CN1239723C - 铜基合金电真空触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种铜基合金电真空触头材料及其制备方法，该合金材料的成分以重量百分比计为：Cr 25-50，含量为0.1-5.0的Sm、Y两元素中的一种，余量为Cu。其制备方法为：将Cu、Sm或Cu、Y元素按合金成份要求配制好后，真空熔炼，再通过快速凝固雾化制备CuSm、CuY合金粉末，再将粉末与Cr粉末混合通过机械合金化制备成相应复合粉末，真空热压成型，烧结为片材。该合金具有比现行CuCr25和CuCr50合金较高的物理力学性能和电性能，可用作真空断路器等电真空触头材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基合金电真空材料及其制备方法，用于真空断路器、负荷开关、接触器等电真空器件的触头材料，属于合金导电材料。
背景技术
在电工领域，铜基合金基本的用途是作为导电材料，包括电极材料和触头材料等。名称为：铜基合金电极材料的发明专利申请公开说明书(公开号：CN1231343A，公开日：1999年10月13日)，披露了一种成分为(重量％)：Y0.1～1.0、Cr0.1～2.0、余量Cu的电极材料，采用粉末冶金方法制备的这种材料具有导电导热好等特点，用做电阻焊电极材料或电子工业引线框架材料，但不能用做电真空触头材料。对于电真空触头材料领域，随着通讯、电力、机械、化工、冶金、交通、矿山等行业对输配电系统控制和保护的要求越来越高，影响系统性能的电真空器件和高低压配电成套装置的可靠性和寿命，取决于有关真空断路器、负荷开关、接触器等电真空触头材料的先进性和经济性。CuCr25、CuCr50材料是电真空材料领域最具有代表性，应用最成功的触头材料。大功率、高压、高可靠和长寿命电真空器件和高低压配电成套装置的发展，要求触头材料具有更好的物理力学性能和电性能。目前，国内外在改进CuCr50电真空触头材料综合性能方面的主要途径为：(1)在CuCr合金中添加金属碳化物、金属氧化物和低熔点金属化合物，如CuCrMoC、CuCrBi2O3、CuCrBi2O3、CuCrAlO3、CuCrAgSe等；(2)通过热处理控制触头合金的显微组织，如晶粒细化和球化，来改善触头材料的性能；(3)开发新的合金系列，如CuBi、CuCo、CuW、CuWTe系合金；(4)CuCr25、CuCr50合金一般采用熔渗法、混粉烧结法、电弧熔炼法等工艺技术生产，铬的某些特性以及铬与铜之间的相互作用对其制取工艺的影响相当大，如：铬以氧、氮、硫等间隙元素的高亲和力使得制取气体含量低的合金变得困难。铬的氧化膜对烧结致密化和熔渗完全性的不良影响；铬在熔融中较高的溶解度对熔渗坯块的侵蚀作用等。因此，每一种工艺技术及其操作都有一定的困难，材料性能和生产成本有待于进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于在现有技术的基础上提供一种力学性能电性能更好的铜基合金电真空触头材料。
本发明的另一个目的是提供上述铜基合金电真空触头材料的制备方法。
通过添加稀土元素，在CuCr合金中起到脱氧、脱硫，除去铅、铁、铋、锑等杂质元素的净化作用，此外，熔于铜中的稀土元素，可与其他元素如氧、氮等反应生成高熔点化合物或氧化物(如稀土氧化物熔点＞2000℃)，具有微合金化和变质作用，最终达到改善CuCr25、CuCr50合金的物理力学性能和电性能。
本发明所述的铜基合金电真空触头材料的成份以重量百分比计为：Cr25-50，选自含量为0.1～5.0的Sm、Y两元素中的一种元素，余量为Cu。
本发明所述铜基合金电真空触头材料的制备方法，依序包括下列工艺步骤：
(1)将按比例配制好的铜、钐元素或铜、钇元素置于真空熔炼炉内熔炼，得到CuSm、CuY液态合金，
(2)将(1)步得到的液态合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105～106K/s，采用压力为1.0～2.0Mpa的惰性气体为雾化介质，冷却介质为水，
(3)按照合金成分比例，将(2)步所得CuSm或CuY合金粉末与铬粉混合，置于球磨机中研磨40～50小时，
(4)将(3)步得到的CuSmCr或CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度100～500℃，真空度1×10-3Mpa，
(5)在900～1000℃温度范围内，氢气氛下烧结(4)步得到的坯锭，冷却后得到CuSmCr或CuYCr合金材料。
发明所使用的铜、钐、钇、铬元素的纯度为99.99％，雾化介质为氮气，氩气或氦气等惰性气体，冷却介质为普通水。
本发明的CuSmCr25、CuYCr25、CuSmCr50、CuYCu50材料，通过添加稀土元素钐、钇和采用快速凝固技术、机械合金化和真空温压等组合技术，从微观上和宏观上实现了CuCr25、CuCr50合金组织的均匀化和微细化，从而改善了材料的成型性、压坯密度和强度，降低了烧结温度，改善了产品的加工性能。最终，提高了材料的力学性能和电学性能。本发明的铜基合金电真空触头材料经后续机械加工后可得到片材制成品。
具体实施方式
