專利名稱：銅基合金電真空觸頭材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基合金電真空材料及其制備方法，特別是含有金屬元素Cr的銅基合金電真空材料，該材料可用做真空斷路器、負(fù)荷開關(guān)、接觸器等電真空器件的觸頭材料。
在電工領(lǐng)域，銅基合金的基本用途是作為導(dǎo)電材料，包括電極和觸頭材料等。在電真空觸頭材料應(yīng)用領(lǐng)域，輸配電系統(tǒng)性能和高低壓配電成套裝置的可靠性和壽命，取決于有關(guān)真空斷路器、負(fù)荷開關(guān)、接觸器等電真空觸頭材料的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。CuCr25材料是電真空材料領(lǐng)域最具有代表性，應(yīng)用最成功的觸頭材料。大功率、高壓、高可靠和長(zhǎng)壽命電真空器件和高低壓配電成套裝置的發(fā)展，要求觸頭材料具有更好的物理力學(xué)性能和電性能。目前，國(guó)內(nèi)外在改進(jìn)CuCr合金電真空觸頭材料綜合性能方面的主要途徑為(1)在CuCr合金中添加金屬碳化物、金屬氧化物和低熔點(diǎn)金屬化合物，如CuCrMoC、CuCrBi2O3、CuCrAl2O3、CuCrAgSe等；(2)熱處理控制觸頭合金的顯微組織，如晶粒細(xì)化和球化，來(lái)改善觸頭材料的性能；(3)開發(fā)新的合金系列，如CuBi、CuCo、CuW、CuWTe系合金；(4)CuCr合金一般采用熔滲法、混粉燒結(jié)法、電弧熔煉法等工藝技術(shù)生產(chǎn)。由于鉻的某些特性以及鉻與銅之間的相互作用，使合金制備工藝受到較大的影響，如鉻與氧、氮、硫等間隙元素的高親和力使得制取氣體含量低的合金變得十分困難。鉻的氧化膜對(duì)燒結(jié)致密化和熔滲完全性產(chǎn)生不良影響。鉻在熔融體中較高的溶解度對(duì)熔滲坯塊具有侵蝕作用等。因此，每一種工藝技術(shù)及其操作都有一定的困難，材料性能和生產(chǎn)成本有待于進(jìn)一步改善。
本發(fā)明的目的是在CuCr25合金的基礎(chǔ)上提供一種力學(xué)性能和電性能更好的銅基合金電真空觸頭材料。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述銅基合金電真空觸頭材料的生產(chǎn)方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一個(gè)目的的銅基合金電真空觸頭材料的成分為(重量％)含量為25的Cr，含量為0.1～0.5的Ni、W之任一種，余量為Cu。
本發(fā)明采用下述順序的工藝步驟實(shí)現(xiàn)上述第二個(gè)發(fā)明目的①將按比例配制好的銅、鉻、鎳或銅、鉻、鎢置于感應(yīng)熔煉爐內(nèi)ZrO2坩堝中，抽真空并保持真空度≤100Pa，通電感應(yīng)熔化爐料使銅完全熔化；②充入Ar氣并保持感應(yīng)爐內(nèi)壓力為20～60Kpa，繼續(xù)熔煉，使鉻和其它金屬熔化；③加入按銅、鉻、鎳或銅、鉻、鎢總重量計(jì)100～500ppm的金屬Al、Zr、Mn、Ti之任一種，保持熔體溫度1750～1850℃，精煉；④將經(jīng)步驟③得到的液態(tài)合金注入單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)，冷卻，取出鑄模，得到鑄片，經(jīng)后續(xù)常規(guī)處理即得到銅基合金電真空觸頭材料成品。
為更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的二，在進(jìn)行步驟①抽真空后，感應(yīng)爐內(nèi)真空度可保持≤20Pa；步驟②充入Ar氣后，感應(yīng)爐內(nèi)壓力可保持在20～40Kpa范圍；步驟③的精煉時(shí)間可采用3～6分鐘范圍；在將步驟③得到的液態(tài)合金注入單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)之前，可預(yù)熱單片氧化鋁陶瓷鑄模并保持其溫度在350-450℃范圍；發(fā)明使用的原材料銅、鉻、鎳、鎢和添加物Al、Zr、Mn、Ti都可以是塊狀材料。
本發(fā)明所用的原材料銅的純度為99.9％以上，鉻的純度為99.5％以上，鎳和鎢的純度為99.9％以上，添加物Al、Zr、Mn、Ti的純度均為99.9％以上，Ar氣純度為分析純。
