一種梯度復合銅鉻觸頭材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種梯度復合銅鉻觸頭材料及其制備方法，屬于金屬基復合材料領 域。
【背景技術】
[0002] 電觸頭是電器開關的接觸元件，主要擔負著接觸、斷開負載電流的任務。觸頭和滅 弧系統(tǒng)是開關的心臟，開關的安全性，可靠性及開斷和關合特性很大程度上取決于觸頭材 料的物理性質及其電特性。因此，它的性能直接影響著開關電器的可靠性運行。銅鉻系觸 頭材料因其具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性及高強度而廣泛應用于各種斷路器、真空 負荷開關和變壓器轉換開關上。
[0003] 但由于傳統(tǒng)的銅鉻觸頭材料的成分是均一的，不能顯著提高銅鉻觸頭的導熱、結 合強度以及電性能。在開斷過程中不能及時的散熱而導致材料內部產生較大的熱應力，弓丨 起銅鉻材料表面裂紋產生，最終導致材料的部分脫落而使開關失效。因此，亟需一種新改進 的觸頭材料來解決該問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述缺陷，提供一種梯度復合銅鉻觸頭材料及 其制備方法。本發(fā)明是基于現(xiàn)有銅鉻觸頭材料焊接性及回路電阻上進行的對產品的改善和 提高。本發(fā)明設計出一種單片熔滲工藝，制備出熔滲CuCr50,同時采用設計的溫度曲線形成 CuCrl層。本發(fā)明的特點是將原有的整片CuCr50觸頭優(yōu)化為一半CuCr50 -半CuCrl，從而 降低對戰(zhàn)略金屬Cr的使用，使用CuCrl減少了觸頭片的回路電阻，同時提高觸頭與杯座的 焊接性能。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案如下：一種梯度復合銅鉻觸頭材料，它主 要由CuCr50層和CuCr 1層組成，CuCr50層成分按質量分數(shù)比為：Cr含量45-55 %，Cu余量； CuCrl層成分按質量分數(shù)比為：Cr含量為0. 6-2. 1 %，Cu余量；其原材料分別為65-200微 米的Cr粉以及100微米以下的Cu粉。
[0006] 優(yōu)選的，所述鉻粉為電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉，所述銅粉為電解銅粉或霧化銅粉。
[0007] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述鉻粉的純度為99. 3% -99. 98%。
[0008] 此外，該梯度復合銅鉻觸頭材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] (1)原材料選擇
[0010] 選用65-200微米的鉻粉以及100微米以下的銅粉；
[0011] ⑵混粉
[0012] 按Cu粉：Cr粉=7 : 3的重量配比形成Cu粉和Cr粉的混合粉末，隨后按混合 粉：銅球=I : 1的重量配比放入球磨機罐體中進行球磨混粉3-10小時，球磨介質采用酒 精；于室溫條件下充分混合直至酒精揮發(fā)；給Cr粉中加入Cu粉的目的一方面是形成一定 的孔隙率，有利于后續(xù)Cu塊熔化滲入；另一方面是保證足夠的壓坯密度，從而使得后續(xù)壓 制時可以很好的成型。
[0013] ⑶壓坯
[0014] 將混好后的混合粉在四柱液壓機上進行壓坯，分三段加壓，每段采用高度限位，壓 到位后保壓10分鐘，每段間隔一分鐘；該四柱液壓機的壓制力參數(shù)為6-7t/cm 2,壓坯密度 為 4. 2-5. 5g/cm3;
[0015] ⑷熔滲
[0016] 將壓好的壓坯裝入石墨坩堝內，并在其上面放置銅塊，銅塊重量應是壓坯總重量 的80-200% ;將裝入壓坯和Cu塊的石墨坩堝放在真空燒結爐內進行熔滲處理，真空度為 1. 0-1. 0x10 2pa，滲銅溫度為1080-1300°C，保溫時間30-120分鐘；該石墨坩堝由石油焦顆 粒原料制成，顆粒粒度為1~16mm和0. 03~0. 05mm ;本步驟中，首先恪化的Cu液先滲入 壓坯中與Cr形成CuCr50層，然后未滲完的Cu會與壓坯中較細的Cr粉顆粒在CuCr50上形 成CuCrl層；Cu與Cr的結合主要是原始Cr粉中有較細的顆粒，在高溫下熔液及真空會形 成一定的蒸汽壓，使得細Cr顆粒上浮到Cu液附近，從而形成CuCrl。
