CN105755309A - 一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，通过配料、真空感应炉熔化、浇铸和挤压，得到铜铬触头材料。本发明采用真空熔铸联合液压挤压的制备技术，即先用大吨位熔炼炉进行合金熔炼，然后真空浇铸，水冷快速凝固，形成一种直径较大的合金锭坯，然后采用液压挤压机将大直径合金坯挤压成接近产品尺寸，最后经热处理，切割，机加形成最终产品。本发明的一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺中，采用了真空熔炼和液压挤压，可用一套水冷模具得到铜铬棒材，材料利用率高，通过挤压，使铸锭中铬相枝晶得到破碎，使铬相晶粒度得到进一步的细化；而且使材料的致密度得到进一步提高，力学性能得到提高。

Description

一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺
技术领域
本发明属于高压电器开关触头材料领域，涉及铜铬触头材料，具体涉及一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺。
背景技术
触头是真空熔断器的核心部件，铜铬合金由于自身的诸多优良特性是目前真空熔断器制造中最常用的触头材料，气体和杂质含量指标是决定合金性能的关键。当材料中含有较高的氧、氮等气体含量或较多的夹杂物时，将极大地损害触头性能甚至不能使用。因此，不断降低材料中的气体含量以及减少夹杂物的污染是发展高性能CuCr触头材料的关键。
目前，国内外生产CuCr合金主要有五种工艺路线
(A)混粉法：将一定比例的Cu粉和Cr粉充分混合，冷压成型，再经真空烧结或热等静压而成。
(B)熔渗法：将适量的Cr粉和其他组分充分混合压制，在真空或惰性保护气氛中烧结成一定孔隙度的Cr骨架，而后在真空中渗Cu，由于毛细作用，液态Cu被吸入骨架的孔隙中，形成密度在98％理论密度以上的致密的CuCr触头合金。
(C)自耗法：将Cu粉和Cr粉装入薄壁Cu管中或者将混粉法制成的CuCr合金棒在真空电弧炉中作为阴极进行自耗熔炼，所得锭坯再经热挤压进一步提高致密度。
(D)真空熔炼法：将一定比例的铜块和铬块在真空中频感应熔炼炉中熔化去气，然后浇入特制的模具中。
(E)雾化制备法：将一定比例的铜块和铬块在真空中频感应熔炼炉中熔化成预制合金锭后，将预制合金锭通过气体雾化法快速凝固制备铜铬合金块体材料。
这五种工艺方法中前三种对原材料特别是Cr粉性能有严格要求，如果Cr粉的氧含量较高，在真空或保护气氛环境中烧结都不能有效脱除Cr粉的氧，最终将使CuCr触头中具有较高的氧含量。过高的氧含量会使触头在开断电流时放出大量气体，损害真空灭弧室的真空和绝缘能力，使真空断路器开断失败，造成严重事故。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：(a)产品难以实现致密化(主要针对粉末冶金法和熔渗法)；(b)材料中的气体含量过高；(c)合金组织中Cr粒子的细化问题；(d)高效优质的新工艺技术路线。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，同时提高触头材料的铬相晶粒度，致密度和力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料：
将铜块和铬粒/粉混合，采用石墨球粉作为还原剂并与铜块和铬粒/粉混合，得到铜铬样品；
步骤二，真空感应炉熔化：
将铜铬样品加入真空感应炉中，真空条件下加热至熔融，然后向真空感应炉中充入惰性气体，然后再次升温，得到合金熔液；
步骤三，浇铸：
将合金熔液在惰性气体保护下注入一个在四周通水冷却的水冷模的模具腔体中，浇铸成合金锭坯；
步骤四，挤压：
运用液压机将合金锭坯进行挤压得到铜铬触头材料。
本发明还具有如下区别技术特征：
步骤一中，以重量计，所述的铜块和铬粒/粉混合形成的混合料中，铬粒/粉占25％～35％，铜块占65％～75％，混合料的总重量为100％。
步骤一中，所述的混合料与石墨球粉的质量比为(10～20):1。
步骤二中，在感应炉中控制真空度为小于等于5×10-2Pa，加热到1200±10℃熔融后，充入惰性气体至100Pa～200Pa，然后再次升温到1500℃～1600℃，得到合金熔液。
步骤三中，控制浇铸温度保持在1500℃～1600℃。
步骤四中，合金铸坯冷却后，取出合金锭，进行挤压，得到不同直径的铜铬合金棒料。将挤压后的触头棒料进行热处理，调整合金组织结构、硬度以及导电率。
步骤四中，由合金锭坯挤压到所需直径，变形率不大于40％。
所述的惰性气体为氩气。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明采用真空熔铸+液压挤压的制备技术，即先用大吨位熔炼炉进行合金熔炼，然后真空浇铸，水冷快速凝固，形成一种直径较大的合金锭坯，然后采用液压挤压机将大直径合金坯挤压成接近产品尺寸，最后经热处理，切割机加形成最终产品。
本发明一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺中，采用了真空熔炼和液压挤压，可用一套水冷模具得到铜铬棒材，材料利用率高，通过挤压，使铸锭中铬相枝晶得到破碎，使铬相晶粒度得到进一步的细化；而且使材料的致密度得到进一步提高，力学性能得到提高。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，具体包括以下步骤：
步骤一，配料：
将铜块和铬粒混合，加入真空炉的坩埚中，以重量计，所述的铜块和铬粒混合形成的混合料中，铬粒占25％，铜块占75％，混合料的总重量为100％。采用石墨球粉作为还原剂并与铜块和铬粒混合，混合料与石墨球粉的质量比为10:1，得到铜铬样品。
步骤二，真空感应炉熔化：
将铜铬样品加入真空感应炉中，抽真空至小于等于5×10-2Pa，开始按熔炼工艺送电加功率，功率最大不大于电源的设计最大功率。通过红外测温仪观察合金液的温度达到1200±10℃时，打开充气阀按照充气工艺向炉内氩气，压力参看真空压力表，压力至100Pa，合金温度达到1600℃状态，得到合金熔液。
步骤三，浇铸：
将合金熔液在氩气保护下，控制浇铸温度保持在1600℃，浇注到水冷模具中得到直径为Φ100mm合金大锭坯。
步骤四，挤压：
运用液压机将合金锭坯进行挤压，由合金锭坯挤压到所需直径，变形率不大于40％，挤压到Φ65mm，得到铜铬触头材料。
得到的铜铬触头材料具体使用时，将挤压铜铬在真空箱式炉中进行热处理，真空度为10～20Pa，合金锭经过400℃～500℃热处理2～3h,最后经机加工即可得到产品尺寸的铜铬棒材。得到的产品其Cr相晶粒直径小于15μm，氧含量小于300ppm，材料相对密度达到全致密，力学性能好。
实施例2：
本实施例给出一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，具体包括以下步骤：
步骤一，配料：
将铜块和铬粉混合，加入真空炉的坩埚中，以重量计，所述的铜块和铬粉混合形成的混合料中，铬粉占30％，铜块占70％，混合料的总重量为100％。采用石墨球粉作为还原剂并与铜块和铬粒混合，混合料与石墨球粉的质量比为15:1，得到铜铬样品。
步骤二，真空感应炉熔化：
将铜铬样品加入真空感应炉中，抽真空至小于等于5×10-2Pa，开始按熔炼工艺送电加功率，功率最大不大于电源的设计最大功率。通过红外测温仪观察合金液的温度达到1220±10℃时，打开充气阀按照充气工艺向炉内氩气，压力参看真空压力表，压力至150Pa，合金温度达到1550℃状态，得到合金熔液。
步骤三，浇铸：
将合金熔液在氩气保护下，控制浇铸温度保持在1550℃，浇注到水冷模具中得到直径为Φ100mm合金大锭坯。
步骤四，挤压：
运用液压机将合金锭坯进行挤压，由合金锭坯挤压到所需直径，变形率不大于40％，挤压到Φ70mm，得到铜铬触头材料。
得到的铜铬触头材料具体使用时，将挤压铜铬在真空箱式中进行热处理，真空度为10～20Pa，合金锭经过400℃～500℃热处理2～3h,最后经机加工即可得到产品尺寸的铜铬棒材。得到的产品其Cr相晶粒直径小于17μm，氧含量小于300ppm，材料相对密度达到全致密，力学性能好。
实施例3：
本实施例给出一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，具体包括以下步骤：
步骤一，配料：
将铜块和铬粉混合，加入真空炉的坩埚中，以重量计，所述的铜块和铬粉混合形成的混合料中，铬粉占35％，铜块占65％，混合料的总重量为100％。采用石墨球粉作为还原剂并与铜块和铬粒混合，混合料与石墨球粉的质量比为20:1，得到铜铬样品。
步骤二，真空感应炉熔化：
将铜铬样品加入真空感应炉中，抽真空至小于等于5×10-2Pa，开始按熔炼工艺送电加功率，功率最大不大于电源的设计最大功率。通过红外测温仪观察合金液的温度达到1200±10℃时，打开充气阀按照充气工艺向炉内氩气，压力参看真空压力表，压力至200Pa，合金温度达到1500℃状态，得到合金熔液。
步骤三，浇铸：
将合金熔液在氩气保护下，控制浇铸温度保持在1500℃，浇注到水冷模具中得到直径为Φ100mm合金大锭坯。
步骤四，挤压：
运用液压机将合金锭坯进行挤压，由合金锭坯挤压到所需直径，变形率不大于40％，挤压到Φ70mm，得到铜铬触头材料。
得到的铜铬触头材料具体使用时，将挤压铜铬在真空箱式中进行热处理，真空度为10～20Pa，合金锭经过400℃～500℃热处理2～3h,最后经机加工即可得到产品尺寸的铜铬棒材。得到的产品其Cr相晶粒直径小于16μm，氧含量小于300ppm，材料相对密度达到全致密，力学性能好。

