专利名称：一种铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制作电工材料领域用的铜铬合金触头材料的制备方法，尤其是利
用真空非自耗电弧熔炼和真空吸铸双联技术生产铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法。
背景技术：
铜铬(CuCr)合金因具有较好的耐电压强度和良好的开断电流能力，作为触头材 料广泛用于中高压真空断路器中。气体、杂质含量和显微组织形貌等是决定其性能的关键。 当材料中含有较高的氧含量或较多的夹杂物时，将极大地损害触头性能甚至不能使用。合 金显微组织的不均匀将会产生偏析，降低合金的使用性能。合金中的Cr相越细小，则耐电 压强度越高。因此，不断降低材料中的气体含量、减少夹杂物的污染和显微组织细小均匀化 是发展高性能CuCr触头材料的关键。 目前，国内外生产CuCr合金主要有五种工艺路线 1、混粉法将一定比例的Cu粉和Cr粉充分混合，冷压成型，再经真空烧结或热等 静压而成。混粉法的优点是工艺简单，成熟度高，缺点是对原材料气体含量有极为严格的要 求，很难获得低气体含量的产品，致密度较低也是一个重要缺陷。 2、熔渗法将适量的Cr粉和其他组分充分混合压制，在真空或惰性保护气氛中烧 结成一定孔隙度的Cr骨架，而后在真空中渗Cu，由于毛细作用，液态Cu被吸入骨架的孔隙 中，形成密度在98%理论密度以上的致密的CuCr触头合金。 3、自耗电极法将Cu粉和Cr粉装入薄壁Cu管中或者将混粉法制成的CuCr合金 棒在真空电弧炉中作为阴极进行自耗熔炼，所得锭坯再经热挤压进一步提高致密度。自耗 法制备工艺复杂，成本高。 4、真空感应熔炼法将一定比例的铜块和铬块在真空中频感应熔炼炉中熔化去 气，待完全熔化后浇入特制的模具中。 5、雾化制备法将一定比例的铜块和铬块在真空中频感应熔炼炉中熔化成预制合 金锭后，将预制合金锭通过气体雾化法快速凝固制备铜铬合金块体材料。这种方法制备的 铜铬合金由于熔化温度高，对坩埚嘴有特殊的要求。 这五种工艺方法中前三种对原材料特别是Cr粉性能有严格要求，如果Cr粉的氧 含量较高，在真空或保护气氛环境中烧结都不能有效脱除Cr粉的氧，最终将使CuCr触头中 具有极高的氧含量。过高的氧含量会使触头在开断电流时放出大量气体，损害真空灭弧室 的真空和绝缘能力，使真空断路器开断失败，造成严重事故。采用真空感应熔炼法和雾化制 备法中虽然能够获得低的气体含量，但由于铜铬合金的熔炼是在极高温度下进行的，由于 高温下铜铬合金容易与坩埚材料发生反应，造成合金受到污染，并且坩埚材料中往往存在 较多的夹杂物，降低了触头的可靠性。
发明内容
本专利针对现有技术中制备CuCr合金方法的上述不足，采用真空非自耗电弧熔炼和真空吸铸的双联制备技术，提供一种用于制备高性能、低气体含量和低夹杂物的快速 凝固铜铬合金触头材料。 本发明的技术方案铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，其特征在于包括如 下步骤 (1)按照合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为5wt% 50wt^的 比例配样；对应的铜金属重量含量为50wt% 95wt% ; (2)在惰性气体保护下，将配制好的铜铬材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧 熔炼； (3)将真空非自耗电弧熔炼的铜铬合金块体翻转，重复熔炼若干次，待合金样品完 全熔化； (4)将完全熔化的铜铬合金在惰性气氛保护下继续熔化，熔化后迅速熄弧，并打开 真空阀门，利用负压的作用力，将熔化的铜铬合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固得到 铜铬合金锭。 进一步的特征是在真空非自耗电弧熔炼中，采用高纯氩气作为惰性保护气 氛，先抽真空后充入保护惰性保护气体，真空度为10—3 10—乍a，充入保护气氛后压力为 0. 3-0. 8MPa。 在真空吸铸冷却过程中，所述的铸模是铜模，采用铜模进行吸铸冷却凝固。 本发明的铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，相对现有技术，具有如下特
