CN105018768B - 一种高性能铜铬触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能铜铬触头材料及其制备方法。该铜铬触头材料是由以下重量百分比：Cr含量10‑50％，Cu余量组成。其制备方法包括原材料选择‑‑‑混粉‑‑‑冷等静压‑‑‑真空包套‑‑‑加热‑‑‑热挤压。本发明采用特殊的包套加热挤压工艺，大大降低冷压时大规格触头及高Cr含量对压机、模具的特殊要求，可以在现有常规设备上进行批量化生产，并且高温挤压可使粉末在固相下尽可能的致密化，减少甚至杜绝组织中的气孔存在。本发明生产的铜铬触头材料用于中高压真空断路器中，由于本工艺制备的出头材料有高的致密度和组织均匀的优点，因此有利于改善现有工艺导电、导热性差，放气量大问题，同时保持了良好的抗熔焊性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能铜铬触头材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
触头材料广泛地用于自动开关，大容量断路器、塑壳断路器以及其他一些开关器上。常见的触头材料有Ag-WC-C，其主要利用了Ag的良好导电、导热性，WC的高熔点、高硬度和耐磨性好的特点，可经受强烈的电弧腐蚀，具有良好的抗熔焊性及耐磨蚀。该触头材料一般采用粉末冶金的方法，将银粉和WC粉及添加剂直接在模具中压制，此工艺简单易行、流程少、对设备要求低、材料收得率高，生产成本低，但所得电触头材料存在缺陷，其组织不均匀、致密度差、不耐电弧侵蚀。
适当添加第二相TiC、Co、Ni、Fe等元素，采用化学包覆技术或二次烧结复压等工艺，在一定程度上改善了所述触头材料的某些性能，但由于Ag、C之间、Ag与WC之间的浸润性较差，导致Ag与WC、C界面处结合不牢，同时它们由于Ag与C、WC之间在压力作用下不可能产生塑性变形而形成机械结合界面，所以依靠材料成份的调整和工艺的改善对触头材料性能的提高，其作用是有限的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种高性能铜铬触头材料及其制备方法。本发明采用特殊的包套加热挤压工艺，大大降低冷压时大规格触头及高Cr含量对压机、模具的特殊要求，可以在现有常规设备上进行批量化生产，并且高温挤压可使粉末在固相下尽可能的致密化，减少甚至杜绝组织中的气孔存在。本发明生产的铜铬触头材料用于中高压真空断路器中，由于本工艺制备的出头材料有高的致密度和组织均匀的优点，因此有利于改善现有工艺导电、导热性差，放气量大问题，同时保持了良好的抗熔焊性。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种高性能铜铬触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为10-50％，余量为Cu；其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。
优选的，所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。
在上述任一方案中优选的是，所述铬粉的纯度为99.97％-99.98％。
此外，该高性能铜铬触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料选择
选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾化铜粉；
(2)混粉
按Cu粉∶Cr粉＝9∶1～5∶5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉∶铜球＝1∶1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消除粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
(3)冷等静压
将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150-300Mpa，保压时间为3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压坯在厚度方向上的致密度的差异。
(4)真空包套
将步骤(3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为1-5mm，抽真空至1pa-10-2pa进行真空密封；抽真空包封主要是防止在后续加热挤压过程中材料的氧化，降低材料的氧含量，防止其再真空断路器中使用时放气，从而影响使用寿命。
(5)加热
将包套密封后的棒料加热至500-1050℃之间，保温30分钟-90分钟；
(6)热挤压
使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050℃，挤压变形量为20％-99％，液压机吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料。本步骤的目的是提高材料的致密度，同时也可以消除材料内部小的缺陷，比如气孔、缩孔等。改善材料组织的均匀性、提高材料强度。此外，挤压工艺对于材料最终的成型限制很小，这与常规的熔铸、电弧熔炼等相比，一方面可以提高材料利用率，另一方面也能提高产品的生产效率。
优选的，步骤(1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边沿10～20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa；
b.按180～200℃/h的升温速率将炉内环境温度升至650℃～750℃，持续保持环境真空度为6.5×10-3Pa-7.0×10-3Pa，在600℃～800℃下保温1～2小时；
c.充入纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10～20Pa，再按100～150℃/h的升温速率将炉内环境温度升至1150℃～1250℃，升温结束后，保温5～8小时，然后以120～180℃/h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10～20Pa。
在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷等静压，温度控制为20℃。
在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理。
在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s～10mm/s，比压为200MPa～800Mpa；在热挤压之前挤压头需要加热至220～280℃，并在挤压头上涂有涂料。
本发明的有益效果：
1.本发明的方法对比于现有模具压制、烧结工艺可大批量稳定化生产，且可批量化生产出大规格铜铬触头(由于规格增大后模压工艺压力大，对设备、模具要求高)；
2.本发明生产出的触头组织致密、无气孔等缺陷；
3.本发明可批量生产高Cr含量粉末冶金触头(当Cr含量高时模压对压力、模具要求增大，而此工艺在高温下生产，无模具、压力要求小)；
4.本发明工艺过程简单、加热过程只有30-90min，相对模压烧结工艺长达15-30小时的烧结过程，时间、电能大大节约。
附图简要说明
图1是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr25触头材料的金相组织图；
图2是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr30触头材料的金相组织图；
图3是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr50触头材料的金相组织图.