對(duì)于本發(fā)明的銅基合金電真空觸頭材料制備方法，第一步驟中抽真空并保持真空度≤100Pa的作用首先在于脫除氧氣，避免熔煉過(guò)程中銅被氧化，因此，感應(yīng)爐需保持較高的真空度；第二步驟充入Ar氣并保持感應(yīng)爐內(nèi)壓力為20～60Kpa的作用是防止液態(tài)銅揮發(fā)，和保證感應(yīng)爐的負(fù)壓密封，能夠?qū)崿F(xiàn)這兩個(gè)要求的感應(yīng)爐內(nèi)Ar氣壓力范圍可以超出20～60Kpa；第三步驟的作用是脫除熔體中的氧氣，因此達(dá)到該目的的添加劑Al、Zr、Mn、Ti的加入量可以超出100～500ppm，熔體溫度范圍可以超出1750～1850℃，精煉時(shí)間可以超出3～6分鐘范圍；第四步驟中單片氧化鋁陶瓷鑄模澆注時(shí)，鑄模溫度會(huì)影響銅基合金電真空觸頭材料的成品率，冷態(tài)鑄模將降低成品率，過(guò)高的鑄模溫度會(huì)影響熔體的冷凝速度，采用經(jīng)過(guò)預(yù)熱后溫度處于350-450℃范圍的鑄?？纱蟠筇岣叱善仿?。
CuCr合金是真空斷路器領(lǐng)域的核心部件。本發(fā)明在合金中添加鎳或鎢形成晶核，利于晶粒生長(zhǎng)和細(xì)化。此外，采用單片氧化鋁陶瓷鑄模鑄造技術(shù)，加快了冷凝速度，可有效地控制合金中Cr的晶粒形態(tài)和粒度尺寸，使Cr顆粒成球形，平均尺寸小于35μm，達(dá)到獲得組織均勻的觸頭產(chǎn)品目的。在銅基合金電真空觸頭材料制備過(guò)程中，通過(guò)加入Al、Zr、Mn或Ti，與金屬中的氧反應(yīng)，有效地降低了合金中氣體的含量，獲得的合金中氧含量不大于200ppm，氮含量不大于20ppm。本發(fā)明通過(guò)添加鎳、鎢以及采用真空熔煉單片模鑄造制備方法獲得的CuCr25Ni、CuCr25W合金，組織均勻、密度高、氣體含量低。與普通粉末冶金法相比，本發(fā)明使用塊狀原料，降低產(chǎn)品制造成本大約50％。表一是本發(fā)明銅基合金電真空觸頭材料與同類材料的性能比較。表二是本發(fā)明銅基合金配料。


圖1為單片氧化鋁陶瓷鑄模沿軸線剖面結(jié)構(gòu)示意圖。單片氧化鋁陶瓷鑄模軸向橫截面形狀可以是圓形、方形或其它形狀。氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)部鑄造腔片模數(shù)量可根據(jù)實(shí)施規(guī)模需要作出增減。圖中(1)為單片氧化鋁陶瓷鑄模澆注通道，(2)為鑄模單片鑄造腔，(3)為氧化鋁鑄?；w。
實(shí)施例1按照表二所示編號(hào)1銅基合金配比，秤取塊狀原料，按照下列步驟操作①預(yù)先將塊狀金屬Al500mg置于感應(yīng)熔煉爐中加料斗內(nèi)，然后將原料置于感應(yīng)熔煉爐內(nèi)ZrO2坩堝中，抽真空并保持感應(yīng)爐真空度≤100Pa，通電感應(yīng)熔化爐料，待銅完全熔化后；②充入Ar氣使感應(yīng)爐內(nèi)壓力達(dá)到20KPa，繼續(xù)升溫，待鉻和鎳熔化后；③降低并保持熔體溫度1750℃，將預(yù)置脫氧劑金屬Al加入熔體內(nèi)，精煉3分鐘后；④將步驟③得到的液態(tài)合金注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱后溫度為350℃的單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)，冷卻，取出鑄模，得到鑄片，經(jīng)后續(xù)車銑處理即得到銅基合金電真空觸頭材料成品。
實(shí)施例2按照表二所示編號(hào)2銅基合金配比，秤取塊狀原料，按照下列步驟操作①預(yù)先將塊狀金屬Zr1500mg置于感應(yīng)熔煉爐中加料斗內(nèi)，然后將原料置于感應(yīng)熔煉爐內(nèi)ZrO2坩堝中，抽真空并保持感應(yīng)爐真空度≤50Pa，通電感應(yīng)熔化爐料，待銅完全熔化后；②充入Ar氣使感應(yīng)爐內(nèi)壓力達(dá)到40KPa，繼續(xù)升溫，待鉻和鎳熔化后；③降低并保持熔體溫度1800℃，將預(yù)置脫氧劑金屬Zr加入熔體內(nèi)，精煉5分鐘后；④將步驟③得到的液態(tài)合金注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱后溫度為400℃的單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)，冷卻，取出鑄模，得到鑄片，經(jīng)后續(xù)車銑處理即得到銅基合金電真空觸頭材料成品。
