CN1260382C - 铜基合金电真空触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜基合金及其制备方法。铜基合金重量百分比成分构成为：Cr25，含量为0.1～0.5的Ni、W之任一种，余量Cu。其制备方法采用真空感应熔炼，加入添加剂Al、Zr、Mn、Ti之任一种脱氧，单片氧化铝陶瓷铸模浇注，常规车铣。本发明得到的铜基合金具有组织均匀、密度高、气体含量低的特点，采用熔铸技术和块状原料，大大地降低了制造成本。本发明铜基合金可用做电真空触头材料。
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，特别是含有金属元素Cr的铜基合金电真空材料，该材料可用做真空断路器、负荷开关、接触器等电真空器件的触头材料。
背景技术
在电工领域，铜基合金的基本用途是作为导电材料，包括电极和触头材料等。在电真空触头材料应用领域，输配电系统性能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CuCr合金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、CuCrAl2O3、CuCrAgSe等；(2)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)CuCr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。由于铬的某些特性以及铬与铜之间的相互作用，使合金制备工艺受到较大的影响，如：铬与氧、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十分困难。铬的氧化膜对烧结致密化和熔渗完全性产生不良影响。铬在熔融体中较高的溶解度对熔掺坯块具有侵蚀作用等。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
本发明的目的是在CuCr25合金的基础上提供一种力学性能和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生产方法。
实现本发明第一个目的的铜基合金电真空触头材料的成分为(重量％)：含量为25的Cr，含量为0.1～0.5的Ni、W之任一种，余量为Cu。
本发明采用下述顺序的工艺步骤实现上述第二个发明目的：①将按比例配制好的铜、铬、镍或铜、铬、钨置于感应熔炼炉内ZrO2坩埚中，抽真空并保持真空度≤100Pa，通电感应熔化炉料使铜完全熔化；②充入Ar气并保持感应炉内压力为20～60Kpa，继续熔炼，使铬和其它金属熔化；③加入按铜、铬、镍或铜、铬、钨总重量计100～500ppm的金属Al、Zr、Mn、Ti之任一种，保持熔体温度1750～1850℃，精练；④将经步骤③得到的液态合金注入单片氧化铝陶瓷铸模内，冷却，取出铸模，得到铸片，经后续常规处理即得到铜基合金电真空触头材料成品。
为更好地实现本发明的目的二，在进行步骤①抽真空后，感应炉内真空度可保持≤20Pa，步骤②充入Ar气后，感应炉内压力可保持在20～40kPa范围；步骤③的精炼时间可采用3～6分钟范围；在将步骤③得到的液态合金注入单片氧化铝陶瓷铸模内之前，可预热单片氧化铝陶瓷铸模并保持其温度在350～450℃范围；发明使用的原材料铜、铬、镍、钨和添加物Al、Zr、Mn、Ti都可以是块状材料。
本发明所用的原材料铜的纯度为99.9％以上，铬的纯度为99.5％以上，镍和钨的纯度为99.9％以上，添加物Al、Zr、Mn、Ti的纯度均为99.9％以上，Ar气纯度为分析纯。
对于本发明的铜基合金电真空触头材料制备方法，第一步骤中抽真空并保持真空度≤100Pa的作用首先在于脱除氧气，避免熔炼过程中铜被氧化，因此，感应炉需保持较高的真空度；第二步骤充入Ar气并保持感应炉内压力为20～60kPa的作用是防止液态铜挥发，和保证感应炉的负压密封，能够实现这两个要求的感应炉内Ar气压力范围可以超出20～60kPa；第三步骤的作用是脱除熔体中的氧气，因此达到该目的的添加剂Al、Zr、Mn、Ti的加入量可以超出100～500ppm，熔体温度范围可以超出1750～1850℃，精练时间可以超出3～6分钟范围；第四步骤中单片氧化铝陶瓷铸模浇注时，铸模温度会影响铜基合金电真空触头材料的成品率，冷态铸模将降低成品率，过高的铸模温度会影响熔体的冷凝速度，采用经过预热后温度处于350-450℃范围的铸模可大大提高成品率。
CuCr合金是真空断路器领域的核心部件。本发明在合金中添加镍或钨形成晶核，利于晶粒生长和细化。此外，采用单片氧化铝陶瓷铸模铸造技术，加快了冷凝速度，可有效地控制合金中Cr的晶粒形态和粒度尺寸，使Cr颗粒成球形，平均尺寸小于35μm，达到获得组织均匀的触头产品目的。在铜基合金电真空触头材料制备过程中，通过加入Al、Zr、Mn或Ti，与金属中的氧反应，有效地降低了合金中气体的含量，获得的合金中氧含量不大于200ppm，氮含量不大于20ppm。本发明通过添加镍、钨以及采用真空熔炼单片模铸造制备方法获得的CuCr25Ni、CuCr25W合金，组织均匀、密度高、气体含量低。与普通粉末冶金法相比，本发明使用块状原料，降低产品制造成本大约50％。表一是本发明铜基合金电真空触头材料与同类材料的性能比较。表二是本发明铜基合金配料。
