專利名稱：一種銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法
技術領域：
本發明涉及一種制作電工材料領域用的銅鉻合金觸頭材料的制備方法，尤其是利
用真空非自耗電弧熔煉和真空吸鑄雙聯技術生產銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法。
背景技術：
銅鉻(CuCr)合金因具有較好的耐電壓強度和良好的開斷電流能力，作為觸頭材 料廣泛用于中高壓真空斷路器中。氣體、雜質含量和顯微組織形貌等是決定其性能的關鍵。 當材料中含有較高的氧含量或較多的夾雜物時，將極大地損害觸頭性能甚至不能使用。合 金顯微組織的不均勻將會產生偏析，降低合金的使用性能。合金中的Cr相越細小，則耐電 壓強度越高。因此，不斷降低材料中的氣體含量、減少夾雜物的污染和顯微組織細小均勻化 是發展高性能CuCr觸頭材料的關鍵。 目前，國內外生產CuCr合金主要有五種工藝路線 1、混粉法將一定比例的Cu粉和Cr粉充分混合，冷壓成型，再經真空燒結或熱等 靜壓而成。混粉法的優點是工藝簡單，成熟度高，缺點是對原材料氣體含量有極為嚴格的要 求，很難獲得低氣體含量的產品，致密度較低也是一個重要缺陷。 2、熔滲法將適量的Cr粉和其他組分充分混合壓制，在真空或惰性保護氣氛中燒 結成一定孔隙度的Cr骨架，而后在真空中滲Cu，由于毛細作用，液態Cu被吸入骨架的孔隙 中，形成密度在98%理論密度以上的致密的CuCr觸頭合金。 3、自耗電極法將Cu粉和Cr粉裝入薄壁Cu管中或者將混粉法制成的CuCr合金 棒在真空電弧爐中作為陰極進行自耗熔煉，所得錠坯再經熱擠壓進一步提高致密度。自耗 法制備工藝復雜，成本高。 4、真空感應熔煉法將一定比例的銅塊和鉻塊在真空中頻感應熔煉爐中熔化去 氣，待完全熔化后澆入特制的模具中。 5、霧化制備法將一定比例的銅塊和鉻塊在真空中頻感應熔煉爐中熔化成預制合 金錠后，將預制合金錠通過氣體霧化法快速凝固制備銅鉻合金塊體材料。這種方法制備的 銅鉻合金由于熔化溫度高，對坩堝嘴有特殊的要求。 這五種工藝方法中前三種對原材料特別是Cr粉性能有嚴格要求，如果Cr粉的氧 含量較高，在真空或保護氣氛環境中燒結都不能有效脫除Cr粉的氧，最終將使CuCr觸頭中 具有極高的氧含量。過高的氧含量會使觸頭在開斷電流時放出大量氣體，損害真空滅弧室 的真空和絕緣能力，使真空斷路器開斷失敗，造成嚴重事故。采用真空感應熔煉法和霧化制 備法中雖然能夠獲得低的氣體含量，但由于銅鉻合金的熔煉是在極高溫度下進行的，由于 高溫下銅鉻合金容易與坩堝材料發生反應，造成合金受到污染，并且坩堝材料中往往存在 較多的夾雜物，降低了觸頭的可靠性。
發明內容
本專利針對現有技術中制備CuCr合金方法的上述不足，采用真空非自耗電弧熔煉和真空吸鑄的雙聯制備技術，提供一種用于制備高性能、低氣體含量和低夾雜物的快速 凝固銅鉻合金觸頭材料。 本發明的技術方案銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，其特征在于包括如 下步驟 (1)按照合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為5wt% 50wt^的 比例配樣；對應的銅金屬重量含量為50wt% 95wt% ; (2)在惰性氣體保護下，將配制好的銅鉻材料粉末或者塊體通過真空非自耗電弧 熔煉； (3)將真空非自耗電弧熔煉的銅鉻合金塊體翻轉，重復熔煉若干次，待合金樣品完 全熔化； (4)將完全熔化的銅鉻合金在惰性氣氛保護下繼續熔化，熔化后迅速熄弧，并打開 真空閥門，利用負壓的作用力，將熔化的銅鉻合金液吸鑄到鑄模中實現快速冷卻凝固得到 銅鉻合金錠。 進一步的特征是在真空非自耗電弧熔煉中，采用高純氬氣作為惰性保護氣 氛，先抽真空后充入保護惰性保護氣體，真空度為10—3 10—乍a，充入保護氣氛后壓力為 0. 3-0. 8MPa。 在真空吸鑄冷卻過程中，所述的鑄模是銅模，采用銅模進行吸鑄冷卻凝固。 本發明的銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，相對現有技術，具有如下特
