CN1272453C - 大功率真空断路开关触头材料用CuCr25合金块体材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率真空断路开关触头材料用CuCr25合金材料的制备方法，该合金成分为Cu72～77wt%，Cr23～28wt%。按合金成分配料，在惰性气氛保护下将原料熔化，浇铸成合金预制锭。在惰性气氛下升温至2200℃将合金预制锭熔化，以高纯惰性气体为雾化气体，进行快速凝固喷射成形技术制备，雾化压力为0.5～1.0MPa。本发明的CuCr25合金触头材料的合金成分均匀、显微组织均匀细小、第二相Cr呈球形弥散地分布于Cu基体中、氧含量低、氮含量低。这种工艺制备的CuCr25合金的Cr相尺寸大约在3～8μm，只是传统CuCr25合金触头材料中Cr相尺寸的十分之一左右，这种新型工艺制备的新型材料具有更高的耐电压和抗电击穿性能，是一种高性能的触头材料。

Description

大功率真空断路开关触头材料用CuCr25合金块体材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能CuCr25合金块体触头材料的制备方法，更具体地说是大功率真空断路开关触头材料用CuCr合金块体材料的制备方法。

背景技术

Cu-Cr合金触头(Cr含量25～50wt％)具有分断电流能力大、耐电压强度高、电弧烧损率低等优点，是目前国内外制造大功率真空断路开关时普遍采用、同时对开关性能起决定性作用的关键部件。

高质量的Cu-Cr合金触头(材料)必需同时满足以下三个基本要求：(1)第二相Cr颗粒尺寸尽可能细小且在触头表面均匀分布；(2)具有尽可能低的气体含量；(3)具有尽可能高的致密度。由于CuCr合金属于偏晶系合金，采用传统铸锭工艺基本无法制备。目前，国际上CuCr合金主要有三种制备方法：(1)混粉法，将主要成分的Cr粉和一定比例的Cu粉均匀混合，经冷压和热压烧结成形，制备成块体触头材料；(2)熔渗法，将适量的的Cu粉和全部Cr粉制成预制骨架，然后利用重力在真空下向骨架中熔渗Cu；(3)自耗电极法，将一定比例的Cu粉和Cr粉压制成自耗电极棒坯，然后制备具有快速凝固组织的触头材料。前两种方法由于受原材料中尺寸较大的Cr颗粒的限制，难以获得高质量的触头材料，同时成品率较低，而自耗电极法制备工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大功率真空断路开关触头材料的CuCr合金低成本快速凝固块体材料的制备方法。由于传统触头制备技术存在上述问题，因此本发明制备的CuCr合金块体材料的制备方法，有利于解决上述问题，同时大幅度提高触头材料的综合使用性能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种大功率真空断路开关触头材料用CuCr25合金块体材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu72～77wt％，Cr23～28wt％。

一种制备所述的大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法，该方法包括下述步骤：

(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为Cu72～77wt％，Cr23～28wt％，进行配料；

(2)在惰性气体中，升温至2000～2200℃将原料熔化，浇铸成预制锭；

(3)在惰性气体中，升温至2000～2200℃将合金预制锭熔化，所述的将合金预制锭熔化过程是将合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化，感应加热熔炼炉的温度控制为2200～2400℃，再经感应加热中间包加热，感应加热中间包的温度控制为2000～2200℃；将合金预制锭熔化后，进行雾化，所述雾化的过程是将熔化后的熔体通过与非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管，导流管为感应加热，导流管的温度控制为2000～2200℃，导流管的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，雾化气体为惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；

(4)在气雾化的同时，以转速V₂旋转接收盘，0＜V₂≤120rpm；并使接收盘朝与水平面的垂线成30～35角度下拉，下拉的速度V₁，0＜V₁≤30mm/min，使雾化液滴直接沉积到接收盘上，得到圆锭形状的CuCr25合金块体材料。

制备出具有快速凝固组织的CuCr25块体触头材料，该块体材料经后续热挤压变形加工成具有一定尺寸的棒坯，然后切片制成各规格的触头片。

在上述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法中，在所述步骤(2)、(3)中，惰性气体为高纯氩气或高纯氮气。

