CN112481513A - 利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺 - Google Patents
利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：S1、按比例称取金属铜粉和铬粉，并混合均匀；S2、将上述混合粉末在冷等静压设备中进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭；将铸锭进行热变形成棒料；S3、将步骤S2所得棒料进行退火处理，然后将棒料采用电子束焊连接成一定长度的电极棒；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔；本发明工艺结构设计合理，能够显著降低熔炼后铜铬合金材料中的气体含量，提高铜铬合金触头材料的使用稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺。
背景技术
铜铬合金电触头材料是一种功能材料，目前商用的通过熔炼方式制备CuCr系列电触头的方法包括：真空感应熔炼和真空自耗电弧熔炼工艺。真空感应熔炼工艺制备CuCr系列电触头材料是通过采用在感应线圈的交变磁场作用下，在材料表面产生感生电流，从而熔化材料并凝固的过程，真空感应熔炼过程中，通常采用非金属坩埚对材料进行熔炼，因而熔融的金属材料会和坩埚之间发生反应而造成材料的污染，产生非金属夹杂缺陷；真空自耗电弧熔炼工艺所需要制备电极棒的原材料—金属铬粉是金属铬矿并采用铝热法制备，杂质含量较高，会造成第一次重熔后金相组织中存在氧化铝夹杂颗粒，同时制备出的铜铬合金材料的气体含量也较高，合金材料中的氧化铝夹杂颗粒会导致真空灭弧室在使用过程中耐压强度和开断性能的降低，威胁电网稳定运行。通过真空感应熔炼和真空自耗电弧熔炼工艺制备出的合金材料金相中存在明显的夹杂现象，同时材料的气体含量偏高。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种能够降低熔炼后材料的气体含量，提高材料稳定性的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺。
本发明的技术方案为：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素含量为：Cu 50-99％，Cr 1-50％，按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为50-90MPa、压制时间为15-35min、温度为5-20℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为950-1050℃，烧结时间为70-110min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为0.8-1.6kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10- 3Pa以下；将铸锭进行热变形成直径为30-100mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在600-950℃温度条件下进行退火处理，然后将棒料采用电子束焊连接成长度为300-1000mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为90-240mm/min，焊接电流为190-520A，焊接电压为40-70V；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为25-30V，熔炼电流为1-3kA。
进一步地，步骤S3中，退火处理具体为：将棒料以4-9℃/min的升温速率从室温缓慢升温至600-780℃，并保温1-3h；然后以11-20℃/min的升温速率快速升温至780-950℃，并保温1-2h，最后随炉冷却至室温即可，通过缓慢升温和快速升温两个升温阶段对棒料进行去应力退火处理，能够显著降低棒料内部应力，使得棒料的自耗重熔工艺过程更加稳定、可靠。
进一步地，步骤S3中，棒料退火处理完成后，采用锯床切除电极锭的头部和尾部至少65mm的厚度，去除电极锭的头部和尾部，不仅能够去除电极锭的氧化层，而且能够提高电极锭端部的平整度，有利于后续焊接过程中电极锭之间的对接。
进一步地，步骤S3中，电极棒自耗重熔的具体操作为：1)将焊接完成后的电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为30-70mm的一次铸锭，并将一次铸锭用车床切除头部和尾部，将每2-4个一次铸锭采用电子束焊接成一次电极棒；2)将一次电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为70-100mm的二次铸锭，通过对电极棒进行两次自耗重熔，能够显著降低电极棒材料中的非金属夹杂物，同时也能够降低电极棒材料的气体含量。
进一步地，步骤S3中，棒料焊接过程中，焊缝位于棒料表面，且平行与棒料长度方向，相邻两个棒料表面均匀分布有5-8条长度为30-60mm的焊缝，相比于传统的环形焊接方法，本发明采用平行于棒料长度方向的焊接方法，能够提高电极棒焊接的牢固程度，避免电极棒开裂，进而提高了电极棒的使用效果。
进一步地，步骤S3中，电极棒焊接之前，在电极棒表面均匀涂覆活性剂，活性剂由MnO2、ZnO和NaCl按照重量比43:26:31混合而成，使用时，按比例称取MnO2、ZnO和NaCl粉末，并混合均匀，然后加入混合粉末2倍体积的亚异丙基丙酮溶液混合均匀即可，通过在电极棒表面涂覆活性剂，能够增加电极棒之间焊缝的熔深，提高焊接后电极棒的力学性能。