點 1、本方法制備的銅鉻合金觸頭材料合金成分均勻，氧、氮等氣體含量低，組織致 密、Cr相細小，成分均勻、純凈度高，夾雜物少；大幅度提高銅鉻合金觸頭材料的性能
2、采用本發明觸頭材料制作的高壓真空斷路器，具有優異的真空和絕緣能力，滿 足高性能輸變電設備的需要。 3、本方法操作簡單方便，不需要復雜的設備。
具體實施例方式本發明的銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，其步驟是 1、按照合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為5wt% 50wt^的比 例配樣； 2、在惰性氣體保護下，將配制好的銅鉻材料粉末或者塊體通過真空非自耗電弧熔 煉； 3、將真空非自耗電弧熔煉的銅鉻合金塊體翻轉，重復熔煉若干次，如反復3-5次， 待合金樣品完全熔化； 4、將完全熔化的銅鉻合金在惰性氣氛保護下繼續熔化，以降低銅鉻合金內相關氣 體的含量并使兩者混合均勻，熔化后迅速熄弧，并打開真空閥門，利用負壓的作用力，將熔 化的銅鉻合金液吸鑄到鑄模中實現快速冷卻凝固得到銅鉻合金錠。 在真空非自耗電弧熔煉中，采用高純氬氣作為惰性保護氣氛，先抽真空后充入保
護惰性保護氣體，真空度為10—3 10—乍a，充入保護氣氛后壓力為0. 3-0. 8MPa。 在真空吸鑄冷卻過程中，所述的鑄模是銅模，采用銅模進行吸鑄冷卻凝固。銅鉻合金是銅粉和鉻粉或者銅塊和鉻塊，按照上述比例配制；將按照比例配好的銅鉻合金原材料通過真空非自耗電弧熔煉技術熔煉銅鉻合金，利用真空的負壓作用進行吸鑄，銅鉻合金液吸鑄到鑄模中實現快速冷卻凝固。
實施例1 : 取銅粉與鉻粉各占總重量的50%，放入真空非自耗電弧熔煉中感應熔煉中，抽真空至7. OX 10—4Pa后充入高純氬氣至0. 6MPa，并通過真空系統抽真空吸鑄用真空室至4Pa，接通電弧熔煉電源，調節輸入電流至250A，通過紅外測溫儀觀察合金液的溫度，待合金錠完全熔化后，熄弧，在熔煉室內翻轉合金樣品，重新起弧熔煉合金樣品，如此重復3-5次，合金樣品熔化充分。此后，重新起弧熔煉(使合金樣品樣品中溶解的氣體盡可能揮發出來，降低相關氣體含量并使兩者混合均勻)，待合金完全熔化完畢后迅速打開閥門，合金液在負壓的作用下吸鑄到銅模中，采用高純惰性氣體冷卻或者水冷卻，快速冷卻凝固得到合金錠。
實施例2: 取銅塊與鉻塊重量比為75 : 25，放入真空非自耗電弧熔煉中感應熔煉中，抽真空至8. 0 X 10—4Pa后充入高純氬氣至0. 4MPa，并通過真空系統抽真空吸鑄用真空室至3Pa，接通電弧熔煉電源，調節輸入電流至220A，通過紅外測溫儀觀察合金液的溫度，待合金錠完全熔化后，熄弧，在熔煉室內翻轉合金樣品，重新起弧熔煉合金樣品，如此重復3-5次，合金樣品熔化充分。此后，重新弧熔煉，待合金完全熔化完畢后迅速打開閥門，合金液在負壓的作用下吸鑄到銅模中，采用高純惰性氣體冷卻或者水冷卻，快速冷卻凝固得到合金錠。
實施例3 : 取銅粉與鉻粉重量比為70 : 30，放入真空非自耗電弧熔煉中感應熔煉中，抽真空至1. 3 X 10—3Pa后充入高純氬氣至0. 5MPa，并通過真空系統抽真空吸鑄用真空室至4Pa，接通電弧熔煉電源，調節輸入電流至240A，通過紅外測溫儀觀察合金液的溫度，待合金錠完全熔化后，熄弧，在熔煉室內翻轉合金樣品，重新起弧熔煉合金樣品，如此重復3-5次，合金樣品熔化充分。此后，重新起弧熔煉，待合金熔化完畢后迅速打開閥門，合金液在負壓的作用下吸鑄到銅模中，采用高純惰性氣體冷卻或者水冷卻，快速冷卻凝固得到合金錠。