附图说明
图1为单片氧化铝陶瓷铸模沿轴线剖面结构示意图。单片氧化铝陶瓷铸模轴向横截面形状可以是圆形、方形或其它形状。氧化铝陶瓷铸模内部铸造腔片模数量可根据实施规模需要作出增减。图中(1)为单片氧化铝陶瓷铸模浇注通道，(2)为铸模单片铸造腔，(3)为氧化铝铸模基体。
具体实施方式
实施例1
按照表二所示编号1铜基合金配比，秤取块状原料，按照下列步骤操作：①预先将块状金属Al500mg置于感应熔炼炉中加料斗内，然后将原料置于感应熔炼炉内ZrO2坩埚中，抽真空并保持感应炉真空度≤100Pa，通电感应熔化炉料，待铜完全熔化后；②充入Ar气使感应炉内压力达到20KPa，继续升温，待铬和镍熔化后；③降低并保持熔体温度1750℃，将预置脱氧剂金属Al加入熔体内，精炼3分钟后；④将步骤③得到的液态合金注入经过预热后温度为350℃的单片氧化铝陶瓷铸模内，冷却，取出铸模，得到铸片，经后续车铣处理即得到铜基合金电真空触头材料成品。
实施例2
按照表二所示编号2铜基合金配比，秤取块状原料，按照下列步骤操作：①预先将块状金属Zr1500mg置于感应熔炼炉中加料斗内，然后将原料置于感应熔炼炉内ZrO2坩埚中，抽真空并保持感应炉真空度≤50Pa，通电感应熔化炉料，待铜完全熔化后；②充入Ar气使感应炉内压力达到40KPa，继续升温，待铬和镍熔化后；③降低并保持熔体温度1800℃，将预置脱氧剂金属Zr加入熔体内，精炼5分钟后；④将步骤③得到的液态合金注入经过预热后温度为400℃的单片氧化铝陶瓷铸模内，冷却，取出铸模，得到铸片，经后续车铣处理即得到铜基合金电真空触头材料成品。
实施例3
按照表二所示编号3铜基合金配比，秤取块状原料，按照下列步骤操作：①预先将块状金属Ti2500mg置于感应熔炼炉中加料斗内，然后将原料置于感应熔炼炉内ZrO2坩埚中，抽真空并保持感应炉真空度考20Pa，通电感应熔化炉料，待铜完全熔化后；②充入Ar气使感应炉内压力达到60KPa，继续升温，待铬和钨熔化后；③降低并保持熔体温度1850℃，将预置脱氧剂金属Ti加入熔体内，精炼6分钟后；④将步骤③得到的液态合金注入经过预热后温度为450℃的单片氧化铝陶瓷铸模内，冷却，取出铸模，得到铸片，经后续车铣处理即得到铜基合金电真空触头材料成品。
表一本发明铜基合金电真空触头材料与同类材料的性能比较
| 合金序号 | 密度(g/cm3) | 相对密度(％) | 硬度(HV) | 电导率(Ms/m) | 气体含量(PPM)O2 N2 | 铬晶粒尺寸(μm) |
| 1 | 8.4 | 100 | 90 | 25 | 200 20 | 35 |
| 2 | 8.4 | 100 | 93 | 23 | 200 20 | 20 |
| 3 | 8.4 | 100 | 92 | 23 | 200 20 | 10 |
| CuCr25混粉法 | 8.1 | 96 | 80 | 22 | 300 30 | |
| CuCr25熔浸法 | 8.2 | 98 | 85 | 23 | 300 30 |
表二铜基合金配料
| 配料序号 | 配料(g) | |||
| Cu | Cr | Ni | W | |
| 1 | 3745 | 1250 | 5 | 0 |
| 2 | 3735 | 1250 | 15 | 0 |
| 3 | 3725 | 1250 | 0 | 25 |
Claims (6)
1.一种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将按重量百分比为25的Cr，重量百分比0.1～0.5的Ni、W之任一种，余量为Cu比例配制好后，置于感应熔炼炉内ZrO2坩埚中，抽真空并保持真空度≤100Pa，通电感应熔化炉料使铜完全熔化；
②充入Ar气并保持感应炉内压力为20～60kPa，继续熔炼，使铬和其它金属熔化；
③加入按铜、铬、镍或铜、铬、钨总重量计100～500ppm的金属Al、Zr、Mn、Ti之任一种，保持熔体温度1750～1850℃，精炼；
④将经步骤③得到的液态合金注入单片氧化铝陶瓷铸模内，冷却，取出铸模，得到铸片，经后续常规处理即得到铜基合金电真空触头材料成品。
2.根据权利要求1所述铜基合金电真空触头材料制备方法，其特征在于步骤①所述抽真空达到和保持的感应炉真空度≤20Pa。
3.根据权利要求1所述铜基合金电真空触头材料制备方法，其特征在于步骤②所述感应炉内压力为20～40kPa。
4.据权利要求1所述铜基合金电真空触头材料制备方法，其特征在于步骤③所述精炼时间3～6分钟。
5.根据权利要求1所述铜基合金电真空触头材料制备方法，其特征在于步骤④所述将经③步得到的液态合金注入单片氧化铝陶瓷铸模内之前，单片氧化铝陶瓷铸模的温度为350～450℃。
6.根据权利要求1、2、3、4、5之一所述铜基合金电真空触头材料制备方法，其特征在于原材料铜、铬、镍、钨为块状材料，添加物Al、Zr、Mn、Ti为块状材料。
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