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
一种高性能铜铬CuCr25触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为25％左右，余量为Cu；其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。所述铬粉的纯度为99.3％-99.98％。
所述的高性能铜铬CuCr25触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料选择
选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾化铜粉；
(2)混粉
按Cu粉∶Cr粉约为7.5∶2.5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉∶铜球＝1∶1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消除粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
(3)冷等静压
将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150-300Mpa，保压时间为3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压坯在厚度方向上的致密度的差异。
(4)真空包套
将步骤(3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为1-5mm，抽真空至1pa-10-2pa进行真空密封；抽真空包封主要是防止在后续加热挤压过程中材料的氧化，降低材料的氧含量，防止其再真空断路器中使用时放气，从而影响使用寿命。
(5)加热
将包套密封后的棒料加热至500-1050℃之间，保温30分钟-90分钟；
(6)热挤压
使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050℃，挤压变形量为20％-99％，液压机吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料。本步骤的目的是提高材料的致密度，同时也可以消除材料内部小的缺陷，比如气孔、缩孔等。改善材料组织的均匀性、提高材料强度。此外，挤压工艺对于材料最终的成型限制很小，这与常规的熔铸、电弧熔炼等相比，一方面可以提高材料利用率，另一方面也能提高产品的生产效率。
步骤(1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边沿10～20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3pa；
b.按180～200℃/h的升温速率将炉内环境温度升至650℃～750℃，持续保持环境真空度为6.5×10-3Pa-7.0×10-3Pa，在600℃～800℃下保温1～2小时；
c.充入纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10～20Pa，再按100～150℃/h的升温速率将炉内环境温度升至1150℃～1250℃，升温结束后，保温5～8小时，然后以120～180℃/h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10～20Pa。
步骤(3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷等静压，温度控制为20℃。
步骤(4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理。
步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s～10mm/s，比压为200MPa～800Mpa；在热挤压之前挤压头需要加热至220～280℃，并在挤压头上涂有涂料。
实施例2
一种高性能铜铬CuCr30触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为30％左右，余量为Cu；其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。所述铬粉的纯度为99.3％-99.98％。
所述的高性能铜铬CuCr30触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料选择
选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾化铜粉；
(2)混粉
按Cu粉∶Cr粉约为7∶3的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉∶铜球＝1∶1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消除粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
(3)冷等静压
将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150-300Mpa，保压时间为3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压坯在厚度方向上的致密度的差异。
(4)真空包套
将步骤(3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为1-5mm，抽真空至1pa-10-2pa进行真空密封；抽真空包封主要是防止在后续加热挤压过程中材料的氧化，降低材料的氧含量，防止其再真空断路器中使用时放气，从而影响使用寿命。
(5)加热
将包套密封后的棒料加热至500-1050℃之间，保温30分钟-90分钟；
(6)热挤压
使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050℃，挤压变形量为20％-99％，液压机吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料。本步骤的目的是提高材料的致密度，同时也可以消除材料内部小的缺陷，比如气孔、缩孔等。改善材料组织的均匀性、提高材料强度。此外，挤压工艺对于材料最终的成型限制很小，这与常规的熔铸、电弧熔炼等相比，一方面可以提高材料利用率，另一方面也能提高产品的生产效率。
步骤(1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边沿10～20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa；
b.按180～200℃/h的升温速率将炉内环境温度升至650℃～750℃，持续保持环境真空度为6.5×10-3Pa-7.0×10-3Pa，在600℃～800℃下保温1～2小时；
c.充入纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10～20Pa，再按100～150℃/h的升温速率将炉内环境温度升至1150℃～1250℃，升温结束后，保温5～8小时，然后以120～180℃/h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10～20Pa。
步骤(3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷等静压，温度控制为20℃。
步骤(4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理。
步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s～10mm/s，比压为200MPa～800Mpa；在热挤压之前挤压头需要加热至220～280℃，并在挤压头上涂有涂料。
实施例3
一种高性能铜铬CuCr50触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为50％左右，余量为Cu；其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。所述铬粉的纯度为99.3％-99.98％。