[0017] (5)退火
[0018] 滲銅后的坯料進行退火處理，退火溫度為500-850°C，保溫1-4小時；退火后的坯 料即為梯度復合銅鉻觸頭材料。本步驟的作用：由于在熔滲時冷卻速度過快，使得該合金形 成了一定飽和度的固溶體，導致材料的電性能和硬度較低，通過本步退火可以使固溶的相 重新析出，改善材料性能。
[0019] 優(yōu)選的，步驟（1)中所述鉻粉在混合前經過如下處理：
[0020] a.將所述鉻粉加入到鉻粉還原爐內的氧化鋁坩堝中，至鉻粉上表面距離坩堝上邊 沿10~20mm，停止加料，關閉爐門，將爐內環(huán)境真空度抽至6. 0 X 10 3Pa-7. 0 X 10 3Pa，充入 Iatm純度大于99. 9%的氫氣，所述氫氣依次經硅膠、分子篩除水、105號催化劑除氧、分子 篩除水和高溫烘干處理，再將爐內環(huán)境真空度抽至6. 0 X 10 3pa-7. 0 X 10 3Pa ;
[0021] b.按180~200°C /h的升溫速率將爐內環(huán)境溫度升至650°C~750°C，持續(xù)保持 環(huán)境真空度為6. 5X10 3Pa-7. 0X10 3Pa，在600°C~800°C下保溫1~2小時；
[0022] c.充入純度大于99. 9%的氫氣，所述氫氣依次經硅膠、分子篩除水、105號催化劑 除氧、分子篩除水和高溫烘干處理，使爐內環(huán)境氫氣氣壓為10~20Pa，再按100~150°C / h的升溫速率將爐內環(huán)境溫度升至1150°C~1250°C，升溫結束后，保溫5~8小時，然后以 120~180°C /h的降溫速率降溫至室溫，即得氧含量低于300ppm的鉻粉，其中在所述升溫、 保溫和降溫的過程中，均持續(xù)通入氫氣，以保持爐內環(huán)境氣壓為10~20Pa。
[0023] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（4)中的石墨坩堝通過下述步驟制得：
[0024] a.在煅燒石油焦顆粒原料時加入輔料，破碎；所述煅燒石油焦顆粒原料的配方 為：顆粒粒度為16~12mm :16%~17% ;顆粒粒度為12~8mm :13%~15% ;顆粒粒度為 8~4mm :13%~15%;顆粒粒度為4~Imm :20%~23%;其余顆粒粒度為0· 03~0· 05mm ;
[0025] b.將破碎后的煅燒石油焦顆粒原料和輔料加入混捏鍋中攪拌，再向混捏鍋加入液 體瀝青，繼續(xù)攪拌，使瀝青浸潤石油焦顆粒；
[0026] c.采用壓力成型機成型，所述壓力成型機采用真空振動式壓力成型機；所述成型 的真空度-0. 〇85MPa，比壓為3MPa ;
[0027] d.將坩堝生坯放入坩堝焙燒爐中進行焙燒，裝爐時，將坩堝生坯裝入匣缽中，并填 充輔料，用固化劑對輔料進行固化，固化劑為氨水，確保坩堝生坯在焙燒過程中不變形，得 焙燒品坩堝；所述焙燒的加熱升溫曲線，是采用480h曲線；
[0028] e.將焙燒品坩堝浸漬后，得浸漬坩堝；所述浸漬，是在浸漬罐中進行，其具體方法 是將焙燒品坩堝裝入浸漬罐中，罐內抽真空，真空度大于-〇. 〇85MPa，再加入液體瀝青，再向 罐內加壓，壓力為2. 0-2. 5MPa，出罐后即得浸漬坩堝；所述浸漬，是進行2次浸漬；
[0029] f.將浸漬坩堝石墨化，得石墨坩堝，所述將浸漬坩堝石墨化，是在內串石墨化爐中 進行，裝爐時采用鍋口與鍋底對接并加以膨脹石墨片，保溫料粒度控制在4~3_，采用50h 曲線，爐溫達到2500°C。
[0030] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，石墨坩堝的制備步驟中，所述輔料選自微硅粉；所述 輔料的加入量按質量百分比為煅燒石油焦顆粒原料的7%~8%，所述輔料的粒度小于600 目；所述加入液體瀝青的量，按質量百分比，為全部破碎后的煅燒石油焦顆粒原料和輔料的 25%~28%。
