專利名稱：自蔓延熔鑄－電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用自蔓延熔鑄-電渣重熔法制備CuCr合金觸頭材料的新工藝。
背景技術(shù)：
理想的觸頭材料必須具有以下電氣性能大的分?jǐn)嚯娏髂芰?、高的耐電壓?qiáng)度、可靠的抗熔焊性能、高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率、低的電弧燒損率以及低的截流值等。近年來(lái)隨著大功率真空高壓開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CuCr系列的合金觸頭材料以其眾多的優(yōu)越性能逐漸取代了傳統(tǒng)的W-Cu、Cu-Bi系列的合金觸頭材料，而廣泛的應(yīng)用于中高壓大功率真空開關(guān)電路中，預(yù)計(jì)隨著其性能的不斷改善，其應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛。據(jù)對(duì)西安、桂林、沈陽(yáng)、鄭州、錦州等地的生產(chǎn)廠家和用戶的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，銅鉻觸頭材料具有廣闊的市場(chǎng)，CuCr合金售價(jià)高達(dá)50-65萬(wàn)元/t(而金屬Cu、Cr分別售價(jià)為1.7萬(wàn)元和6萬(wàn)元左右)，按原料價(jià)格算增值達(dá)15-20倍，據(jù)保守估算可形成近千億的產(chǎn)值。從Cu-Cr合金相圖看，CuCr合金屬于難混溶系列的合金，無(wú)法采用普通的熔煉方法制備CuCr合金。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)高壓觸頭材料的電氣性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)，而微觀結(jié)構(gòu)又取決于其制備工藝。因此，世界各國(guó)都把開發(fā)CuCr合金的制備工藝和技術(shù)放在首位。例如，粉末燒結(jié)法制備的CuCr合金流程就是將一定比例的銅粉和鉻粉經(jīng)充分混合均勻壓坯，然后燒結(jié)成形。粉末燒結(jié)法主要缺點(diǎn)是對(duì)粉末質(zhì)量，尤其是鉻粉的質(zhì)量要求很嚴(yán)。該工藝制備的產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)較低，氧含量波動(dòng)很大，可高達(dá)0.2％。熔滲法制備CuCr合金是將適量的銅粉與全部鉻粉充分混合后壓坯，在真空或還原性氣氛下先燒結(jié)成多孔的鉻骨架，燒結(jié)溫度控制在銅的熔點(diǎn)附近(1083℃)然后在真空下浸入熔融的銅中，使之在毛細(xì)力作用下，充分浸滲入預(yù)先燒結(jié)的鉻骨架中。熔滲法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，鉻粒子相對(duì)比較粗大，且鉻含量要達(dá)到相當(dāng)?shù)谋壤?。電弧熔煉法制取CuCr觸頭材料是將經(jīng)等靜壓后真空燒結(jié)的CuCr合金錠作為自耗電極，在真空(或惰性氣體氣氛)中，將電極在直流電弧作用下迅速熔化，然后快速冷卻凝固形成鑄錠。但該方法需要成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的真空系統(tǒng)和直流電弧電源，生產(chǎn)成本較高，而且很多工藝參數(shù)需要進(jìn)一步摸索和完善。前兩種工藝均存在著粉末冶金材料所固有的缺陷，即材料致密度差，合金中Cu、Cr兩相分布不易均勻、結(jié)合不夠緊密，真空自耗電弧熔煉法使性能有所提高，但設(shè)備要求高，更重要是我國(guó)沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，又涌現(xiàn)出許多新的制備技術(shù)，如“電渣熔鑄生產(chǎn)銅鉻合金真空開關(guān)觸頭材料的方法(申請(qǐng)?zhí)?6114678.8，CN1186318A)”、“一種低氧低夾雜物銅鉻合金觸頭的生產(chǎn)方法(申請(qǐng)?zhí)?00310105130.3，CN1619000A)”，這兩種方法都是利用電渣冶金工藝的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而制備出CuCr合金觸頭材料。但是這兩種制備工藝所采用的自耗電極棒都是采用高純的金屬粉末制備而成的，生產(chǎn)成本很高，且制備工藝復(fù)雜，其中，前者自耗電極棒采用燒結(jié)工藝制備而成，后者采用真空感應(yīng)爐熔煉制備而成，不但工藝復(fù)雜，而且生產(chǎn)成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其目的在于解決現(xiàn)有制備技術(shù)中對(duì)粉末質(zhì)量要求很嚴(yán)、氧含量波動(dòng)很大；生產(chǎn)成本較高，而且很多工藝參數(shù)不確定；材料致密度差，合金中Cu、Cr兩相分布不易均勻、結(jié)合不夠緊密等方面存在的問題。