进一步地，步骤S2中，冷等静压操作完成后，去除棒料表面包套，并利用酸液浸泡棒料，以去除棒料表面残余包套材料，避免后续熔炼过程中杂质元素混入棒料中影响电极材料的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明工艺结构设计合理，采用自耗的一次锭或真空感应熔炼后的铸锭再进行自耗重熔，使得铜铬合金材料金相组织中的非金属夹杂颗粒数量和大小显著降低，同时也使得熔炼后合金材料中的气体含量降低，提高铜铬合金触头材料使用过程中的稳定性；同时，通过本设计的焊接方法对合金棒材进行焊接，使得合金材料内部组织形态均一且分布均匀，避免合金棒材的开裂，提高后续熔炼工序的稳定性，通过在棒材表面涂覆活性剂，提高了棒材焊缝的熔深。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的CuCr30合金真空自耗重熔前的金相组织图；
图2是本发明实施例2制备的CuCr30合金真空自耗重熔前的金相组织图。
具体实施方式
实施例1：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素含量为：Cu 60％，Cr 40％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为50MPa、压制时间为15min、温度为5℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为950℃，烧结时间为70min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为0.8kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-3Pa；将铸锭进行热变形成直径为30mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在600℃温度条件下进行退火处理，然后将棒料采用电子束焊连接成长度为300mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为90mm/min，焊接电流为190A，焊接电压为40V；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为25V，熔炼电流为1kA。
实施例2：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按百分含量计，原料中各元素百分含量为：Cu 78％，Cr 22％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为78MPa、压制时间为29min、温度为17℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为980℃，烧结时间为96min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为1.1kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-4Pa；将铸锭进行热变形成直径为70mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在780℃温度条件下进行退火处理，将棒料以4℃/min的升温速率从室温缓慢升温至250℃，并保温1h；然后以11℃/min的升温速率快速升温至780℃，并保温1h，最后随炉冷却至室温即可；然后将棒料采用电子束焊连接成长度为400mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为139mm/min，焊接电流为330A，焊接电压为70V；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为29V，熔炼电流为2kA。
实施例3：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素含量为：Cu 99％，Cr 1％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为90MPa、压制时间为35min、温度为20℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为1050℃，烧结时间为110min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为1.6kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-4Pa以下；将铸锭进行热变形成直径为100mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在950℃温度条件下进行退火处理，棒料以9℃/min的升温速率从室温缓慢升温至780℃，并保温2h；然后以18℃/min的升温速率快速升温至950℃，并保温2h，最后随炉冷却至室温即可，棒料退火处理完成后，采用锯床切除电极锭的头部和尾部65mm的厚度，去除电极锭的头部和尾部，不仅能够去除电极锭的氧化层，而且能够提高电极锭端部的平整度，有利于后续焊接过程中电极锭之间的对接；然后将棒料采用电子束焊连接成长度为500mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为240mm/min，焊接电流为520A，焊接电压为70V；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为30V，熔炼电流为3kA。
