CN114669960B - 一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、原料配比；S2、电磁搅拌真空熔炼；S3、浇铸；S4、热挤压；S5、固溶；S6、一次冷拉拔；S7、时效处理；S8、二次冷拉拔；S9、落料、冲型；S10、机械加工；S11、表面处理。本发明的方法制备的铜合负荷开关刀具有高导电性、高强度、耐高温等性能；而且，本发明的铜合金负荷开关刀的制备方法成本低、适合产业化生产。

Description

一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法
技术领域
本发明涉及负荷开关刀材料技术领域，具体是涉及一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法。
背景技术
随着开关行业的多元化发展，新技术、新工艺的不断涌现，同时使用部门对开关设备的要求越来越高，如小型化、免维护、耐环境、抗污染、长寿命等要求，因此对开关设备可靠性的要求逐步提高。
负荷开关刀为环网柜负荷开关的核心部件，目前市场上90％以上的负荷开关刀采用纯铜材料制备，纯铜材料软化温度低、受热后退火、强度差，且不耐电弧烧蚀。开关开断过程中，纯铜受电弧烧蚀而粘连，造成触头失效，导致开关柜失效。CuCr1材料的导电性能只能达到T2铜的80％，导电性能比较差。铜钨合金材料的负荷开关刀生产工艺复杂、成本高。
随着国家电网要求的提高，成本的控制以及对负荷开关刀类产品要求提高，纯铜、CuCr1、铜钨合金材质满足不了使用要求，因此开发高强度、高导电、耐烧蚀负荷开关刀十分必要。
目前，负荷开关刀材料及生产方法主要有：
(1)市场上90％以上的负荷开关刀片是采用T2Y纯铜材料制备的，工艺方法是采用母线排进行冲压、加工的，这类纯铜材料的刀片导电率在98％IACS以上，抗拉强度>280MPa，硬度HB80-100，这类触片耐高温性能差、材料软化温度低，一般耐软化温度为300℃左右、受热后退火、强度差，且不耐电弧烧蚀。刀片在开关开断的过程中非常容易引起放电烧蚀，刀片寿命短、质量不稳定。
(2)铜铬+铜钨触点、T2Y+铜钨触点材料开关刀，这类开关刀的生产方式主要是整体烧结、加工或者是铜钨触点焊接或者铆接形式进行加工。这两类触片的生产流程长、成本高，触点及整体质量不稳定。
发明内容
为了解决现有技术中纯铜材料无法同时兼顾的高导电、中强度、耐高温性能或者铜钨合金材料的长流程、低生产效率、高成本问题，本发明提供了一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr 0.05wt％～0.2wt％，稀土La 0.02wt％～0.05wt％，余量为Cu；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1150～1400℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在P≤5.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
合金溶液精炼除气脱氧后，进行浇铸，浇铸速度为50～100mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为850～900℃；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入淬火炉中，加热温度为950℃±10℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在30％～35％，得到型材Ⅱ；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在470±10℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在20％～25％，得到型材Ⅲ；通过两次冷拉拔可大大提高材料的强度、硬度；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀。
进一步地，在上述方案中，步骤S1所述Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮。
进一步地，在上述方案中，步骤S3所述精炼除气脱氧的方法具体为：将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在P≤5.0Pa，升温至1200～1450℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧。磷元素可以和熔液中的氧进行反应，生成氧化物，排出，达到脱氧目的。
进一步地，在上述方案中，步骤S4所述型材Ⅰ为截面规格为9.05*27.75、倒角为R4.5或R2.5的型材。
进一步地，在上述方案中，步骤S5所述淬火炉为井式淬火炉。
进一步地，在上述方案中，步骤S6所述型材Ⅱ为截面规格为7*26、倒角为R3.5或R1.5的型材。
进一步地，在上述方案中，步骤S8所述型材Ⅲ为截面规格为6*25、倒角为R3或R1的型材。
进一步地，在上述方案中，还包括：
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几点：
第一，本发明采用热挤压→冷拉拔→冲压→机械加工→镀银工艺进行生产，生产的负荷开关刀片导电率达到95％IACS以上，抗拉强度>410MPa，硬度HV118以上，软化温度为400℃以上。
第二，本发明的方法制备的铜合负荷开关刀具有高导电性、高强度、耐高温等性能。
第三，本发明的铜合金负荷开关刀的制备方法可以实现批量生产、产品性能稳定、成本低、适合产业化生产。
附图说明
图1为本发明所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的外观结构示意图；
图2为实施例2的方法所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的材料金相组织图，为纵向100倍(腐蚀)；
图3为实施例2的方法所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的材料金相组织图，为纵向50倍(腐蚀)；
图4为实施例2的方法所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的材料金相组织图，为横向100倍(腐蚀)；
图5为实施例2的方法所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的材料金相组织图，为横向50倍(腐蚀)。
具体实施方式
实施例1
一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr 0.05wt％，稀土La 0.02wt％，余量为Cu；Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1150℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在4.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
先对合金溶液精炼除气脱氧，将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在4.0Pa，升温至1200℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧；
然后进行浇铸，浇铸速度为50mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为850℃；得到的型材Ⅰ截面规格为9.05*27.75、倒角为R4.5；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入井式淬火炉中，加热温度为940℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在30％，得到型材Ⅱ，型材Ⅱ的截面规格为7*26、倒角为R3.5；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在460℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在20％，得到型材Ⅲ；型材Ⅲ的截面规格为6*25、倒角为R3；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀。
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。本实施例所制备的开关刀外观如图1所示。
实施例2
一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr 0.058wt％，稀土La 0.03wt％，余量为Cu；Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1200℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在3.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
先对合金溶液精炼除气脱氧，将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在3.0Pa，升温至1250℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧；
然后进行浇铸，浇铸速度为70mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为860℃；得到的型材Ⅰ截面规格为9.05*27.75、倒角为R4.5；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入井式淬火炉中，加热温度为950℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在33％，得到型材Ⅱ，型材Ⅱ的截面规格为7*26、倒角为R3.5；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在470℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在23％，得到型材Ⅲ；型材Ⅲ的截面规格为6*25、倒角为R3；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀。
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。
本实施例所制备的高强高导铜合金负荷开关刀的材料金相组织图如图2-5所示。
实施例3
一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr0.2wt％，稀土La 0.05wt％，余量为Cu；Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1400℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在2.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
先对合金溶液精炼除气脱氧，将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在2.0Pa，升温至1450℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧；
然后进行浇铸，浇铸速度为100mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为900℃；得到的型材Ⅰ截面规格为9.05*27.75、倒角为R2.5；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入井式淬火炉中，加热温度为960℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在35％，得到型材Ⅱ，型材Ⅱ的截面规格为7*26、倒角为R1.5；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在480℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在25％，得到型材Ⅲ；型材Ⅲ的截面规格为6*25、倒角为R1；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀。
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。
实施例4
一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr 0.16wt％，稀土La 0.04wt％，余量为Cu；Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1350℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在3.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
先对合金溶液精炼除气脱氧，将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在3.0Pa，升温至1450℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧；
然后进行浇铸，浇铸速度为80mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为900℃；得到的型材Ⅰ截面规格为9.05*27.75、倒角为R2.5；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入井式淬火炉中，加热温度为950℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在30％，得到型材Ⅱ，型材Ⅱ的截面规格为7*26、倒角为R1.5；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在480℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在25％，得到型材Ⅲ；型材Ⅲ的截面规格为6*25、倒角为R1；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀。
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。
对本发明方法所制备的高强高导铜合金负荷开关刀分别进行取样检测，材料成分取样检测结果见表1。
表1检测结果
Figure BDA0003504631180000121
由表1可以看出，本发明的方法制备的铜合金负荷开关刀材料杂质含量低。
材料机械性能检测结果如表2：
表2材料机械性能检测结果
Figure BDA0003504631180000131
由表2可以看出，本发明的方法制备的铜合金负荷开关刀产品性能优异，其中，导电率>95％/IACS，硬度HV>115，抗拉强度>380MPa，软化温度>400℃。

