CN103352137A - 用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CuCrZrTi合金及其制备方法，目的是提供一种具有高强度、高导电率、能替代CuCo2Be的新的铜合金材料及其制备方法。合金由以下金属按重量百分比组成：0.5～1.2%的Cr、0.03～0.3%的Zr、0～0.1%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质；原料经真空熔炼、合金化、浇铸成铸锭、热挤压、冷加工和中间退火、真空时效热处理后，再机加工即得产品。本发明制备的铜合金具有极好的电性能和力学性能、且无磁性、耐低温、冲击无火花，能取代CuCo2Be材料，解决了有毒元素Be在制造和电场运行过程中的环境问题，且本发明制备的铜合金具备更好的电性能，使弹簧触头的商业化应用和推广更具竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属合金材料及其制备方法，具体涉及一种CuCrZrTi合金及其制备方法。
背景技术
近年来，结构简单、性能可靠的弹簧触头在电力开关中的应用越来越广泛，弹簧触头不仅可以简化电力开关的电接触设计，还可以提高电接触的可靠性，因此，其在相关行业得到了广泛的关注与推广应用。
作为弹簧触头的核心-铜合金材料的选择，关系到电力开关和电站的稳定性和可靠性，是弹簧触头设计和生产中最关键的环节。CuCo2Be合金因其具有很高的强度、弹性和适中的电导率，已经作为电力开关弹簧触头的选材进行了商业化应用和推广。但是由于Be元素有毒：每一立方米的空气中仅需一毫克的铍粉，就会使人染上急性肺炎-铍肺病，这使得熔炼过程和电站运行过程中要对金属Be金属进行仔细处理，以防止其污染到环境，损害操作人员的健康。在中国越来越重视环保的社会大背景下，CuCo2Be材料的商业化应用和推广受到了的限制，一种能替代CuCo2Be的新型铜合金材料对于弹簧触头的应用推广就显得非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有高强度、高导电率、能替代CuCo2Be的新的铜合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于电力开关弹簧触头的新型高强高导铜合金由以下金属按重量百分比组成：0.5～1.2%的Cr、0.03～0.3%的Zr、0～0.1%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
也就是说本发明制备的铜合金含有0.5～1.2wt%的Cr、0.03～0.3wt%的Zr、0～0.1wt%的Ti，剩下的为Cu和由于加入原料本身所含有的微量杂质，如P、S、O等。
进一步优选的，所述的铜合金由以下金属按重量百分比组成：0.8～1.0%的Cr、0.05～0.2%的Zr、0.05～0.1%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
更进一步优选的，所述的铜合金由以下金属按重量百分比组成：0.9%的Cr、0.1%的Zr、0.08%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法包括步骤：
a.真空熔炼：将计算量的Cu-CATH-1和Cu-Cr中间合金加入真空感应炉中于1300～1400℃温度下熔炼10～15min；
b.合金化：依次将计算量的Cu-P中间合金、Zr、Cu-Ti中间合金加入真空感应炉中混合；
c.浇铸：于1250～1300℃温度下将合金化后的铜合金熔体浇铸于钢模内，冷却凝固形成铸锭；
d.热挤压：将铸锭于850～900℃温度下加热，然后热挤压成棒材；
e.冷加工和中间退火：将所述的棒材进行冷轧、冷拉拔以及中间退火，每次中间退火的冷却方式为水冷；
f.时效热处理：真空时效强化热处理机加工即得产品。
Cu-CATH-1即符合GB/T13585-92《高纯阴极铜》规定的高纯阴极铜，Cu-P中间合金为含P的铜合金，P可以与O生成氧化物，浮于合金熔融体表面，也就将合金熔融体内部和残余气体中的O去掉，避免氧化亚铜的产生，也避免了制备的铜合金材料发生“氢脆”现象。
