專利名稱：一種銅鉻合金鑄坯的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種合金材料的鑄造方法，尤其涉及一種用于電器觸頭的銅鉻合金鑄 坯的制備方法。
背景技術：
銅鉻合金(如CuCr25)材料是電真空材料領域最具有代表性，應用最成功的觸頭 材料之一。大功率、高壓、高可靠性和長壽命的電真空器件以及高低壓配電成套裝置的發 展，要求觸頭材料具有更好的物理理學性能和電性能。大量研究表明，適當的材料合金化能 夠顯著改善銅鉻基觸頭材料的組織和性能，因而成為銅鉻基觸頭材料發展的重要方向，尤 其是在我國生產裝備條件還與發達國家尚有較大差距的情況下。研究表明，在銅鉻觸頭材料中單獨添加或者復合添加元素鎢(W)、鈷(Co)、鈮(Nb) 和鉭(Ta)，都會提高銅鉻合金材料的機械強度和硬度，強化合金組織中的鉻相，改善觸頭電 氣耐壓和開斷性能。然而向銅鉻觸頭材料中添加其他元素的組元，即第三組元時，所添加的 第三組元必須以均勻分散的方式分布于合金中，如果添加的元素組元分布得不均勻，就會 導致合金中鉻依附團聚的添加元素長大，形成鉻相的偏析，從而導致銅鉻合金性能的下降。 為了使得添加的第三組元均勻分散，目前普遍采用粉末冶金法和熔滲法。粉末冶金法是按一定比例，將一定粒度的銅粉、鉻粉和第三組元粉末在保護氣氛 下充分混合、壓制成形，并在保護氣氛下燒結。粉末冶金法比較簡單，合金成分易于控制，但 鉻粒子之間的尺寸和間距過大，組織均勻性較低，且該方法制備的觸頭材料中氧和氮含量 過高，降低了觸頭的電流分斷能力。熔滲法是將純鉻粉或者混有少量銅粉及第三組元粉末的鉻粉壓制并燒結制成熔 滲骨架，在真空條件下于溫度120(TC左右將銅熔滲進入鉻骨架，從而制成銅鉻合金材料。該 技術的優點是可以在燒結鉻骨架過程中進行氫氣還原或真空碳熱還原，使鉻粉原料中的氧 大大減小，從而獲得氧含量很低的優質產品。但是該方法的缺點是，在生產過程中易產生閉 孔等熔滲缺陷，并且在高溫熔滲時鉻在銅中溶解度較高，冷卻后會形成過飽和固溶體，使之 電傳導性能大大降低，此外熔滲法不能制取高含銅量的銅鉻合金。總之，現有銅鉻合金鑄坯的每一種制備工藝及其操作技術都各自具有一定的難 度，并且制備所得材料的性能也有待于進一步提高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有用于電觸頭的銅鉻合金的制備方法的不 足，提供一種銅鉻合金鑄坯的制備方法，其采用真空熔鑄和水冷模冷卻的方法制造銅鉻合 金材料，以達到制備的合金材料組織致密、晶粒細小均勻、氣體含量低、電導率高的目的。本發明解決上述問題的方案如下一種銅鉻合金鑄坯的制備方法，用于制造銅鉻合金材料的毛坯，該銅鉻合金材料 所含金屬成分的重量比為鉻25%，第三組元0. 5-3%，銅為余量，該第三組元為鎢、鈷、鈮
3或鉭中的任一種，其特征在于先將銅、鉻和第三組元的金屬按照預定重量比在真空感應爐 中熔化成合金液相，然后經過充氬、保壓、攪拌、精煉，最后在水冷模中澆鑄成鑄坯。本發明所述銅鉻合金鑄坯的制備方法的工藝步驟如下(1)將銅、鉻和第三組元的金屬按照預定的成分重量比加入真空感應爐，然后真空 感應爐抽真空達到爐內真空度小于IX IiT1Pa,并加熱爐內溫度到1800-2000°c ；(2)待所有爐內金屬完全熔化后，向真空感應爐中充入氬氣并保持爐內壓力為 10-50kPa ；(3)對爐內金屬進行攪拌、精煉形成合金熔液，歷時20分鐘；(4)將精煉成的合金熔液注入水冷模以鑄成鑄坯，在澆鑄過程中該水冷模的四周 始終通入循環冷卻水，澆鑄溫度保持在1800-1900°C。與粉末冶金法和熔滲法相比較，本發明所述銅鉻合金鑄坯的制備方法應用真空熔 鑄法制造銅鉻合金材料，采用高真空和惰性氣體氬保護熔煉和澆鑄合金，使銅鉻合金中的 氣體含量得到了很好的控制，特別是大大降低了氧的含量，從而提高了材料的電傳導性能 和電流分斷能力，其電導率比普通的銅鉻合金材料至少提高了 30%。此外，由于在銅鉻合金 中添加了鎢、鈷、鈮或鉭等形核元素作為第三組元，因此有利于晶粒生長和細化，同時本發 明采用了水冷模對澆鑄合金加速冷卻，因此可以使合金熔液保持一定的凝固速度，不會出 現大范圍的鉻的偏析，從而使得高溫時液態合金中各組元的均勻混合狀態保持到冷卻后的 固態，其中鉻顆粒更加細小，分布更加均勻，金相組織測量表明，采用本發明制備的銅鉻合 金材料中鉻顆粒大小在6-15微米以下，以此制備的觸頭材料組織致密，性能得到了較大的 改善。
