CN102938337B - 一种梯度触头材料的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度触头材料的生产工艺，在真空室内，用感应加热器和石墨辅助加热器组成快速区域熔炼，对冷压成型的CuCr合金棒形压坯进行快速区域熔炼，熔化后的CuCr合金液滴落至旋转的基底板上凝固，形成梯度触头材料，最后再机械加工到要求的尺寸和形状。该方法生产的梯度触头材料中，CuCr合金的组织致密、QCr0.5/CuCr界面结合强度高、材料的力学性能好，与传统的整体CuCr合金触头材料相比可节省20%～50%的Cr金属，因此，产品的成本大大降低，市场竞争优势明显。还可对CuCr合金实现Cr含量的连续变化。

Description

一种梯度触头材料的生产工艺
技术领域
本发明属材料科学与工程技术领域，具体涉及一种触头材料的生产工艺，特别是一种梯度触头材料的生产工艺。
背景技术
触头是真空断路器的核心部件，触头材料性能是决定真空断路器性能的最关键因素。CuCr合金是目前被广泛应用的，在世界上占主导地位的真空断路器触头材料，这种触头材料性能优良，市场需求巨大。但是，由于Cu、Cr两种组元密度、熔点等物理性质相差较大，因此难以用常规铸造工艺进行生产。目前，国内外生产CuCr合金材料的方法主要有混粉烧结法、熔渗法、自耗电极法、表面激光熔凝法以及熔融法。混粉烧结法、熔渗法、自耗电极法和表面激光熔凝法都是以粉末冶金为基础。而熔融法则以Cu块和Cr块为原料，通过真空熔炼的方式生产CuCr合金，上述各种方法都有各其优缺点缺点。CuCr合金中Cr熔点比Cu高，主要起提高CuCr合金的抗电弧烧蚀能力。目前的触头均为整体式，即触头材料全部为CuCr合金。以CuCr50为例，其中Cr含量占到50%，因此Cr粉或Cr的价格决定着CuCr触头的价格。因此，采用新的技术，使触头由含铬量高的、具有一定厚度的CuCr50或CuCr25的表层和含Cr量较少的基底板双层结构，这样在不影响使用的情况下可大大降低触头中Cr的整体含量，降低原料成本。
而上述各种方法都难以达到本发明所需要的工艺技术要求。
发明内容
为了降低CuCr触头中Cr的整体含量，从而降低原料成本，本发明的目的在于，提供一种梯度触头材料的生产工艺。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案予以实现：
一种梯度触头材料的生产工艺，其特征在于，在真空室内，用感应加热器和石墨辅助加热器组成快速区域熔炼，对冷压成型的CuCr合金棒形压坯进行快速区域熔炼，感应加热器的高频感应频率范围为10MHz～16MHz；将CuCr合金棒形压坯与坯料夹持机构相连，坯料夹持机构在垂直方向上在真空室内保持一定的速度自上而下运动，运动速度与CuCr合金棒形压坯的材料组成和加热的功率相匹配，基底板与旋转平台相连并保持水平，并以80～120r/min速度旋转，熔化后的CuCr合金液滴落至旋转的基底板上凝固，形成梯度触头材料，最后再机械加工到要求的尺寸和形状。
采用本发明的梯度触头材料的生产工艺，先把一定粒度的Cu粉和Cr粉按照CuCr合金的成分进行配料、混粉、冷压成型。感应加热器的加热温度控制在Cu熔点+（15-20）℃范围内。与现有技术相比，具有以下优点：
1）CuCr合金的组织致密，Cr相分布均匀，合金中Cr枝晶细小，Cu、Cr两相界面结合良好，两相中组元的互熔度高，组织致密，相对密度为100%。
2）界面结合强度高，触头材料的整体力学性能好。
3）通过调整Cr粉的加入量，可对CuCr合金中实现Cr含量任意调整，整体CuCr合金触头材料相比可节省20%～50%的Cr金属，因此，产品的成本大大降低，市场竞争优势明显。
附图说明
图1是本发明一种梯度触头材料的生产工艺装置原理示意图。
图中的标记分别表示：1.真空室，2.坯料夹持机构，3.CuCr合金压坯，4.石墨辅助加热器，5.感应加热器，6.基底板，7.旋转平台。
图2是实施例给出的QCr0.5/CuCr梯度触头材料的生产工艺流程示意图。
以下附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
参见图1，申请人在吸取传统自耗电极法、熔融法和区熔+快速凝固法等工艺优点的基础上，在真空室内（真空条件下），利用感应加热对冷压成型的CuCr金属基复合材料的压坯进行快速区域熔炼，熔化后的CuCr合金液滴落至旋转的基底板上快速凝固，形成梯度触头材料。
实施例1：QCr0.5/CuCr50梯度触头材料制备
本实施例制备QCr0.5/CuCr50梯度触头材料的具体生产操作过程如下：
参见图2，为了制备QCr0.5/CuCr50梯度触头材料，先按一定规格要求进行配料，组分为基体材料铜粉（粒度50-60μm，质量百分数为含量45%）、细石墨粉（粒度小于20μm，质量百分数含量为5%）和Cr粉（粒度50-80μm，质量百分数为含量50%），再添加保护剂丙酮，然后在球磨机中进行球磨混粉，通过控制高能球磨的球料比、球磨时间来控制石墨的粒度，并使石墨粒子细化（粒度小于0.8μm）并与铜粉、Cr粉混和均匀，在室温下压制成CuCr50压坯，CuCr50压坯的原始密度控制在相对密度大于92%，并烘干。
将CuCr50压坯在真空度1×10-2～5×10-3Pa条件下进行快速区域熔炼，并控制熔区高度为4-5mm，高频感应频率为10～12MHz，CuCr50压坯的运动速度为1.5-2.0mm/s,运动方向为自上而下。CuCr50压坯的加热温度控制在1083℃+（15-20）℃的温度范围内。熔化后的CuCr50合金液滴连续滴落在水平旋转的QCr0.5板上，液滴在离心力作用下沿QCr0.5板快速平铺成薄膜再快速凝固，最终形成QCr0.5/CuCr50梯度触头材料，最后再将其机械加工到要求的尺寸和形状。
注意，QCr0.5板在使用前须进行表面酸洗并烘干处理，以便去除表面脏污。
实施例2：Cu/CuCr25梯度触头材料的制备
本实施例制备Cu/CuCr25梯度触头材料的具体生产操作过程如下：
本实施例的工艺流程如图2所示，为了制备Cu/CuCr25梯度触头材料，先按一定规格要求进行配料，组分为基体材料铜粉（粒度50-60μm，质量百分数含量为70%）、细石墨粉（粒度小于20μm，质量百分数含量为5%）和Cr粉（粒度50-80μm，质量百分数含量为25%），再添加保护剂丙酮，然后在球磨机中进行球磨混粉，通过控制高能球磨的球料比、球磨时间来控制石墨的粒度，并使石墨粒子细化（粒度小于0.6μm）并与铜粉、Cr粉混和均匀，在室温下压制成CuCr25压坯，CuCr25压坯的原始密度控制在相对密度大于92%，并烘干。
将CuCr25压坯在真空度1×10-2～5×10-3Pa条件下进行快速区域熔炼，并控制熔区高度为5mm，高频感应频率为10～12MHz，CuCr25压坯的运动速度为1.5-2.0mm/s,运动方向为自上而下。CuCr25压坯的加热温度控制在1083℃+（15-20）℃的温度范围内。熔化后的CuCr25合金液滴连续滴落在水平旋转的Cu板上，液滴在离心力作用下沿Cu板快速平铺成薄膜再快速凝固，最终形成Cu/CuCr25梯度触头材料，最后再将其机械加工到要求的尺寸和形状。
注意，Cu板在使用前须进行表面酸洗并烘干处理，以便去除表面脏污。
在上述实施例的基础上，还可以做如下改进：
CuCr合金的配比可以进行改变，如CuCr20或CuCr30，可以通过配料来实现。