所述的高性能铜铬CuCr50触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料选择
选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾化铜粉；
(2)混粉
按Cu粉∶Cr粉约为1∶1的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉∶铜球＝1∶1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消除粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
(3)冷等静压
将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150-300Mpa，保压时间为3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压坯在厚度方向上的致密度的差异。
(4)真空包套
将步骤(3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为1-5mm，抽真空至1pa-10-2pa进行真空密封；抽真空包封主要是防止在后续加热挤压过程中材料的氧化，降低材料的氧含量，防止其再真空断路器中使用时放气，从而影响使用寿命。
(5)加热
将包套密封后的棒料加热至500-1050℃之间，保温30分钟-90分钟；
(6)热挤压
使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050℃，挤压变形量为20％-99％，液压机吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料。本步骤的目的是提高材料的致密度，同时也可以消除材料内部小的缺陷，比如气孔、缩孔等。改善材料组织的均匀性、提高材料强度。此外，挤压工艺对于材料最终的成型限制很小，这与常规的熔铸、电弧熔炼等相比，一方面可以提高材料利用率，另一方面也能提高产品的生产效率。
步骤(1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边沿10～20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa；
b.按180～200℃/h的升温速率将炉内环境温度升至650℃～750℃，持续保持环境真空度为6.5×10-3Pa-7.0×10-3Pa，在600℃～800℃下保温1～2小时；
c.充入纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10～20Pa，再按100～150℃/h的升温速率将炉内环境温度升至1150℃～1250℃，升温结束后，保温5～8小时，然后以120～180℃/h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10～20Pa。
步骤(3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷等静压，温度控制为20℃。
步骤(4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理。
步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s～10mm/s，比压为200MPa～800Mpa；在热挤压之前挤压头需要加热至220～280℃，并在挤压头上涂有涂料。
经试验测试，上述实施例中各自制得的CuCr25、CuCr30和CuCr50触头材料的理化性能如表1所示。
表1
上述实施例中各自制得的CuCr25、CuCr30和CuCr50触头材料的金相组织分别如图1-3所示。
上述实施例中的铜粉在混合前也可经以下步骤处理：将铜粉粉末颗粒松装于传送带上，在450～750℃经氧化使粉末产生一定的烧结来加速氧化过程，上述制作的铜粉混合氧化物经粉碎和分解氨还原后，可获得多孔的海绵状铜粉。
本发明的方法对比于现有模具压制、烧结工艺可大批量稳定化生产，且可批量化生产出大规格铜铬触头(由于规格增大后模压工艺压力大，对设备、模具要求高)；生产出的触头组织致密、无气孔等缺陷。本发明可批量生产高Cr含量粉末冶金触头(当Cr含量高时模压对压力、模具要求增大，而此工艺在高温下生产，无模具、压力要求小)；本发明工艺过程简单、加热过程只有30-90min，相对模压烧结工艺长达15-30小时的烧结过程，时间、电能大大节约。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高性能铜铬触头材料的制备方法，其特征在于：
所述高性能铜铬触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为10-50％，余量为Cu；其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉；所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉；所述铬粉的纯度为99.3％-99.98％；
该制备方法包括以下步骤：
(1)原材料选择
选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾化铜粉；
(2)混粉
按Cu粉∶Cr粉＝9∶1～5∶5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉∶铜球＝1∶1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；
(3)冷等静压
将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150-300MPa，保压时间为3-20分钟；
(4)真空包套
将步骤(3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为1-5mm，抽真空至1Pa-10-2Pa进行真空密封；
(5)加热
将包套密封后的棒料加热至500-1050℃之间，保温30分钟-90分钟；
(6)热挤压
使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050℃，挤压变形量为20％-99％，液压机吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料；
步骤(1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边沿10～20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6.0×10-3Pa-7.0×10-3Pa；
b.按180～200℃/h的升温速率将炉内环境温度升至650℃～750℃，持续保持环境真空度为6.5×10-3Pa-7.0×10-3Pa，在600℃～800℃下保温1～2小时；
c.充入纯度大于99.9％的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10～20Pa，再按100～150℃/h的升温速率将炉内环境温度升至1150℃～1250℃，升温结束后，保温5～8小时，然后以120～180℃/h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10～20Pa；
步骤(3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷等静压，温度控制为20℃；
步骤(4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理；
步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s～10mm/s，比压为200MPa～800MPa；在热挤压之前挤压头需要加热至220～280℃，并在挤压头上涂有涂料；
铜粉在混合前经以下步骤处理：将铜粉粉末颗粒松装于传送带上，在450～750℃经氧化使粉末产生一定的烧结来加速氧化过程，上述制作的铜粉混合氧化物经粉碎和分解氨还原后，获得多孔的海绵状铜粉。
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