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，它包括有鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，其特征在于該方法由自蔓延熔鑄過(guò)程和電渣重熔過(guò)程兩個(gè)工藝步驟構(gòu)成，首先的自蔓延熔鑄過(guò)程是以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金自耗電極棒；電渣重熔過(guò)程是將所得的銅鉻合金自耗電極棒放入電渣爐內(nèi)，選用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO中的任意兩種或多種混合物組成的無(wú)機(jī)物渣系，其中CaF2為40％-70％，NaF2為20％-40％，Al2O3為20％-40％，CaO或MgO為20-30％；在重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃的條件下，銅鉻合金自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過(guò)熔融的渣池過(guò)程中，高溫熔體得到凈化，經(jīng)過(guò)渣池后，高溫熔體進(jìn)入到結(jié)晶器的凝固區(qū)，在強(qiáng)制水冷作用下，熔體從下向上進(jìn)行定向凝固，冷卻后得到CuCr合金鑄錠。
在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑。
在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量0～2％的Co、Ni、Fe合金化元素。
在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入Te、Bi、Ti、Er或Sb中的一種或多種，其加入量都相對(duì)于銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量Te為0.1％～4％、Bi為2.5％～15％、Ti為0～1％、Er為0～1％、Sb為2％～9％。
無(wú)機(jī)物渣系中還添加有Li2O或者CeO組分。
自蔓延熔鑄過(guò)程和電渣重熔過(guò)程兩個(gè)工藝步驟的整個(gè)工藝操作都是在大氣氣氛中進(jìn)行，且兩步驟中均是在循環(huán)水強(qiáng)制冷卻條件下。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.自蔓延熔鑄制備CuCr自耗電極棒，是以CuO和Cr2O3、Al粉為原料，在空氣氣氛中以鋁熱還原反應(yīng)模式發(fā)生，大大降低了原料成本，降低了能耗；2.由于最終的CuCr合金經(jīng)過(guò)了電渣重熔過(guò)程，而且進(jìn)行了脫氧處理，合金中非金屬夾雜、氣體雜質(zhì)都得到了有效地去除，氧含量也得到了很好的控制；3.自蔓延熔鑄階段、電渣重熔階段的凝固過(guò)程，均是在循環(huán)水冷條件下的快速凝固，因此最終獲得銅鉻合金鑄錠成份均勻、致密度高，且避免了宏觀偏析；4.本發(fā)明不但可以制備大尺寸的銅鉻合金鑄錠，而且能制備CuCr20～CuCr50等系列的銅鉻合金，對(duì)于制備CuCr25等低鉻含量系列的銅鉻合金具有自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。且所有的操作均是在大氣氣氛中進(jìn)行的，操作簡(jiǎn)單，對(duì)工藝條件要求低，為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
具體實(shí)施例方式
自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料新工藝由兩個(gè)關(guān)鍵步驟構(gòu)成，即自蔓延熔鑄、電渣重熔。自蔓延熔鑄工藝采用專利“鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，申請(qǐng)?zhí)?00510047309.7，公開號(hào)CN 1743477”，所公開的方法，獲得自耗電極棒。在電渣重熔過(guò)程還可以加入占自耗電極總質(zhì)量0～2％左右的Ni、Co、Fe等合金化元素；為了降低CuCr合金觸頭材料中的氧含量可以加入自耗電極總質(zhì)量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑進(jìn)行脫氧；重熔過(guò)程中還可以加入Te(0.1％～4％)、Bi(2.5％～15％)、Ti(0～1％)、Er(0～1％)、Sb(2％～9％)等第三組元。
用本方法生產(chǎn)CuCr合金觸頭材料，首先要經(jīng)過(guò)自蔓延熔鑄工藝獲得自耗電極棒，具體操作方法采用專利“鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，申請(qǐng)?zhí)?00510047309.7，公開號(hào)CN 1743477”，所公開的工藝。即以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原工藝得到CuCr合金電極棒。
本方法生產(chǎn)CuCr合金觸頭材料，另一個(gè)關(guān)鍵工藝階段是電渣重熔過(guò)程。將自蔓延熔鑄階段得到的CuCr合金電極棒進(jìn)行電渣重熔得到CuCr合金鑄錠，重熔過(guò)程采用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO任意兩種或多種的混合物組成的無(wú)機(jī)物渣系。具體實(shí)施步驟為將CuCr自耗電極棒放入電渣爐內(nèi)，在電阻熱的作用下，自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過(guò)熔融的渣池過(guò)程中，其中，非金屬夾雜物被熔融的熔渣吸收，氣體雜質(zhì)也被除去，高溫熔體得到凈化。經(jīng)過(guò)渣池后，高溫熔體進(jìn)入到結(jié)晶器的凝固區(qū)，在強(qiáng)制水冷作用下，熔體從下向上進(jìn)行定向凝固，冷卻得到CuCr合金鑄錠。重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃。