Claims (7)

1.一种大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料：
将铜块和铬粒/粉混合，采用石墨球粉作为还原剂并与铜块和铬粒/粉混合，得到铜铬样品；
步骤二，真空感应炉熔化：
将铜铬样品加入真空感应炉中，真空条件下加热至熔融，然后向真空感应炉中充入惰性气体，然后再次升温，得到合金熔液；
步骤三，浇铸：
将合金熔液在惰性气体保护下注入一个在四周通水冷却的水冷模的模具腔体中，浇铸成合金锭坯；
步骤四，挤压：
运用液压机将合金锭坯进行挤压得到铜铬触头材料。
2.如权利要求1所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：步骤一中，以重量计，所述的铜块和铬粒/粉混合形成的混合料中，铬粒/粉占25％～35％，铜块占65％～75％，混合料的总重量为100％。
3.如权利要求2所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：步骤一中，所述的混合料与石墨球粉的质量比为(10～20):1。
4.如权利要求1所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：步骤二中，在感应炉中控制真空度为小于等于5×10-2Pa，加热到1200±10℃熔融后，充入惰性气体至100Pa～200Pa，然后再次升温到1500℃～1600℃，得到合金熔液。
5.如权利要求1所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：步骤三中，控制浇铸温度保持在1500℃～1600℃。
6.如权利要求1所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：步骤四中，由合金锭坯挤压到所需直径，变形率不大于40％。
7.如权利要求1所述的大锭挤压铜铬触头材料的工艺，其特征在于：所述的惰性气体为氩气。
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