实施例1.将占铜钐二元素重量0.25％的纯度99.99％的钐与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuSm合金，再将该CuSm合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氮气，压力为1.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuSm合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量50％∶50％混合，置于高能球磨机中研磨40小时，所得CuSmCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度100℃，真空度1×10-3Mpa，在900℃氢气下烧结得到CuSm0.125Cr50合金坯锭材料。
实施例2.将占铜钐二元素重量1.6％的纯度99.99％的钐与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuSm合金，再将该CuSm合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氩气，压力为1.5MPa，冷却介质为水，将得到的CuSm合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量50％∶50％混合，置于高能球磨机中研磨45小时，所得CuSmCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度200℃，真空度1×10-3Mpa，在940℃氢气下烧结得到CuSm0.8Cr50合金坯锭材料。
实施例3：将占铜钐二元素重量4.0％的纯度99.99％的钐与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuSm合金，再将该CuSm合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为106K/s，雾化介质为氮气，压力为2.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuSm合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量25％∶75％混合，置于高能球磨机中研磨50小时，所得CuSmCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度300℃，真空度1×10-3Mpa，在950℃氢气下烧结得到CuSm1.0Cr25合金坯锭材料。
实施例4.将占铜钐二元素重量19.2％的纯度99.99％的钐与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuSm合金，再将该CuSm合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为106K/s，雾化介质为氦气，压力为1.8MPa，冷却介质为水，将得到的CuSm合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量25％∶75％混合，置于高能球磨机中研磨50小时，所得CuSmCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度480℃，真空度1×10-3Mpa，在1000℃氢气下烧结得到CuSm4.8Cr25合金坯锭材料。
实施例5.将占铜钇二元素重量0.4％的纯度99.99％的钇与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuY合金，再将该CuY合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氮气，压力为1.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuY合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量50％∶50％混合，置于高能球磨机中研磨40小时，所得CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度150℃，真空度1×10-3Mpa，在920℃氢气下烧结得到CuY0.2Cr50合金坯锭材料。
实施例6.将占铜钇二元素重量1.6％的纯度99.99％的钇与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuY合金，再将该CuY合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为106K/s，雾化介质为氮气，压力为1.5MPa，冷却介质为水，将得到的CuY合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量50％∶50％混合，置于高能球磨机中研磨46小时，所得CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度300℃，真空度1×10-3Mpa，在960℃氢气下烧结得到CuY0.8Cr50合金坯锭材料。
实施例7.将占铜钇二元素重量4.0％的纯度99.99％的钇与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuY合金，再将该CuY合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氩气，压力为2.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuY合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量25％∶75％混合，置于高能球磨机中研磨50小时，所得CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度350℃，真空度1×10-3Mpa，在980℃氢气下烧结得到CuY1.0Cr25合金坯锭材料。