进一步的，所述的步骤b中加入Cu-P中间合金后，先对铜熔体进行预脱氧，再依次加入Zr、Cu-Ti中间合金。即将Cu-P中间合金加入后待其熔融与系统中的O发生反应，合金熔融体表面产生一层渣，将这层渣去除掉后，再依次加入其他两种金属。
进一步的，所述的各原料金属的容器为尖晶石陶瓷坩埚。即将所有的原料放入尖晶石陶瓷坩埚中再放入真空感应炉中。尖晶石陶瓷坩埚是以高纯熔融氧化镁和氧化铝为原料做成的陶瓷质坩埚，在1400℃以上的高温下可以连续工作240小时以上，其价格也适中。
进一步的，所述的步骤c中的钢模在使用前先于800～850℃温度下预热10～15min，钢模内壁涂上一层耐高温铸造涂料。钢模预热可以防止铸模液倒入钢模时钢模由于受热不均而发生形变，此外，在钢模内壁涂上一层耐高温铸造涂料可以提高钢模的耐热性能，耐高温铸造涂料即是铸造模具涂料，通常其主要成分为AL2O3或SiO2。
进一步优选的，所述的Cu-P中间合金的质量为合金总质量的0.3%～0.4%，Cu-P中间合金中P的含量为Cu-P中间合金质量的15%。即Cu-P中间合金的质量为加入的金属单质以及中间合金的总质量的0.3%～0.4%。
进一步的，所述的真空时效强化热处理的工艺参数：加热温度450～500℃，处理时间为3～5h。
进一步优选的，所述的真空感应炉的真空度不大于10.0Pa。
上述技术方案中各组分的用量是参与反应的最佳原料比例，但是本领域技术人员可以根据本发明的教导进行等同的变化。例如：因为工业生产本身的误差导致的参数变化与本发明的技术方案等同、在本发明的配方基础上复配其它辅助用剂与本发明的技术方案等同。
本发明制备的CuCrZrTi合金材料具备极好的电性能和力学性能，并且无磁性、耐低温、冲击无火花、是能够取代CuCo2Be材料成为电力开关弹簧触头推广使用的新型铜合金材料。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，特提供下面优选的实施例，但本发明的技术思想并不限于以下实施例。
实施例一
将钢模放入电阻炉内于800℃恒温烘15min后，放入真空熔炼炉内。称取Cu-CATH-1块11.456kg、Cr质量分数为30%Cu-Cr中间合金块0.36kg放入尖晶石陶瓷坩埚中于1350℃温度下混合熔融，将称取的0.04kg Cu-P中间合金，将合金熔融体内部的氧去除，依次将0.024kg海绵Zr和0.16kg Ti质量分数为5%的Cu-Ti中间合金依次放入合金加料斗内加入真空熔炼炉中，真空熔炼炉抽真空至3.0Pa，温度升为1350℃保温14min。1250℃浇铸到钢模中，冷却至室温后即制得CuCrZrTi合金材料。然后在860℃对制得的合金材料进行热挤压，挤压成棒材，再经过冷加工和水冷式中间退火，将退火后的棒材加热至450℃，进行4h的真空时效热处理，然后制备成需要的尺寸，即得产品。
实施例二
将钢模放入电阻炉内于820℃恒温烘13min后，放入真空熔炼炉内。称取Cu-CATH-1块11.464kg，Cr质量分数为30%的Cu-Cr中间合金块0.33kg放入尖晶石陶瓷坩埚中于1380℃温度下混合熔融，将称取的0.04kg Cu-P中间合金，将合金熔融体内部的氧去除，依次将0.0216kg海绵Zr和0.144kgTi质量分数为5%的Cu-Ti中间合金放入合金加料斗内加入真空熔炼炉中，真空熔炼炉抽真空至6.3Pa，温度升为1380℃保温14min。1260℃浇铸到钢模中，冷却至室温后即制得CuCrZrTi合金材料。然后在850℃对制得的合金材料进行热挤压，挤压成棒材，再经过冷加工和水冷式中间退火，将退火后的棒材加热至500℃，进行5h的真空时效热处理，然后制备成需要的尺寸，即得产品。
实施例三
将钢模放入电阻炉内于850℃恒温烘12min后，在钢模内壁上仔细涂上一层耐高温铸造涂料，放入真空熔炼炉内。称取Cu-CATH-1块11.517kg、Cr质量分数为30%Cu-Cr中间合金块0.345kg放入尖晶石陶瓷坩埚中于1400℃温度下混合熔融，将称取的0.04kg Cu-P中间合金，将合金熔融体内部的氧去除，依次将0.018kg海绵Zr和0.08kg Ti质量分数为5%的Cu-Ti中间合金放入合金加料斗内加入真空熔炼炉中，真空熔炼炉抽真空至6.3Pa，当温度升为1400℃保温10min。1300℃浇铸到钢模中，冷却至室温后即制得CuCrZrTi合金材料。然后在880℃对制得的合金材料进行热挤压，挤压成棒材，再经过冷加工和水冷式中间退火，将退火后的棒材加热至450℃，进行3h的真空时效热处理，然后制备成需要的尺寸，即得产品。