Claims (4)

1.一种梯度触头材料的生产工艺，其特征在于，所述的梯度触头材料为QCr0.5/CuCr梯度触头材料，其中QCr0.5为基底板(6)材料，CuCr合金的厚度为2～3mm，在真空室(1)内，用感应加热器(5)和石墨辅助加热器(4)组成快速区域熔炼，对冷压成型的CuCr合金棒形压坯(3)进行快速区域熔炼，感应加热器(5)的高频感应频率范围为10MHz～12MHz；将CuCr合金棒形压坯(3)与坯料夹持机构(2)相连，坯料夹持机构(2)在垂直方向上在真空室(1)内保持一定的速度自上而下运动，运动速度与CuCr合金棒形压坯(3)的材料组成和加热的功率相匹配，基底板(6)与旋转平台(7)相连并保持水平，并以80～120r/min速度旋转，熔化后的CuCr合金液滴落至旋转的基底板(6)上凝固，形成梯度触头材料，最后再机械加工到要求的尺寸和形状。
2.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述的真空室(1)内的真空度应保持在真空度1×10-2～5×10-3Pa；感应加热器(5)和石墨辅助加热器(4)的高度相等，高度为4-5mm，高频感应线圈保持水冷；CuCr合金棒形压坯(3)在真空室内的运动应保持平稳、不震动。
3.如权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，在快速区域熔炼过程中，加热温度控制在CuCr压坯基体材料熔点+(15-20)℃的温度范围内。
4.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述的CuCr合金棒形压坯(3)的相对密度应大于92％。
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