復雜，而且生產成本很高。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其目的在于解決現有制備技術中對粉末質量要求很嚴、氧含量波動很大；生產成本較高，而且很多工藝參數不確定；材料致密度差，合金中Cu、Cr兩相分布不易均勻、結合不夠緊密等方面存在的問題。
本發(fā)明是通過以下技術方案來實現的一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，它包括有鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，其特征在于該方法由自蔓延熔鑄過程和電渣重熔過程兩個工藝步驟構成，首先的自蔓延熔鑄過程是以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金自耗電極棒；電渣重熔過程是將所得的銅鉻合金自耗電極棒放入電渣爐內，選用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO中的任意兩種或多種混合物組成的無機物渣系，其中CaF2為40％-70％，NaF2為20％-40％，Al2O3為20％-40％，CaO或MgO為20-30％；在重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃的條件下，銅鉻合金自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過熔融的渣池過程中，高溫熔體得到凈化，經過渣池后，高溫熔體進入到結晶器的凝固區(qū)，在強制水冷作用下，熔體從下向上進行定向凝固，冷卻后得到CuCr合金鑄錠。
在電渣重熔過程中的溶渣內加入銅鉻合金自耗電極棒總質量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑。
在電渣重熔過程中的溶渣內加入銅鉻合金自耗電極棒總質量0～2％的Co、Ni、Fe合金化元素。
在電渣重熔過程中的溶渣內加入Te、Bi、Ti、Er或Sb中的一種或多種，其加入量都相對于銅鉻合金自耗電極棒總質量Te為0.1％～4％、Bi為2.5％～15％、Ti為0～1％、Er為0～1％、Sb為2％～9％。
無機物渣系中還添加有Li2O或者CeO組分。
自蔓延熔鑄過程和電渣重熔過程兩個工藝步驟的整個工藝操作都是在大氣氣氛中進行，且兩步驟中均是在循環(huán)水強制冷卻條件下。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.自蔓延熔鑄制備CuCr自耗電極棒，是以CuO和Cr2O3、Al粉為原料，在空氣氣氛中以鋁熱還原反應模式發(fā)生，大大降低了原料成本，降低了能耗；2.由于最終的CuCr合金經過了電渣重熔過程，而且進行了脫氧處理，合金中非金屬夾雜、氣體雜質都得到了有效地去除，氧含量也得到了很好的控制；3.自蔓延熔鑄階段、電渣重熔階段的凝固過程，均是在循環(huán)水冷條件下的快速凝固，因此最終獲得銅鉻合金鑄錠成份均勻、致密度高，且避免了宏觀偏析；4.本發(fā)明不但可以制備大尺寸的銅鉻合金鑄錠，而且能制備CuCr20～CuCr50等系列的銅鉻合金，對于制備CuCr25等低鉻含量系列的銅鉻合金具有自身的技術優(yōu)勢。且所有的操作均是在大氣氣氛中進行的，操作簡單，對工藝條件要求低，為工業(yè)化生產奠定了基礎。
具體實施例方式
自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料新工藝由兩個關鍵步驟構成，即自蔓延熔鑄、電渣重熔。自蔓延熔鑄工藝采用專利“鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，申請?zhí)?00510047309.7，公開號CN 1743477”，所公開的方法，獲得自耗電極棒。在電渣重熔過程還可以加入占自耗電極總質量0～2％左右的Ni、Co、Fe等合金化元素；為了降低CuCr合金觸頭材料中的氧含量可以加入自耗電極總質量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑進行脫氧；重熔過程中還可以加入Te(0.1％～4％)、Bi(2.5％～15％)、Ti(0～1％)、Er(0～1％)、Sb(2％～9％)等第三組元。
用本方法生產CuCr合金觸頭材料，首先要經過自蔓延熔鑄工藝獲得自耗電極棒，具體操作方法采用專利“鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，申請?zhí)?00510047309.7，公開號CN 1743477”，所公開的工藝。即以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原工藝得到CuCr合金電極棒。
本方法生產CuCr合金觸頭材料，另一個關鍵工藝階段是電渣重熔過程。將自蔓延熔鑄階段得到的CuCr合金電極棒進行電渣重熔得到CuCr合金鑄錠，重熔過程采用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO任意兩種或多種的混合物組成的無機物渣系。具體實施步驟為將CuCr自耗電極棒放入電渣爐內，在電阻熱的作用下，自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過熔融的渣池過程中，其中，非金屬夾雜物被熔融的熔渣吸收，氣體雜質也被除去，高溫熔體得到凈化。經過渣池后，高溫熔體進入到結晶器的凝固區(qū)，在強制水冷作用下，熔體從下向上進行定向凝固，冷卻得到CuCr合金鑄錠。重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃。
由于自蔓延熔鑄得到的CuCr自耗電極棒要經過電渣重熔階段，為了控制CuCr中的氧含量，重熔過程要加入0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣進行脫氧；為了提高CuCr合金中Cu、Cr元素的合金化程度，重熔過程中可以加入0～1％的Co、Ni、Fe等合金化元素；為了改善CuCr合金的綜合電性能，重熔過程中還可以加入Te(0.1％～4％)、Bi(2.5％～15％)、Ti(0～1％)、Er(0～1％)、Sb(2％～9％)等第三組元，其加入量都應該控制在一個合理的范圍之內。
實施例1
取CuO、Cr2O3以及Al粉按質量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶114∶160的比例配料，即保證Al粉過量50％，同時按相對于反應物(CuO、Cr2O3和Al粉)總質量的百分比在原料中加入5％的CaF2，均勻混合反應物，然后把反應混合物放入反應爐內，在反應物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應。同時開啟電磁攪拌裝置，在電磁場攪拌作用下，進行金渣分離過程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預熱溫度為600℃。攪拌7min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，得到銅鉻合金的自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內，熔渣采用CaF2、NaF的混合物，CaF2∶NaF＝60∶40，同時加入0.5％的碳進行脫氧，操作電流為1650A，電壓40V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的CuCr合金混合液通過渣池進入結晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr50的銅鉻合金觸頭材料。