实施例4：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素百分含量为：Cu 50％，Cr 50％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为50MPa、压制时间为15min、温度为5℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为1050℃，烧结时间为70min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为0.8kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-3Pa；将铸锭进行热变形成直径为30mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在600℃温度条件下进行退火处理，将棒料以4℃/min的升温速率从室温缓慢升温至600℃，并保温3h，最后随炉冷却至室温即可，通过缓慢升温对棒料进行去应力退火处理，然后将棒料采用电子束焊连接成长度为600mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为90mm/min，焊接电流为190A，焊接电压为40V；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为25V，熔炼电流为1kA，电极棒自耗重熔的具体操作为：1)将焊接完成后的电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为30mm的一次铸锭，并将一次铸锭用车床切除头部和尾部，将每2个一次铸锭采用电子束焊接成一次电极棒；2)将一次电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为70mm的二次铸锭，通过对电极棒进行两次自耗重熔，能够显著降低电极棒材料中的非金属夹杂物，同时也能够降低电极棒材料的气体含量。
实施例5：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素百分含量为：Cu 99％，Cr 1％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为90MPa、压制时间为35min、温度为20℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为1050℃，烧结时间为110min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为1.6kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-4Pa；将铸锭进行热变形成直径为100mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在950℃温度条件下进行退火处理，将棒料以9℃/min的升温速率从室温缓慢升温至780℃，并保温3h；然后以20℃/min的升温速率快速升温至950℃，并保温2h，最后随炉冷却至室温即可，通过缓慢升温和快速升温两个升温阶段对棒料进行去应力退火处理，能够显著降低棒料内部应力，使得棒料的自耗重熔工艺过程更加稳定、可靠；棒料退火处理完成后，采用锯床切除电极锭的头部和尾部70mm的厚度，去除电极锭的头部和尾部，不仅能够去除电极锭的氧化层，而且能够提高电极锭端部的平整度，有利于后续焊接过程中电极锭之间的对接；然后将棒料采用电子束焊连接成长度为800mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为240mm/min，焊接电流为520A，焊接电压为70V，棒料焊接过程中，焊缝位于棒料表面，且平行与棒料长度方向，相邻两个棒料表面均匀分布8条长度为60mm的焊缝，相比于传统的环形焊接方法，采用平行于棒料长度方向的焊接方法，能够提高电极棒焊接的牢固程度，避免电极棒开裂，进而提高了电极棒的使用效果；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为30V，熔炼电流为3kA；电极棒自耗重熔的具体操作为：1)将焊接完成后的电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为50mm的一次铸锭，并将一次铸锭用车床切除头部和尾部，将每4个一次铸锭采用电子束焊接成一次电极棒；2)将一次电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为70mm的二次铸锭，通过对电极棒进行两次自耗重熔，能够显著降低电极棒材料中的非金属夹杂物，同时也能够降低电极棒材料的气体含量；
实施例6：利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，包括：
S1、按重量百分比计，原料中各元素含量为：Cu 99％，Cr 1％,按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为90MPa、压制时间为35min、温度为20℃，进行冷等静压压制成棒料；将棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为1050℃，烧结时间为110min；将烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为1.6kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-4Pa；将铸锭进行热变形成直径为100mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在950℃温度条件下进行退火处理，将棒料以9℃/min的升温速率从室温缓慢升温至780℃，并保温3h；然后以20℃/min的升温速率快速升温至950℃，并保温2h，最后随炉冷却至室温即可；棒料退火处理完成后，采用锯床切除电极锭的头部和尾部70mm的厚度，去除电极锭的头部和尾部，不仅能够去除电极锭的氧化层，而且能够提高电极锭端部的平整度，有利于后续焊接过程中电极锭之间的对接；在电极棒表面均