由于自蔓延熔鑄得到的CuCr自耗電極棒要經(jīng)過(guò)電渣重熔階段，為了控制CuCr中的氧含量，重熔過(guò)程要加入0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣進(jìn)行脫氧；為了提高CuCr合金中Cu、Cr元素的合金化程度，重熔過(guò)程中可以加入0～1％的Co、Ni、Fe等合金化元素；為了改善CuCr合金的綜合電性能，重熔過(guò)程中還可以加入Te(0.1％～4％)、Bi(2.5％～15％)、Ti(0～1％)、Er(0～1％)、Sb(2％～9％)等第三組元，其加入量都應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。
實(shí)施例1
取CuO、Cr2O3以及Al粉按質(zhì)量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶114∶160的比例配料，即保證Al粉過(guò)量50％，同時(shí)按相對(duì)于反應(yīng)物(CuO、Cr2O3和Al粉)總質(zhì)量的百分比在原料中加入5％的CaF2，均勻混合反應(yīng)物，然后把反應(yīng)混合物放入反應(yīng)爐內(nèi)，在反應(yīng)物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應(yīng)。同時(shí)開啟電磁攪拌裝置，在電磁場(chǎng)攪拌作用下，進(jìn)行金渣分離過(guò)程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進(jìn)行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會(huì)不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預(yù)熱溫度為600℃。攪拌7min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，得到銅鉻合金的自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內(nèi)，熔渣采用CaF2、NaF的混合物，CaF2∶NaF＝60∶40，同時(shí)加入0.5％的碳進(jìn)行脫氧，操作電流為1650A，電壓40V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的CuCr合金混合液通過(guò)渣池進(jìn)入結(jié)晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr50的銅鉻合金觸頭材料。
實(shí)施例2取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質(zhì)量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶110∶150的比例配料，即保證Al粉過(guò)量40％左右，同時(shí)在原料中加入2％的NaF，均勻混合反應(yīng)物，然后把反應(yīng)混合物放入反應(yīng)爐內(nèi)，在反應(yīng)物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應(yīng)。同時(shí)開啟電磁攪拌裝置，在電磁場(chǎng)攪拌作用下，進(jìn)行金渣分離過(guò)程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進(jìn)行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會(huì)不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預(yù)熱溫度為680℃。繼續(xù)進(jìn)行電磁攪拌，同時(shí)進(jìn)行循環(huán)水冷，攪拌9min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金的自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內(nèi)，熔渣采用CaF2、Al2O3的混合物，CaF2∶Al2O3＝70∶30，同時(shí)加入1.5％的碳化鈣進(jìn)行脫氧，同時(shí)按相對(duì)于自耗電極棒質(zhì)量的1％加入合金化元素Ni，操作電流為1850A，電壓35V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過(guò)渣池進(jìn)入結(jié)晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr19Ni1的銅鉻合金觸頭材料。
實(shí)施例3取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質(zhì)量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶110∶150的比例配料，即保證Al粉40％過(guò)量，同時(shí)在原料中加入3％的CaO，均勻混合反應(yīng)物，然后把反應(yīng)混合物放入反應(yīng)爐內(nèi)，在反應(yīng)物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應(yīng)。