CN107604199B - 一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种Cu‑Cr‑Fe真空触头材料的制备方法，包括以下步骤，按合金重量的重量比分别称取Cr、Fe和Cu；将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，再将三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，加热熔化得到合金液；调节雾化压力为5MPa，将得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，雾化破碎得到合金粉末；筛选，预压制，压制压力300KN，形成合金粉末压坯；之后装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu‑Cr‑Fe合金材料。本发明可以得到组织均匀的合金。

Description

一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法

技术领域

本发明属于真空触头材料的制备方法技术领域，具体涉及一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法。

背景技术

Cu-Cr-Fe合金是我国自主研发的大容量真空断路器用真空触头材料，具有开断电流能力强，耐电压强度高，且截流值降低、抗熔焊好、抗电磨损好等优良特性，目前已大量用于10kV、31.5kA级的真空断路器灭弧室中；并且，由于它的高耐电压强度，35kV、20kA和25kA级真空断路器灭弧室中也得到了广泛应用。而现有的Cu-Cr-Fe合金制备普遍采用熔铸法与粉末冶金法，但由于Cu-Cr-Fe合金是一种多组元铜合金，凝固速度过慢容易出现成分偏析和粗大的树枝晶，降低合金的力学性能；同时，合金制备过程中易发生氧化，同样容易导致成分偏析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法，解决了现有的制备方法得到的Cu-Cr-Fe合金成分偏析和晶粒粗大的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1：按合金重量的重量比分别称取2％～4％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为3～5mm，雾化破碎得到合金粉末；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中按合金重量的重量比分别称取3％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料。

步骤2中雾化炉抽至真空状态时的压强为5x10^-3～7x10^-3Pa。

步骤2通过高频感应设备加热得到合金液。

步骤4中粒径不大于75μm的合金粉末的预压制通过冷压模具在四柱式油压机上进行。

本发明的有益效果是：本发明的一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法，采用真空气雾化法制备Cu-Cr-Fe合金粉末，并进行后续压制烧结，由于真空气雾化法的整体过程是在惰性气氛保护下进行的，这不仅可以有效的防止合金元素的氧化烧损，减少偏析，还能改善第二相的形状及分布，同时可提高合金元素的固溶度等；同时，雾化法作为一种快速凝固方法，可以得到晶粒细小的合金粉末，由于凝固时间极短，Cr、Fe元素无法上浮而产生成分偏析，从而得到晶粒细小，组织均匀的高性能Cu-Cr-Fe合金。

附图说明

图1是传统熔铸法制备的Cu-Cr-Fe合金组织图；

图2是本发明的一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法中不同实施例制备得到的Cu-Cr-Fe合金组织图；

图3是本发明的一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法中不同实施例制备得到的Cu-Cr-Fe合金的硬度与电导率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1：按合金重量的重量比分别称取2％～4％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为5x10^-3～7x10^{- 3}Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为3～5mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。

本发明基于的原理是，通过采用现有技术中的真空雾化炉，主要有真空获得测量及充气系统、感应熔炼系统、雾化急冷系统、电控及水循环系统等。。熔炼室与雾化室通过石墨喷嘴连接，熔炼时将陶瓷堵杆压于喷嘴上方，雾化时升起陶瓷杆，合金液通过喷嘴进入雾化室开始雾化。气瓶与雾化器之间设有气压调节系统，雾化器内部设置有小孔结构，给定压强的高压氮气通过雾化器小孔进入雾化室成为高压气流作用于合金液，使合金液雾化。

实施例1

步骤1：按合金重量的重量比分别称取2％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为5x10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为3mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。经测试，其硬度为73HB，导电率为77％IACS。

实施例2

步骤1：按合金重量的重量比分别称取2.5％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为6x10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为4mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。经测试，其硬度为78.6HB，导电率为81％IACS。

实施例3

步骤1：按合金重量的重量比分别称取3％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为7x10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为4mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。经测试，其硬度为82HB，导电率为77.8％IACS。

实施例4

步骤1：按合金重量的重量比分别称取3.5％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为6x10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为4mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。经测试，其硬度为86.7HB，导电率为72％IACS。

实施例5

步骤1：按合金重量的重量比分别称取4％的Cr、0.3％的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为6x10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为5mm，雾化破碎得到合金粉末，其中，雾化进行3s后打开排气阀，确保雾化设备内压力不会过高，合金液雾化完成后关闭排气阀防止合金粉末的氧化；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后通过冷压模具在四柱式油压机上预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。经测试，其硬度为91.4HB，导电率为70％IACS。

结果分析

图1是传统熔铸法制备的Cu-Cr-Fe合金组织图，可以看出，熔铸法制备的Cu-Cr-Fe合金组织为粗大的柱状枝晶，富Cr相沿晶界析出；图2是采用本发明方法制备的不同成分配比的Cu-Cr-Fe合金组织图，其中，a、b、c、d、e依次为实施例1、2、3、4、5的合金组织图，由于雾化法具备的快速凝固特性，合金组织晶粒细小，分布均匀。且由于凝固时间极短，Cr、Fe元素不会出现上浮而导致成分偏析，从图2可以看出，合金组织中出现了大量弥散分布于Cu基体中球状的初生Cr相，由于Cu会与第三组元Fe形成固溶体，导致Cr在Cu中固溶度降低，使部分Cr析出铜基体，球状颗粒的平均尺寸约为1μm，由于细晶强化和析出强化的共同作用，使Cu-Cr-Fe合金拥有优良的综合性能。

图3为本发明的一种优选方案即实施例3的成分配比下硬度与导电率结果与其他实施例成分配比结果的对比，可以看出，采用实施例3的方案得到合金的强度和导电率综合性能最优，能够更好的应用到于真空触头材料的强开断电流能力和高耐电压强度的环境中。

Claims (1)

1.一种Cu-Cr-Fe真空触头材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1：按合金重量的重量比分别称取3%的Cr、0.3%的Fe、余量Cu，进行配料；

步骤2：将真空雾化炉内的熔炼室和雾化室抽至真空状态，压强为5×10^-3～7×10^-3Pa，再将步骤1中称取的三种原料放入熔炼室的石墨坩埚中，并向熔炼室充入N₂作为保护气体，通过高频感应设备加热石墨坩埚使三种原料完全熔化得到合金液，并保温10min；

步骤3：调节雾化压力为5MPa，将步骤2中得到的合金液通过石墨喷嘴喷入雾化室，石墨喷嘴的直径为3~5mm，雾化破碎得到合金粉末；

步骤4：将步骤3中得到的合金粉末进行筛选，得到粒径不大于75μm的合金粉末，之后预压制粒径不大于75μm的合金粉末，压制压力300KN，保压5分钟形成合金粉末压坯；

所述粒径不大于75μm的合金粉末的预压制通过冷压模具在四柱式油压机上进行；

步骤5：将步骤4中得到的合金粉末压坯装在可加压坩埚中，放入真空烧结炉内，通入H₂，加热到900℃并保温60min，之后待真空烧结炉温度降低到室温后取出坯料，对坯料表面进行机加工处理从而得到Cu-Cr-Fe合金材料。