CN101787453A - 一种真空断路开关触头材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空断路开关触头材料的制备方法及其所用的水冷模设备。该方法是先将铜及铬在真空感应炉中熔化成合金液相，然后浇铸成铸坯。具体工艺参数是：真空度小于1×10^-1Pa，根据铬含量的比例，加热到1600～1950℃范围，待铬完全熔化后，搅拌精炼20min，然后将合金熔液注入一个在四周通水冷却的水冷模设备中，控制浇铸温度保持在1600～1800℃。用该方法制备的触头材料组织致密，晶粒细小，导电性能提高，气体含量降低，锭坯尺寸大，成品率高，同时所用的生产设备较为普遍，生产成本低，更易于实现批量生产。

Description

一种真空断路开关触头材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能大尺寸铜铬合金触头材料的制备方法，更具体地说是涉及一种大功率真空断路开关触头材料的制备方法。

背景技术

触头是真空熔断器的核心部件，铜铬合金是目前真空熔断器制造中最常用的触头材料，目前，国际上CuCr合金主要有三种制备方法：(1)粉末冶金法，将主要成分的Cr粉和一定比例的Cu粉均匀混合，经冷压和热压烧结成形，制备成块体触头材料；(2)熔渗法，将适量的的Cu粉和全部Cr粉制成预制骨架，然后利用重力在真空下向骨架中熔渗Cu；(3)自耗电极法，将一定比例的Cu粉和Cr粉压制成自耗电极棒坯，然后制备具有快速凝固组织的触头材料。前两种方法由于受原材料中尺寸较大的Cr颗粒的限制，难以获得高质量的触头材料，同时成品率较低，而自耗电极法制备工艺复杂，成本高。

真空熔铸法是近年来研制的一种铜铬合金触头材料制造方法，该方法是先将铜和铬在高温下熔炼成合金化液相，然后注入铸模快速结晶固化成铸锭，其缺点是工艺难于掌握，尤其是冷却速度的控制。在实际生产中，如果冷却速度过快，材料容易形成缩孔，而在冷速较低时，则出现铜和铬的比重偏析和粗大的铬枝晶。上述缺点都会对触头材料的组织产生影响从而降低真空断路器使用的可靠性。

尽管开发了很多生产方法，但是铜铬合金触头生产目前还存在一些主要问题：(1)产品难以实现致密化(主要针对粉末冶金法和熔渗法)；(2)材料中的气体含量过高；(3)合金组织中Cr粒子的细化问题；(4)高效优质的新工艺技术路线；(5)大尺寸锭坯制备技术。

发明内容

本发明的目的是针对铜铬合金触头材料生产中存在的不足提供一种真空开关用铜铬合金触头大尺寸铸坯的制备方法，实现大尺寸铜铬合金触头材料的制备，达到改善铜铬合金触头组织和性能的目的。用该方法制备的触头材料组织致密，晶粒细小，气体含量低，锭坯尺寸大，成品率高，产品性能优良，同时所用的生产设备较为普遍，生产成本低，更易于实现批量生产。

本发明的技术方案

一种真空断路开关触头材料的制备方法，包括如下的制备步骤：

(1)、真空感应炉熔化

将占铜铬总量的10～45％铬及铜在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1600～1900℃，将铬及铜熔化成铬及铜合金液，继续搅拌精炼20min；

(2)、浇铸

将合金熔液注入一个在四周通水冷却的水冷模设备的模具腔体中，控制浇铸温度保持在1650～1800℃，浇铸成铸坯，铸坯可直接机械加工到真空开关触头材料尺寸。

上述一种真空断路开关触头材料的制备方法中所用的水冷模设备的结构，如附图1所示。

所述的水冷模设备包括模具腔体1、冷却模外壳2，模具腔体1至于冷却模外壳2内，冷却模外壳2有进水口3和出水口4，进水口3的位置位于冷却模外壳2下部，出水口4的位置位于冷却模外壳2上部。