圖1是本發明的工藝流程圖。圖2是粉末冶金法制備的銅鉻合金材料的金相組織圖。圖3是熔滲法制備的銅鉻合金材料的金相組織圖。圖4是本發明制備的銅鉻合金材料的金相組織圖。
具體實施例方式本發明所述的銅鉻合金鑄坯的制備方法用于制造銅鉻合金材料的毛坯，該銅鉻合 金材料應用于制造電器的觸頭，其合金成分以銅(Cu)、鉻(Cr)為主，再加入第三種金屬組 元，該銅鉻合金材料所含金屬成分的重量比為鉻25%，第三組元0. 5-3%，銅為余量，該第 三組元為鎢(W)、鈷(Co)、鈮(Nb)或鉭(Ta)中的任一種。在銅鉻基合金中添加鎢、鈷、鈮或 鉭等形核元素作為第三組元有利于晶粒的生長和細化，對該類合金一般記作CuCr25Me (Me =W、Nb、Ta 或 Co)。所述銅鉻合金鑄坯的制備方法采用真空熔鑄法制造銅鉻合金材料，先將銅、鉻和 第三組元的金屬按照預定重量比在真空感應爐中熔化成合金液相，然后經過充氬、保壓、攪 拌、精煉，最后在水冷模中澆鑄成鑄坯。以下結合附圖、實施例和實驗結果對本發明作進一步的詳細說明。實施例1——
依照如圖1所示的本發明的工藝方法步驟制備銅鉻合金鑄坯(1)將銅、鉻和作為第三組元的金屬鈮按照成分重量比鉻25%，鈮0.5%，銅 為余量進行配料，然后加入真空感應爐；之后真空感應爐抽真空達到爐內真空度小于 IX IO-1Pa,并且加熱爐內溫度到1850°C。(2)真空感應爐在加熱升溫過程中，爐內金屬依據各組元的不同熔點逐步熔化，首 先熔化的是銅；待所有爐內金屬完全熔化后，向真空感應爐中充入惰性氣體氬氣，并且保持 爐內壓力為50kPa。(3)在充氬、保壓的條件下，對爐內金屬進行攪拌、精煉形成合金熔液，歷時20分鐘。(4)然后將精煉成的合金熔液注入水冷模以鑄成鑄坯，該水冷模是鑄坯的成型模， 其模腔周邊設置有冷卻水循環通道；在合金熔液澆鑄過程中該水冷模四周的冷卻水通道中 始終通入循環冷卻水，澆鑄溫度保持在1800°C。采用上述本發明的方法制備出的CuCr25Nb合金材料，經測試其物理及機械性能 見表1。表lCuCr25Nb合金材料的物理及機械性能 表10列出了國產CuCr50和美國西屋公司生產的CuCr25的材料性能。表10國產及進口銅鉻合金材料的物理及機械性能 從表1和表10的對比可知，用本發明制備的銅鉻材料的電導率比普通的CuCr25 材料提高了 30%以上，比CuCr50材料提高了近一倍；氣體含量也比普通CuCr25材料低得 多，尤其是氧含量；從材料密度上看，本發明制備的材料致密性很好，這對提高材料使用性 能很重要。由圖4所示金相組織圖可看出，本發明制備的銅鉻合金材料中鉻顆粒不僅分布 均勻而且顆粒尺寸細小，遠小于圖2和圖3金相組織圖所示用粉末冶金法和熔滲法生產的 銅鉻合金材料。實施例2——采用本發明所述的方法制備CuCr25Nb合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同
(1)按照成分重量比鉻25%，鈮3%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為30kPa。(3)澆鑄溫度保持在1800°C。采用上述方法制備出的CuCr25Nb合金材料，經測試其物理及機械性能見表2。表2CuCr25Nb合金材料的物理及機械性能 實施例3——采用本發明所述的方法制備CuCr25Nb合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鈮1%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 1900 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為lOkPa。(3)澆鑄溫度保持在1850°C。采用上述方法制備出的CuCr25Nb合金材料，經測試其物理及機械性能見表3。表3CuCr25Nb合金材料的物理及機械性能 實施例4——采用本發明所述的方法制備CuCr25W合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鎢1%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為50kPa。(3)澆鑄溫度保持在1900°C。采用上述方法制備出的CuCr25W合金材料，經測試其物理及機械性能見表4。表4CuCr25W合金材料的物理及機械性能 實施例5——采用本發明所述的方法制備CuCr25W合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鎢2%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為lOkPa。