實(shí)施例3按照表二所示編號(hào)3銅基合金配比，秤取塊狀原料，按照下列步驟操作①預(yù)先將塊狀金屬Ti2500mg置于感應(yīng)熔煉爐中加料斗內(nèi)，然后將原料置于感應(yīng)熔煉爐內(nèi)ZrO2坩堝中，抽真空并保持感應(yīng)爐真空度≤20Pa，通電感應(yīng)熔化爐料，待銅完全熔化后；②充入Ar氣使感應(yīng)爐內(nèi)壓力達(dá)到60KPa，繼續(xù)升溫，待鉻和鎢熔化后；③降低并保持熔體溫度1850℃，將預(yù)置脫氧劑金屬Ti加入熔體內(nèi)，精煉6分鐘后；④將步驟③得到的液態(tài)合金注入經(jīng)過(guò)預(yù)熱后溫度為450℃的單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)，冷卻，取出鑄模，得到鑄片，經(jīng)后續(xù)車銑處理即得到銅基合金電真空觸頭材料成品。
表一本發(fā)明銅基合金電真空觸頭材料與同類材料的性能比較
表二銅基合金配料
權(quán)利要求
1.一種銅基合金電真空觸頭材料，其特征在于其材料成分為(重量％)含量為25的Cr，含量為0.1～0.5的Ni、W之任一種，余量為Cu。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述銅基合金電真空觸頭材料的制備方法，依序包括下列工藝步驟①將按比例配制好的銅、鉻、鎳或鎢置于感應(yīng)熔煉爐內(nèi)ZrO2坩堝中，抽真空并保持真空度≤100Pa，通電感應(yīng)熔化爐料使銅完全熔化；②充入Ar氣并保持感應(yīng)爐內(nèi)壓力為20～60Kpa，繼續(xù)熔煉，使鉻和其它金屬熔化；③加入按銅、鉻、鎳或銅、鉻、鎢總重量計(jì)100～500ppm的金屬Al、Zr、Mn、Ti之任一種，保持熔體溫度1750～1850℃，精煉；④將經(jīng)步驟③得到的液態(tài)合金注入單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)，冷卻，取出鑄模，得到鑄片，經(jīng)后續(xù)常規(guī)處理即得到銅基合金電真空觸頭材料成品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅基合金電真空觸頭材料制備方法，其特征在于步驟①所述抽真空達(dá)到和保持的感應(yīng)爐真空度≤20Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅基合金電真空觸頭材料制備方法，其特征在于步驟②所述感應(yīng)爐內(nèi)壓力為20～40Kpa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅基合金電真空觸頭材料制備方法，其特征在于步驟③所述精煉時(shí)間3～6分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅基合金電真空觸頭材料制備方法，其特征在于步驟④所述將經(jīng)③步得到的液態(tài)合金注入單片氧化鋁陶瓷鑄模內(nèi)之前，單片氧化鋁陶瓷鑄模的溫度為350-450℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4、5、6之一所述銅基合金電真空觸頭材料制備方法，其特征在于原材料銅、鉻、鎳、鎢為塊狀材料，添加物Al、Zr、Mn、Ti為塊狀材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅基合金及其制備方法。銅基合金重量百分比成分構(gòu)成為Cr25，含量為0.1～0.5的Ni、W之任一種，余量Cu。其制備方法采用真空感應(yīng)熔煉，加入添加劑Al、Zr、Mn、Ti之任一種脫氧，單片氧化鋁陶瓷鑄模澆注，常規(guī)車銑。本發(fā)明得到的銅基合金具有組織均勻、密度高、氣體含量低的特點(diǎn)，采用熔鑄技術(shù)和塊狀原料，大大地降低了制造成本。本發(fā)明銅基合金可用做電真空觸頭材料。
文檔編號(hào)H01H1/02GK1450184SQ0210894
公開日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月10日
發(fā)明者秦國(guó)義, 丁秉鈞, 莊滇湘 申請(qǐng)人:貴研鉑業(yè)股份有限公司