同時(shí)開啟電磁攪拌裝置，在電磁場(chǎng)攪拌作用下，進(jìn)行金渣分離過(guò)程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進(jìn)行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會(huì)不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預(yù)熱溫度為700℃。繼續(xù)進(jìn)行電磁攪拌，同時(shí)進(jìn)行循環(huán)水冷，攪拌6min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內(nèi)，熔渣采用CaF2、Al2O3、CeO的混合物，CaF2∶Al2O3∶CeO＝50∶25∶25，同時(shí)加入2％的硼化鈣進(jìn)行脫氧，同時(shí)按相對(duì)于自耗電極棒質(zhì)量的1％加入合金化元素Bi，操作電流為2000A，電壓30V，操作溫度1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過(guò)渣池進(jìn)入結(jié)晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr49Bi1的銅鉻合金觸頭材料。
實(shí)施例4取CuO、Cr2O3以及Al粉，按質(zhì)量比CuO∶Cr2O3∶Al粉為100∶60∶120的比例配料，即保證Al粉20％過(guò)量，同時(shí)在原料中加入3％的CaO，均勻混合反應(yīng)物，然后把反應(yīng)混合物放入反應(yīng)爐內(nèi)，在反應(yīng)物表層加入適量的Mg粉為引燃劑，引發(fā)鋁熱還原反應(yīng)。同時(shí)開啟電磁攪拌裝置，在電磁場(chǎng)攪拌作用下，進(jìn)行金渣分離過(guò)程，獲得高溫的銅鉻合金熔體，開始通循環(huán)水進(jìn)行循環(huán)水冷，分離得到的高溫合金熔體就會(huì)不停地澆鑄到石墨鑄模中，石墨模具預(yù)熱溫度為700℃。繼續(xù)進(jìn)行電磁攪拌，同時(shí)進(jìn)行循環(huán)水冷，攪拌6min之后，停止攪拌，繼續(xù)循環(huán)水冷到室溫，即得銅鉻合金自耗電極棒。將自耗電極棒放入到電渣爐內(nèi)，熔渣采用CaF2、Al2O3、Li2O的混合物，CaF2∶Al2O3∶Li2O＝45∶50∶5，同時(shí)加入2.5％的碳進(jìn)行脫氧，操作電流為2000A，電壓30V，操作溫度為1550℃～2000℃，熔融的合金混合液通過(guò)渣池進(jìn)入結(jié)晶器的凝固區(qū)，在循環(huán)水冷的作用下快速冷卻即得到所需要的成分為CuCr25的銅鉻合金觸頭材料。
權(quán)利要求
1.一種自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，它包括有鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金，其特征在于該方法由自蔓延熔鑄過(guò)程和電渣重熔過(guò)程兩個(gè)工藝步驟構(gòu)成，首先的自蔓延熔鑄過(guò)程是以CuO、Cr2O3以及Al粉為原料采用鋁熱還原-電磁鑄造法制備銅鉻合金自耗電極棒；電渣重熔過(guò)程是將所得的銅鉻合金自耗電極棒放入電渣爐內(nèi)，選用CaF2、NaF、Al2O3、CaO或MgO中的任意兩種或多種混合物組成的無(wú)機(jī)物渣系，其中CaF2為40％-70％，NaF2為20％-40％，Al2O3為20％-40％，CaO或MgO為20-30％；在重熔電流為1650A～2250A，電壓為30V～40V，操作溫度為1400℃～2000℃的條件下，銅鉻合金自耗電極棒逐漸熔化，熔融的金屬熔滴通過(guò)熔融的渣池過(guò)程中，高溫熔體得到凈化，經(jīng)過(guò)渣池后，高溫熔體進(jìn)入到結(jié)晶器的凝固區(qū)，在強(qiáng)制水冷作用下，熔體從下向上進(jìn)行定向凝固，冷卻后得到CuCr合金鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量0.5％～2.5％的碳、碳化鈣或者硼化鈣為脫氧劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量0～2％的Co、Ni、Fe合金化元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于在電渣重熔過(guò)程中的溶渣內(nèi)加入Te、Bi、Ti、Er或Sb中的一種或多種，其加入量都相對(duì)于銅鉻合金自耗電極棒總質(zhì)量Te為0.1％～4％、Bi為2.5％～15％、Ti為0～1％、Er為0～1％、Sb為2％～9％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于無(wú)機(jī)物渣系中還可以添加0-15％的Li2O或者0-25％CeO組分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自蔓延熔鑄-電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，其特征在于自蔓延熔鑄過(guò)程和電渣重熔過(guò)程兩個(gè)工藝步驟的整個(gè)工藝操作都是在大氣氣氛中進(jìn)行，且兩步驟中均是在循環(huán)水強(qiáng)制冷卻條件下。
全文摘要
本發(fā)明自蔓延熔鑄－電渣重熔制備CuCr合金觸頭材料的方法，屬于合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。以CuO、Cr
文檔編號(hào)H01H1/021GK101067170SQ20071001161
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者張廷安, 豆志河, 牛麗萍, 趙秋月, 赫冀成, 蔣孝麗 申請(qǐng)人:東北大學(xué)