匀涂覆活性剂，活性剂由MnO2、ZnO和NaCl按照重量百分比43:26:31混合而成，使用时，按比例称取MnO2、ZnO和NaCl粉末，并混合均匀，然后加入混合粉末2倍体积的亚异丙基丙酮溶液混合均匀即可，通过在电极棒表面涂覆活性剂，能够增加电极棒之间焊缝的熔深，提高焊接后电极棒的力学性能，将棒料采用电子束焊连接成长度为1000mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为240mm/min，焊接电流为520A，焊接电压为70V，棒料焊接过程中，焊缝位于棒料表面，且平行与棒料长度方向，相邻两个棒料表面均匀分布8条长度为60mm的焊缝，相比于传统的环形焊接方法，采用平行于棒料长度方向的焊接方法，能够提高电极棒焊接的牢固程度，避免电极棒开裂，进而提高了电极棒的使用效果；最后将电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为30V，熔炼电流为3kA；电极棒自耗重熔的具体操作为：1)将焊接完成后的电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为50mm的一次铸锭，并将一次铸锭用车床切除头部和尾部，将每4个一次铸锭采用电子束焊接成一次电极棒；2)将一次电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为70mm的二次铸锭，通过对电极棒进行两次自耗重熔，能够显著降低电极棒材料中的非金属夹杂物，同时也能够降低电极棒材料的气体含量。
对比例：将金属铬和金属铜按照重量比Cu：Cr＝70：30配比，在真空感应熔炼炉中进行真空感应熔炼，将熔炼后的金属溶液倒入水冷铜模中进行快速冷却，随后将冷却完成的铸锭热变形成直径为
的锻锭，再在750℃的温度下进行退火处理，将退火处理的锻锭采用电子束焊或摩擦焊接的方式连接成电极棒再在真空自耗电弧熔炼炉内进行熔炼，熔炼电压大小为28V，熔炼电流为2kA。
实验例：分别对实施例1-6和对比例所制备的电极材料进行气体含量检测，检测结果如表1所示；
表1：实施例1～6以及对比例所制备的电极材料气体检测结果；
通过表1可知，利用传统熔炼方式和本发明的自耗重熔所制备的电极材料中气体杂质含量差异明显，而采用真空感应熔炼一次锭再进行重熔，会显著降低铜铬合金金相组织中的非金属夹杂颗粒数量和大小，降低熔炼后材料的气体含量，提高铜铬合金触头材料使用过程中的稳定性。
Claims (7)
1.利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量百分比计，原料中各元素含量为：Cu 50-99％，Cr 1-50％，按比例称取所需原料，并混合均匀得到混合粉末；其中，Cu元素来源于金属铜粉，Cr元素来源于金属铬粉；
S2、将步骤S1所得混合粉末在冷等静压设备中保持压力为50-90MPa、压制时间为15-35min、温度为5-20℃，进行冷等静压压制成棒料；将所述棒料在真空烧结炉中进行真空烧结，形成烧结坯；烧结温度为950-1050℃，烧结时间为70-110min；将所述烧结坯在电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，形成铸锭，其中电弧熔炼电流为0.8-1.6kA，并将电弧熔炼炉真空度抽至10-3Pa以下；将所述铸锭进行热变形成直径为30-100mm的棒料；
S3、将步骤S2所得棒料在600-950℃温度条件下进行退火处理，然后将棒料采用电子束焊接成长度为300-1000mm的电极棒，其中，电子束焊接速度为90-240mm/min，焊接电流为190-520A，焊接电压为40-70V；最后将所述电极棒置入电弧熔炼炉中进行自耗重熔，熔炼电压为25-30V，熔炼电流为1-3kA。
2.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，退火处理具体为：将所述棒料以4-9℃/min的升温速率从室温缓慢升温至600-780℃，并保温1-3h；然后以11-20℃/min的升温速率快速升温至780-950℃，并保温1-2h，最后随炉冷却至室温即可。
3.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，所述棒料退火处理完成后，采用锯床切除电极锭的头部和尾部至少65mm的厚度。
4.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，所述电极棒自耗重熔的具体操作为：1)将焊接完成后的电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为30-70mm的一次铸锭，并将所述一次铸锭用车床切除头部和尾部，将每2-4个一次铸锭采用电子束焊接成一次电极棒；2)将所述一次电极棒置入电弧熔炼炉中，熔炼成直径为70-100mm的二次铸锭。
5.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，所述棒料焊接过程中，焊缝位于棒料表面，且平行于棒料长度方向，相邻两个棒料表面均匀分布有5-8条长度为30-60mm的焊缝。
6.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，所述电极棒焊接之前，在电极棒表面均匀涂覆活性剂，所述活性剂由MnO2、ZnO和NaCl按照重量比43:26:31混合而成，使用时，按比例称取MnO2、ZnO和NaCl粉末，并混合均匀，然后加入混合粉末2倍体积的亚异丙基丙酮溶液混合均匀即可。
7.根据权利要求1所述的利用CuCr金属粉末制备铜铬合金电触头自耗电极的工艺，其特征在于，步骤S3中，所述棒料焊接过程中，焊缝位于棒料侧面，且垂直于棒料长度方向，相邻两个棒料表面均匀分布有5-8条长度为30-60mm的焊缝。
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