使用时浇铸的合金液注入模具腔体1内，冷却水从进水口3进入，从出水口4流出，保证在模具腔体1与冷却模外壳2中间始终充盈冷却水，控制模具腔体1达到恒温。

本发明的有益效果

本发明的一种真空断路开关触头材料的制备方法中，采用了高真空熔炼和浇铸，合金中的气体含量很低，导电性能提高；由于过程中水冷模加速冷却，冷却速度提高，就使得高温时液态合金均匀混合的状态保持到固态，Cr颗粒更细小，分布更均匀，而且与单边水冷模相比，制备的样品尺寸更大，性能更好。真空感应炉是普遍应用的熔炼设备，工艺控制简单，生产成本低，适用于大批量的工业生产。由于能一次性生产大尺寸铸坯，使得生产效率提高。

附图说明

图1、水冷模设备的结构图

图2、真空熔铸法制备的铜铬合金材料典型金相照片(x100)

图3、粉末冶金法制备的铜铬合金材料金相照片(x100)

图4、熔渗法制备的铜铬合金材料金相照片(x100)

具体实施方式

以下结合具体实施例的试验结果及附图对本发明作进一步的详细说明，但并不限制本发明。

实施例1

按照25％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1850℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1750℃，制备出CuCr25触头材料，材料的物理及机械性能见表1。

表1CuCr25合金材料的物理及机械性能

为便于比较，表2还列出了国产CuCr50和美国西屋公司生产CuCr25材料的性能。

表2国产及进口铜铬合金材料的物理及机械性能

从表1和表2对比可知，用本发明制备的CuCr25材料电导率比普通的CuCr25材料提高了30％以上，比CuCr50材料提高了一倍多；气体含量也比普通CuCr25材料低的多，尤其是氧含量；从材料密度上看，本发明制备的材料致密性很好，这对提高材料使用性能很重要。

图2为本发明的制备方法所获得的CuCr25的材料金相组织照片，作为对比，图3、4显示出普通粉末冶金法和熔渗法制备的铜铬合金的金相组织照片。从图2、图3及图4中可以看出本发明制备的铜铬合金中Cr颗粒分布均匀，这说明本发明解决了铜铬合金的凝固偏析问题；合金中Cr颗粒尺寸细小，远小于粉末冶金和熔渗法生产的合金材料。且从金相组织测量出，采用本发明制备的铜铬合金触头材料中铬颗粒大小在6～15μm，即使用全返还废料生产的合金晶粒尺寸也在40微米以下。而采用真空熔渗法生产的CuCr合金Cr粒子尺寸约为70～150μm。

实施例2

按照20％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1800℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1700℃，制备出CuCr20触头材料，材料的物理及机械性能见表3。

表3CuCr20合金材料的物理及机械性能

实施例3

按照30％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1900℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1750℃，制备出CuCr30触头材料，材料的物理及机械性能见表4。

表4CuCr30合金材料的物理及机械性能

实施例4

按照40％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1950℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1800℃，制备出CuCr40触头材料，材料的物理及机械性能见表5。

表5CuCr40合金材料的物理及机械性能

实施例5

按照45％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1950℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1800℃，制备出CuCr45触头材料，材料的物理及机械性能见表6。

表6CuCr45合金材料的物理及机械性能

实施例6

按照10％的铬配料，在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1600℃精炼20分钟，浇铸温度控制在1600℃，制备出CuCr10触头材料，材料的物理及机械性能见表7。

表7CuCr10合金材料的物理及机械性能

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种真空断路开关触头材料的制备方法，其特征在于包括如下的制备步骤：

(1)、真空感应炉熔化

将铬及铜在真空感应炉中，控制感应炉内真空度小于1×10^-1Pa，加热到1600～1900℃，将铬及铜熔化成铬及铜合金液，继续搅拌精炼20min；

(2)、浇铸

将合金熔液注入一个在四周通水冷却的水冷模设备的模具腔体中，控制浇铸温度保持在1650～1800℃，浇铸成铸坯，铸坯可直接机械加工到真空开关触头材料尺寸。

2.如权利要求1所述的一种真空断路开关触头材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述铬的含量占铜铬总量的10～45％。

3.如权利要求1所述的一种真空断路开关触头材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中所得的铜铬合金触头材料中铬颗粒大小在6～15μm。

4.如权利要求1所述的一种真空断路开关触头材料的制备方法中所用的水冷模设备，包括模具腔体(1)，其特征在于还包括冷却模外壳(2)，模具腔体(1)至于冷却模外壳(2)内，冷却模外壳(2)有进水口(3)和出水口(4)，进水口(3)的位置位于冷却模外壳(2)下部，出水口(4)的位置位于冷却模外壳(2)上部。

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