(3)澆鑄溫度保持在1900°C。采用上述方法制備出的CuCr25W合金材料，經測試其物理及機械性能見表5。表5CuCr25W合金材料的物理及機械性能 實施例6——采用本發明所述的方法制備CuCr25Co合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鈷1%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為lOkPa。(3)澆鑄溫度保持在1900°C。采用上述方法制備出的CuCr25Co合金材料，經測試其物理及機械性能見表6。表6CuCr25Nb合金材料的物理及機械性能 實施例7——采用本發明所述的方法制備CuCr25Co合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鈷3%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為50kPa。(3)澆鑄溫度保持在1900°C。采用上述方法制備出的CuCr25Co合金材料，經測試其物理及機械性能見表7。表7CuCr25Co合金材料的物理及機械性能 實施例8——采用本發明所述的方法制備CuCr25Ta合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鉭1%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為lOkPa。(3)澆鑄溫度保持在1900°C。采用上述方法制備出的CuCr25Ta合金材料，經測試其物理及機械性能見表8。表8CuCr25Ta合金材料的物理及機械性能 實施例9——采用本發明所述的方法制備CuCr25Ta合金材料，其工藝方法步驟除下列內容外， 其余與實施例1基本相同(1)按照成分重量比鉻25%，鉭2%，銅為余量進行配料，爐內溫度加熱到 2000 "C。(2)真空感應爐中充入氬氣后保持爐內壓力為40kPa。(3)澆鑄溫度保持在1850°C。采用上述方法制備出的CuCr25Ta合金材料，經測試其物理及機械性能見表9。表9CuCr25Ta合金材料的物理及機械性能
8 上述實施例只是本發明應用的部分形式，本發明所要求的保護范圍不僅限于此， 還包括其他對本發明所述內容顯而易見的變換和替代。
權利要求
一種銅鉻合金鑄坯的制備方法，用于制造銅鉻合金材料的毛坯，該銅鉻合金材料所含金屬成分的重量比為鉻25％，第三組元0.5-3％，銅為余量，該第三組元為鎢、鈷、鈮或鉭中的任一種，其特征在于先將銅、鉻和第三組元的金屬按照預定重量比在真空感應爐中熔化成合金液相，然后經過充氬、保壓、攪拌、精煉，最后在水冷模中澆鑄成鑄坯。
2.根據權利要求1所述的銅鉻合金鑄坯的制備方法，其特征在于所述方法的工藝步 驟如下(1)將銅、鉻和第三組元的金屬按照預定的成分重量比加入真空感應爐，然后真空感應 爐抽真空達到爐內真空度小于IX ICT1Pa,并加熱爐內溫度到1800-2000°C ；(2)待所有爐內金屬完全熔化后，向真空感應爐中充入氬氣并保持爐內壓力為 10-50kPa ；(3)對爐內金屬進行攪拌、精煉形成合金熔液，歷時20分鐘；(4)將精煉成的合金熔液注入水冷模以鑄成鑄坯，在澆鑄過程中該水冷模的四周始終 通入循環冷卻水，澆鑄溫度保持在1800-1900°C。
全文摘要
本發明公開了一種銅鉻合金鑄坯的制備方法，用于制造銅鉻合金材料的毛坯，該銅鉻合金材料所含金屬成分的重量比為鉻25％，第三組元0.5-3％，銅為余量，該第三組元為鎢、鈷、鈮或鉭中的任一種，該制備方法的工藝步驟為先將銅、鉻和第三組元的金屬按照預定重量比在真空感應爐中熔化成合金液相，爐內真空度小于1×10-1Pa，爐內溫度1800-2000℃，然后經過充氬、保壓10-50kPa、攪拌、精煉20分鐘，最后在水冷模中澆鑄成鑄坯，澆鑄溫度保持在1800-1900℃。本發明采用真空熔鑄法制造銅鉻合金，使制備的合金材料具有組織致密、晶粒細小均勻、氣體含量低、電導率高的優點，特別適用于各種電器觸頭材料的制造。
文檔編號C22C9/00GK101886185SQ20101022476
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者劉子利, 劉平, 劉新寬 申請人:上海理工大學