實施例2取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶110∶150的比例配料，即保證Al粉過量40％左右，同時在原料中加入2％的NaF，均勻混合反應物，然后把反應混合物放入反應爐內，在反應物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應。同時開啟電磁攪拌裝置，在電磁場攪拌作用下，進行金渣分離過程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預熱溫度為680℃。繼續(xù)進行電磁攪拌，同時進行循環(huán)水冷，攪拌9min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金的自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內，熔渣采用CaF2、Al2O3的混合物，CaF2∶Al2O3＝70∶30，同時加入1.5％的碳化鈣進行脫氧，同時按相對于自耗電極棒質量的1％加入合金化元素Ni，操作電流為1850A，電壓35V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過渣池進入結晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr19Ni1的銅鉻合金觸頭材料。
實施例3取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶110∶150的比例配料，即保證Al粉40％過量，同時在原料中加入3％的CaO，均勻混合反應物，然后把反應混合物放入反應爐內，在反應物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應。同時開啟電磁攪拌裝置，在電磁場攪拌作用下，進行金渣分離過程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預熱溫度為700℃。繼續(xù)進行電磁攪拌，同時進行循環(huán)水冷，攪拌6min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內，熔渣采用CaF2、Al2O3、CeO的混合物，CaF2∶Al2O3∶CeO＝50∶25∶25，同時加入2％的硼化鈣進行脫氧，同時按相對于自耗電極棒質量的1％加入合金化元素Bi，操作電流為2000A，電壓30V，操作溫度1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過渣池進入結晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr49Bi1的銅鉻合金觸頭材料。
實施例4取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶60∶120的比例配料，即保證Al粉20％過量，同時在原料中加入3％的CaO，均勻混合反應物，然后把反應混合物放入反應爐內，在反應物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應。同時開啟電磁攪拌裝置，在電磁場攪拌作用下，進行金渣分離過程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預熱溫度為700℃。繼續(xù)進行電磁攪拌，同時進行循環(huán)水冷，攪拌6min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內，熔渣采用CaF2、Al2O3、Li2O的混合物，CaF2∶Al2O3∶Li2O＝45∶50∶5，同時加入2.5％的碳進行脫氧，操作電流為2000A，電壓30V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過渣池進入結晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr25的銅鉻合金觸頭材料。
權利要求
1.一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，它包括有鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，其特征在于該方法由自蔓延熔鑄過程和電渣重熔過程兩個工藝步驟構成，首先的自蔓延熔鑄過程是以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金自耗電極棒；電渣重熔過程是將所得的銅鉻合金自耗電極棒放入電渣爐內，選用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO中的任意兩種或多種混合物組成的無機物渣系，其中CaF2為40％-70％，NaF2為20％-40％，Al2O3為20％-40％，CaO或MgO為20-30％；在重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃的條件下，銅鉻合金自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過熔融的渣池過程中，高溫熔體得到凈化，經過渣池后，高溫熔體進入到結晶器的凝固區(qū)，在強制水冷作用下，熔體從下向上進行定向凝固，冷卻后得到CuCr合金鑄錠。
2.根據權利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過程中的溶渣內加入銅鉻合金自耗電極棒總質量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑。
3.根據權利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過程中的溶渣內加入銅鉻合金自耗電極棒總質量0～2％的Co、Ni、Fe合金化元素。
4.根據權利要求1、2或3所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過程中的溶渣內加入Te、Bi、Ti、Er或Sb中的一種或多種，其加入量都相對于銅鉻合金自耗電極棒總質量Te為0.1％～4％、Bi為2.5％～15％、Ti為0～1％、Er為0～1％、Sb為2％～9％。
5.根據權利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于無機物渣系中還可以添加0-15％的Li2O或者0-25％CeO組分。
6.根據權利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于自蔓延熔鑄過程和電渣重熔過程兩個工藝步驟的整個工藝操作都是在大氣氣氛中進行，且兩步驟中均是在循環(huán)水強制冷卻條件下。
全文摘要
本發(fā)明自蔓延熔鑄－電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，屬于合金材料制備技術領域。以CuO、Cr
文檔編號H01H1/021GK101067170SQ20071001161
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權日2007年6月8日
發(fā)明者張廷安, 豆志河, 牛麗萍, 趙秋月, 赫冀成, 蔣孝麗 申請人:東北大學