在上述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法中，在上述步骤(3)中，所述合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化后，保温8-15min，使合金熔体均匀化。

在上述的所述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法中，所述的步骤(2)和(3)中，所述的惰性气体保护是采用先抽真空，后充入惰性气体，在抽真空的过程中，真空度为10^-2～10^-3Pa。

在上述的所述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法中，在所述步骤(4)中，接收盘下拉的角度是与水平面的垂线成30～35角度，下拉的速度V₁，0＜V₁≤30mm/min，接收盘的转速V₂，0＜V₂≤120rpm。接收盘下拉的速度及接收盘的转速的具体数值要根据单位时间喷嘴进行气雾化合金粉末的重量而定。

本发明所使用的原料Cu为无氧Cu，原料Cr为热解Cr。

该发明的方法关键在于Cu-Cr合金粉末的高真空高温喷射成形制备工艺。由于Cu-Cr合金在相图上属于偏晶系合金，其熔点高达1800℃以上，而合金熔体雾化时的实际温度更高达2200℃以上，就给这种合金粉末的快速凝固喷射成形制备过程带来了很大的困难。为解决这一问题从工艺上考虑，本发明在上述设备上设计了三感应加热系统------在感应加热熔炉上设计了熔炼炉感应加热(2200～2400℃)、在感应加热中间包上设计了中间包感应加热(2000～2200℃)、在导流管上设计了导流管系统感应加热(2000～2200℃)，要求导流管在极短的时间内可以加热至2000～2200℃。

为了保证制备过程的连续进行，本发明研究了一种高纯度的ZrO陶瓷导流材料，该材料可耐2200℃以上的高温，并具有良好的抗冲刷能力和抗热振性能。

由于制备过程是在2200℃的高温下进行，因此接收装置采用全密封集成外加水冷的冷却方式，按一定角度将冷却水夹套安装在接收盘的侧壁上。

利用本发明方法和设备制备出Φ200mm以上的CuCr25合金圆锭，机加工扒皮，在860～960℃热挤压成一定尺寸的圆锭(例如Φ60mm)，然后切片成一定厚度的触头片。

本发明的优点在于：

(1)CuCr25合金块体材料气体含量低；

(2)材料中第二相Cr呈球形，尺寸细小且均匀分布；

(3)块体材料经挤压后致密度高，可达理论密度的99％以上；

(4)具有快速凝固组织的CuCr25块体材料具有高的耐电压和抗击穿能力，是高性能的触头材料。

附图说明

图1为本发明的制备方法中制备装置示意图

图2为本发明的制备方法中接收装置示意图

图3为用本发明的方法所制备的CuCr25合金触头材料的合金的微观组织照片

图4为用本发明的方法所制备的CuCr25合金触头样品照片

具体实施方式

由于CuCr合金在相图上属于偏晶系合金，其熔点高达1800℃以上，而合金熔体雾化时的实际温度更高达2200℃以上，且还必须快速凝固气雾化。因此，本发明可以采取下述的制备装置配合本发明的方法进行制备合金粉末。如图1所示，该制备装置是采用上、下两个罐体，上罐体为熔炼罐体1、下罐体为接收罐体2，熔炼罐体1内从上到下依次设有感应加热熔炉3、感应加热中间包4。感应加热中间包4的进口上对感应加热熔炼炉3的出口，而感应加热中间包4的出口接导流管5，导流管5的出口通入接收罐体2内。在导流管5管壁的四周设有感应加热系统6，并在导流管5的出口处设有非限制式气流雾化喷嘴7，导流管5的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，且导流管5与非限制式气流雾化喷嘴7之间采用的是分离配合方式。由于合金雾化温度很高，因此在气雾化过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导液管与喷嘴之间采用的是分离配合方式。采用这种喷嘴进行气雾化合金粉末的制备，避免了高熔点合金雾化给限制式喷嘴使用时所带来的种种问题。