實施例4 : 取銅塊與鉻塊重量比為85 : 15，放入真空非自耗電弧熔煉中感應熔煉中，抽真空至1. 5 X 10—3Pa后充入高純氬氣至0. 3MPa，并通過真空系統抽真空吸鑄用真空室至5Pa，接通電弧熔煉電源，調節輸入電流至200A，通過紅外測溫儀觀察合金液的溫度，待合金錠完全熔化后，熄弧，在熔煉室內翻轉合金樣品，重新起弧熔煉合金樣品，如此重復3-5次，合金樣品熔化充分。此后，重新起弧熔煉(能降低合金樣品內的相關氣體含量并使兩者混合均勻)，待合金完全熔化完畢后迅速打開閥門，合金液在負壓的作用下吸鑄到銅模中，采用高純惰性氣體冷卻或者水冷卻，快速冷卻凝固得到合金錠。 銅塊與鉻塊重量比還可以是如下比例，95 : 5，92 : 8，90 : 10，88 : 12，84 : 16，80 : 20， 76 : 24， 72 : 28， 68 : 32， 65 : 35， 60 : 40， 58 : 42， 55 : 45等，都能滿足本發明制備方法的要求。 最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，盡管申請人參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理
解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中,
權利要求
一種銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)按照合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為5wt％～50wt％的比例配樣；(2)在惰性氣體保護下，將配制好的銅鉻材料粉末或者塊體通過真空非自耗電弧熔煉；(3)將真空非自耗電弧熔煉的銅鉻合金塊體翻轉，重復熔煉若干次，待合金樣品完全熔化；(4)將完全熔化的銅鉻合金在惰性氣氛保護下繼續熔化，熔化后迅速熄弧，并打開真空閥門，利用負壓的作用力，將熔化的銅鉻合金液吸鑄到鑄模中實現快速冷卻凝固得到銅鉻合金錠。
2. 根據權利要求1所述的銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，其特征在于在真 空非自耗電弧熔煉中，采用高純氬氣作為惰性保護氣氛，先抽真空后充入保護惰性保護氣 體，真空度為lO—3 10—乍a，充入保護氣氛后壓力為0. 3-0. 8MPa。
3. 根據權利要求1所述的銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，其特征在于在真 空吸鑄冷卻過程中，所述的鑄模是銅模，采用銅模進行吸鑄冷卻凝固。
全文摘要
本發明公開了銅鉻合金觸頭材料的快速凝固制備方法，按照合金成分，將銅金屬和鉻金屬材料按照鉻重量含量為5wt％～50wt％的比例配樣；在惰性氣體保護下，將配制好的銅鉻材料粉末或者塊體通過真空非自耗電弧熔煉；將真空非自耗電弧熔煉的銅鉻合金塊體翻轉，重復熔煉若干次，待合金樣品完全熔化；將完全熔化的銅鉻合金在惰性氣氛保護下繼續熔化，熔化后迅速熄弧，并打開真空閥門，利用負壓的作用力，將熔化的銅鉻合金液吸鑄到鑄模中實現快速冷卻凝固得到銅鉻合金錠。本方法制備的銅鉻合金觸頭材料合金成分均勻，氧、氮等氣體含量低，組織致密、Cr相細小，成分均勻、純凈度高，夾雜物少，滿足高性能輸變電設備的需要。
文檔編號B22D18/06GK101716670SQ20091019126
公開日2010年6月2日 申請日期2009年10月29日 優先權日2009年10月29日
發明者周志明, 唐麗文, 夏華, 曹敏敏, 李又兵, 胡建軍, 陳元芳, 雷彬彬 申請人:重慶理工大學