实施例8.将占铜钇二元素重量10％的纯度99.99％的钇与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuY合金，再将该CuY合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氮气，压力为2.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuY合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量50％∶50％混合，置于高能球磨机中研磨40小时，所得CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度400℃，真空度1×10-3Mpa，在1000℃氢气下烧结得到CuY5.0Cr50合金坯锭材料。
实施例9.将占铜钇二元素重量14％的纯度99.99％的钇与纯度99.99％的铜混合，放于真空中频熔炼炉内熔炼，得到液态CuY合金，再将该CuY合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以冷却，冷却速率为105K/s，雾化介质为氮气，压力为2.0MPa，冷却介质为水，将得到的CuY合金粉末与纯度99.99％的铬粉按重量25％∶75％混合，置于高能球磨机中研磨50小时，所得CuYCr合金粉末真空热压成坯锭，热压温度500℃，真空度1×10-3Mpa，在980℃氢气下烧结得到CuY3.5Cr25合金坯锭材料。
表1本是本发明铜基合金电真空触头材料与国内外同类材料的性能比较。比较结果表明，CuSmCr25，CuYCr25，CuSmCr50，CuYCr50系电真空触头材料的物理力学性能，已经达到或超过国内外现行CuCr25和CuCr50水平。可用作通讯、电力、机械、化工、冶金、交通、矿山等输配电系统控制和保护器中的真空断路器、负荷开关、接触器等电真空触头材料，以满足大功率、高压、高可靠和长寿命电真空器件和高低压配电成套装置的发展要求。
表1
| 材料名称及生产方法 | 生产单位 | 密度(g/cm3) | 相对密度(％) | 硬度(HV) | 抗压强度(MPa) | 气体含量(PPM)O2 N2 |
| CuCr25混粉法 | 国内 | 8.1 | 96.42 | 80 | - | 200 30 |
| CuCr50混粉法 | 国内 | 7.7 | 96.9 | 105 | - | 400 40 |
| CuCr25混粉法 | DODUCO | 8.2 | 97.62 | 85 | - | 200 30 |
| CuCr50混粉法 | DODUCO | 7.62 | 95.9 | 100 | - | 450 50 |
| CuSm1.0Cr25机械合金化 | 昆贵所 | 8.25 | 98.2 | 155 | 0.57 | 350 20 |
| CuSm4.8Cr25机械合金化 | 昆贵所 | 8.28 | 98.6 | 167 | 0.62 | 350 20 |
| CuY1.0Cr25机械合金化 | 昆贵所 | 8.2 | 97.62 | 150 | 0.52 | 340 18 |
| CuY3.5Cr25机械合金化 | 昆贵所 | 8.25 | 98.2 | 157 | 0.63 | 350 17 |
| CuSm0.125Cr50机械合金化 | 昆贵所 | 7.764 | 97.7 | 291 | 1.1 | 360 19 |
| CuSm0.8Cr50机械合金化 | 昆贵所 | 7.77 | 97.7 | 302 | 1.22 | 350 18 |
| CuY0.2Cr50机械合金化 | 昆贵所 | 7.78 | 97.9 | 298 | 1.18 | 350 20 |
| CuY0.8Cr50机械合金化 | 昆贵所 | 7.76 | 97.61 | 285 | 1.26 | 354 20 |
| CuY5.0Cr50机械合金化 | 昆贵所 | 7.8 | 98.11 | 291 | 1.35 | 365 31 |
| CuCr25(企标) | ＞8.1 | ＞96 | ＞80 | ＜400 ＜40 | ||
| CuCr50(企标) | ＞7.7 | ＞97 | ＞100 | ＜500 ＜50 |
Claims (2)
1.一种铜基合金电真空触头材料，其特征在于其材料成份以重量百分比计为：Cr25-50，选自含量为0.1-5.0的Sm元素，余量为Cu。
2.根据权利要求1所述铜基合金电真空触头材料的制备方法，依序包括下列工艺步骤：
(1)将按比例配制好的铜、钐元素置于熔炼炉内熔炼，得到CuSm液态合金，
(2)将(1)步得到的液态合金雾化成粉末，雾化的同时对粉末加以快速冷却，冷却的速率为105～106K/s，雾化采用的介质为惰性气体，其压力为1.0～2.0MPa，冷却采用的介质为水，
(3)按照合金成分比例，将(2)步所得CuSm合金粉末与铬粉混合，置于球磨机中研磨40～50小时，
(4)将(3)步得到的CuSmCr合金粉末于100～500℃下真空热压成坯锭，
(5)在900～1000℃温度范围内，氢气氛下烧结(4)步得到的坯锭，冷却后得到CuSmCr合金材料坯锭。
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