实施例一制备的产品与市售的CuCo2Be合金材料的各项性能对比如表1所示：
表1CuCrZrTi和CuCo2Be合金材料的性能对比
| 材料名称 | 强度/MPa | 延伸率/% | 导电率/IACS |
| 实施例一 | 647 | 13.5 | 86% |
| CuCo2Be合金 | 710 | 11 | 50% |
从表1的性能测试结果可以看出：实施例一制备的产品除了强度为647MPa稍比CuCo2Be合金材料低一点外（但已高于ASTM B624-07《电气用高强度、高导电率铜合金标准规范》中的最小强度要求414MPa），其延伸率和导电率均比CuCo2Be合金材料高，尤其是导电率比CuCo2Be合金材料高出36个百分点。
测试结果说明本发明所制备的CuCrZrTi合金材料具有优良的综合性能，完全能够代替CuCo2Be合金材料，可以进行电力开关弹簧触头商用批量化生产的推广使用。
Claims (10)
1.用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金，其特征在于：由以下金属按重量百分比组成：0.5～1.2%的Cr、0.03～0.3%的Zr、0～0.1%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金，其特征在于：所述的铜合金由以下金属按重量百分比组成：0.8～1.0%的Cr、0.05～0.2%的Zr、0.05～0.1%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金，其特征在于：所述的铜合金由以下金属按重量百分比组成：0.9%的Cr、0.1%的Zr、0.08%的Ti，余量为Cu及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：包括步骤：
a.真空熔炼：将计算量的Cu-CATH-1和Cu-Cr中间合金加入真空感应炉中于1300～1400℃温度下熔炼10～15min；
b.合金化：依次将计算量的Cu-P中间合金、Zr、Cu-Ti中间合金加入真空感应炉中混合；
c.浇铸：于1250～1300℃温度下将合金化后的铜合金熔体浇铸于钢模内，冷却凝固形成铸锭；
d.热挤压：将铸锭于850～900℃温度下加热，然后热挤压成棒材；
e.冷加工和中间退火：将所述的棒材进行冷轧、冷拉拔以及中间退火，每次中间退火的冷却方式为水冷；
f.时效热处理：真空时效强化热处理后机加工即得产品。
5.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤b中加入Cu-P中间合金后，先对铜熔体进行预脱氧，再依次加入Zr、Cu-Ti中间合金。
6.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的Cu-P中间合金的质量为合金总质量的0.3%～0.4%，Cu-P中间合金中P的含量为Cu-P中间合金质量的15%。
7.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的真空时效强化热处理的工艺参数：加热温度450～500℃，处理时间为3～5h。
8.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的各原料金属的容器为尖晶石陶瓷坩埚。
9.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤c中的钢模在使用前先于800～850℃温度下预热10～15min，钢模内壁涂上一层耐高温铸造涂料。
10.根据权利要求4所述的用于电力开关弹簧触头的高强高导铜合金的制备方法，其特征在于：所述的真空感应炉的真空度不大于10.0Pa。
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