在接收罐体2中安装接收装置，接收装置为公知设备。如图2所示，接收装置包括两部分，即旋转部21和升降部22，旋转部21是在接收座23上设有旋转牵引电机24、该旋转牵引电机24通过传动机构与旋转主轴26动力连接，该旋转主轴26上设有接收盘27；升降部22是在机座上设有升降牵引电机28，该升降电机通过传动机构29与丝杠30动力连接，并在机座上设有与丝杠30平行的光杠31，丝杠30和光杠31与水平面的垂线成30～35角度，接收座23固接行程件32，行程件32上设有螺母和套管头，螺母与丝杠30螺接，套管头与光杠31套接，在制备过程中，启动旋转牵引电机24，高速旋转接收盘23，并启动升降牵引电机28，使丝杠30转动，螺母也随之移动，并以光杠31为轨道在光杠31上滑动，以一定的角度和速度下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，得到一定直径的圆锭。

上述制备装置是为了配合本发明的工艺方法，但完成本发明的方法并不局限于该制备装置，也可以采用其它方式的制备装置进行本发明的工艺方法。

实施例：

按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为Cu75wt％，Cr25wt％，进行配料；在惰性气体保护下，将上述原料放入升温至2100℃将原料熔化，浇铸成预制锭；配制合金预制锭以后，如图1所示，在熔炼罐体1内先抽真空，真空度为10^-3pa，后充入高纯氩气至常压，在惰性气体保护下，将合金预制锭在感应加热熔炼炉4中熔化，感应加热熔炼炉4的温度控制为2300℃，保温10min；再经感应加热中间包6加热，感应加热中间包6的温度控制为2100℃，熔化后的熔体通过导流管5，导流管5的温度控制为2100℃。采用高纯氩气进行气雾化，雾化压力1.0Mpa。如图2所示，开启旋转电机24、升降电机28，以转速为60～120rpm，高速旋转接收盘，接收盘下拉的角度是与水平面的垂线成35角度，下拉的速度为20～30mm/min，下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，一次性连续雾化30公斤Cu75Cr25合金高温熔体时，制备出重20Kg的CuCr合金沉积圆锭坯件，将圆锭扒皮、热挤压变形加工致密化，加工成一定直径的棒坯。

用本发明的方法所制备的CuCr25合金触头材料的合金的微观组织照片如图3所示，本发明的CuCr25合金触头材料的合金成分均匀、显微组织均匀细小、第二相Cr呈球形弥散地分布于Cu基体中。且氧含量低、氮含量低。这种工艺制备的CuCr25合金的Cr相尺寸大约在3～8μm，只是传统CuCr25合金触头材料中Cr相尺寸的十分之一左右，这种新型工艺制备的新型材料具有更高的耐电压和抗电击穿性能，是一种高性能的触头材料。用本发明的方法所制备的CuCr25合金触头样品照片如图4所示。

Claims (4)

1、一种制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为Cu72～77wt％，Cr23～28wt％，进行配料；

(2)在惰性气体中，升温至2000～2200℃将原料熔化，浇铸成预制锭；

(3)在惰性气体中，升温至2000～2200℃将合金预制锭熔化，所述的将合金预制锭熔化过程是将合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化，感应加热熔炼炉的温度控制为2200～2400℃，再经感应加热中间包加热，感应加热中间包的温度控制为2000～2200℃；将合金预制锭熔化后，进行雾化，所述雾化的过程是将熔化后的熔体通过与非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管，导流管为感应加热，导流管的温度控制为2000～2200℃，导流管的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，雾化气体为惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；

(4)在气雾化的同时，以转速V₂旋转接收盘，0＜V₂≤120rpm；并使接收盘朝与水平面的垂线成30～35角度下拉，下拉的速度V₁，0＜V₁≤30mm/min，使雾化液滴直接沉积到接收盘上，得到圆锭形状的CuCr25合金块体材料。

2、根据权利要求1所述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法，其特征在于：在所述步骤(2)、(3)中，惰性气体为高纯氩气或高纯氮气。

3、根据权利要求1或2所述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法，，其特征在于：在上述步骤(3)中，所述合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化后，保温8-15min。

4、根据权利要求3所述的制备大功率真空断路开关用触头材料用CuCr25合金块体材料的方法，其特征在于：所述的步骤(2)和(3)中，所述的惰性气体保护是采用先抽真空，后充入惰性气体，在抽真空的过程中，真空度为10^-2～10^-3Pa。

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