[0031] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（2)中按每份混合粉末加入5~7ml的酒精進 行球磨，其中每球磨50min~60min停機進行冷卻，待球磨機罐體冷卻至室溫后再次進行球 磨。
[0032] 本發(fā)明的有益效果：
[0033] 1.本發(fā)明方法制得的梯度復合銅鉻觸頭材料對比于現(xiàn)有銅鉻觸頭節(jié)約了戰(zhàn)略性 金屬Cr ;
[0034] 2.本發(fā)明方法制得的梯度復合銅鉻觸頭材料降低了回路電阻；
[0035] 3.本發(fā)明方法制得的梯度復合銅鉻觸頭材料提高了觸頭與杯座、導電桿之間的焊 接性能，并提高觸頭的散熱性能，提高斷路器的介電恢復性能。
[0036] 附圖簡要說明
[0037] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法制得的梯度復合銅鉻觸頭材料的結構示意圖；
[0038] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法制得的梯度復合銅鉻觸頭材料的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0039] 以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0040] -種梯度復合銅鉻觸頭材料，它主要由CuCr50層和CuCrl層組成，CuCr50層成 分按質量分數(shù)比為：Cr含量45-55%，Cu余量；CuCrl層成分按質量分數(shù)比為：Cr含量為 0. 6-2. 1 %，Cu余量；其原材料分別為65-200微米的Cr粉以及100微米以下的Cu粉。
[0041] 所述鉻粉為電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉，所述銅粉為電解銅粉或霧化銅粉。
[0042] 所述鉻粉的純度為99. 3% -99. 98%。
[0043] 此外，該梯度復合銅鉻觸頭材料的制備方法，包括以下步驟：
[0044] (1)原材料選擇
[0045] 選用65-200微米的鉻粉以及100微米以下的銅粉；
[0046] ⑵混粉
[0047] 按Cu粉：Cr粉=7 : 3的重量配比形成Cu粉和Cr粉的混合粉末，隨后按混合 粉：銅球=I : 1的重量配比放入球磨機罐體中進行球磨混粉3-10小時，球磨介質采用酒 精；于室溫條件下充分混合直至酒精揮發(fā)；給Cr粉中加入Cu粉的目的一方面是形成一定 的孔隙率，有利于后續(xù)Cu塊熔化滲入；另一方面是保證足夠的壓坯密度，從而使得后續(xù)壓 制時可以很好的成型。
[0048] (3)壓坯
[0049] 將混好后的混合粉在四柱液壓機上進行壓坯，分三段加壓，每段采用高度限位，壓 到位后保壓10分鐘，每段間隔一分鐘；該四柱液壓機的壓制力參數(shù)為6-7t/cm 2,壓坯密度 為 4. 2-5. 5g/cm3;
[0050] (4)熔滲
[0051] 將壓好的壓坯裝入石墨坩堝內，并在其上面放置銅塊，銅塊重量應是壓坯總重量 的80-200% ;將裝入壓坯和Cu塊的石墨坩堝放在真空燒結爐內進行熔滲處理，真空度為 1. 0-1. 0x10 2pa，滲銅溫度為1080-1300°C，保溫時間30-120分鐘；該石墨坩堝由石油焦顆 粒原料制成，顆粒粒度為1~16mm和0. 03~0. 05mm ;本步驟中，首先恪化的Cu液先滲入 壓坯中與Cr形成CuCr50層，然后未滲完的Cu會與壓坯中較細的Cr粉顆粒在CuCr50上形 成CuCrl層；Cu與Cr的結合主要是原始Cr粉中有較細的顆粒，在高溫下熔液及真空會形 成一定的蒸汽壓，使得細Cr顆粒上浮到Cu液附近，從而形成CuCrl。
[0052] (5)退火
[0053] 滲銅后的坯料進行退火處理，退火溫度為500_850°C，保溫1-4小時；退火后的坯 料即為梯度復合銅鉻觸頭材