Claims (4)

1.一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原料配比：
按质量百分比计，原料包括：Cr 0.05wt％～0.2wt％，稀土La 0.02wt％～0.05wt％，余量为Cu；
S2、电磁搅拌真空熔炼：
加料顺序为：片状铜板垫底、上层加入长条铜板并均匀摆放，Cr块用铜皮包裹放在铜板中间位置，稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
采用真空感应炉熔炼加电磁搅拌进行熔炼，熔炼温度控制在1150～1400℃，得到均匀的合金溶液；熔炼过程中充入氩气进行气氛保护，熔炼过程中真空度保持在P≤5.0Pa，熔炼后得到合金溶液；
S3、浇铸：
合金溶液精炼除气脱氧后，进行浇铸，浇铸速度为50～100mm/min，得到合金铸锭；再引入石墨内衬水冷结晶器中进行冷却结晶，并脱模；
S4、热挤压：
采用热挤压机挤压成型材Ⅰ，热挤压温度为850～900℃；
S5、固溶处理：
将热挤压获得的型材Ⅰ放入淬火炉中，加热温度为950℃±10℃，保温2小时，进行水淬；
S6、一次冷拉拔：
将固溶处理完的型材Ⅰ进行一次冷拉拔，变形比控制在30％～35％，得到型材Ⅱ；
S7、时效处理：
将一次冷拉拔获得的型材Ⅱ采用台车炉，在470±10℃的温度条件下保温4小时，进行时效处理，然后随炉空冷；
S8、二次冷拉拔：
将时效处理完的型材Ⅱ进行二次冷拉拔，变形比控制在20％～25％，得到型材Ⅲ；
S9、落料、冲型：
将型材Ⅲ采用模具，进行落料、触点成型、冲孔加工，成型负荷开关刀毛坯；
S10、机械加工：
采用加工中心进行钻孔、铣倒角、切槽，得到高强高导铜合金负荷开关刀；
步骤S1所述Cu包括三种形式：片状铜板、长条铜板、铜皮；
步骤S3所述精炼除气脱氧的方法具体为：将S2得到的合金溶液继续升温，升温过程中向熔炼炉内充入氩气进行气氛保护且真空度保持在P≤5.0Pa，升温至1200～1450℃开始除气，然后向所得均匀的合金溶液中加入相对于其总重量0.5％的含磷量为20wt％的磷铜合金进行脱氧；
稀土La用铜皮包裹并在出炉前5分钟加入；
步骤S4所述型材Ⅰ为截面规格为9.05*27.75、倒角为R4.5或R2.5的型材；
步骤S5所述淬火炉为井式淬火炉。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，其特征在于，步骤S6所述型材Ⅱ为截面规格为7*26、倒角为R3.5或R1.5的型材。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，其特征在于，步骤S8所述型材Ⅲ为截面规格为6*25、倒角为R3或R1的型材。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金负荷开关刀的制备方法，其特征在于，还包括：
S11、表面处理：
对机械加工完成得到的高强高导铜合金负荷开关刀进行表面Cu2Ag12、Ag8处理，防止表面氧化，增加耐磨、提高导电。
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