点 1、本方法制备的铜铬合金触头材料合金成分均匀，氧、氮等气体含量低，组织致 密、Cr相细小，成分均匀、纯净度高，夹杂物少；大幅度提高铜铬合金触头材料的性能
2、采用本发明触头材料制作的高压真空断路器，具有优异的真空和绝缘能力，满 足高性能输变电设备的需要。 3、本方法操作简单方便，不需要复杂的设备。
具体实施例方式本发明的铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，其步骤是 1、按照合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为5wt% 50wt^的比 例配样； 2、在惰性气体保护下，将配制好的铜铬材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧熔 炼； 3、将真空非自耗电弧熔炼的铜铬合金块体翻转，重复熔炼若干次，如反复3-5次， 待合金样品完全熔化； 4、将完全熔化的铜铬合金在惰性气氛保护下继续熔化，以降低铜铬合金内相关气 体的含量并使两者混合均匀，熔化后迅速熄弧，并打开真空阀门，利用负压的作用力，将熔 化的铜铬合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固得到铜铬合金锭。 在真空非自耗电弧熔炼中，采用高纯氩气作为惰性保护气氛，先抽真空后充入保
护惰性保护气体，真空度为10—3 10—乍a，充入保护气氛后压力为0. 3-0. 8MPa。 在真空吸铸冷却过程中，所述的铸模是铜模，采用铜模进行吸铸冷却凝固。铜铬合金是铜粉和铬粉或者铜块和铬块，按照上述比例配制；将按照比例配好的铜铬合金原材料通过真空非自耗电弧熔炼技术熔炼铜铬合金，利用真空的负压作用进行吸铸，铜铬合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固。
实施例1 : 取铜粉与铬粉各占总重量的50%，放入真空非自耗电弧熔炼中感应熔炼中，抽真空至7. OX 10—4Pa后充入高纯氩气至0. 6MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至4Pa，接通电弧熔炼电源，调节输入电流至250A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金锭完全熔化后，熄弧，在熔炼室内翻转合金样品，重新起弧熔炼合金样品，如此重复3-5次，合金样品熔化充分。此后，重新起弧熔炼(使合金样品样品中溶解的气体尽可能挥发出来，降低相关气体含量并使两者混合均匀)，待合金完全熔化完毕后迅速打开阀门，合金液在负压的作用下吸铸到铜模中，采用高纯惰性气体冷却或者水冷却，快速冷却凝固得到合金锭。
实施例2: 取铜块与铬块重量比为75 : 25，放入真空非自耗电弧熔炼中感应熔炼中，抽真空至8. 0 X 10—4Pa后充入高纯氩气至0. 4MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至3Pa，接通电弧熔炼电源，调节输入电流至220A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金锭完全熔化后，熄弧，在熔炼室内翻转合金样品，重新起弧熔炼合金样品，如此重复3-5次，合金样品熔化充分。此后，重新弧熔炼，待合金完全熔化完毕后迅速打开阀门，合金液在负压的作用下吸铸到铜模中，采用高纯惰性气体冷却或者水冷却，快速冷却凝固得到合金锭。
实施例3 : 取铜粉与铬粉重量比为70 : 30，放入真空非自耗电弧熔炼中感应熔炼中，抽真空至1. 3 X 10—3Pa后充入高纯氩气至0. 5MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至4Pa，接通电弧熔炼电源，调节输入电流至240A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金锭完全熔化后，熄弧，在熔炼室内翻转合金样品，重新起弧熔炼合金样品，如此重复3-5次，合金样品熔化充分。此后，重新起弧熔炼，待合金熔化完毕后迅速打开阀门，合金液在负压的作用下吸铸到铜模中，采用高纯惰性气体冷却或者水冷却，快速冷却凝固得到合金锭。
实施例4 : 取铜块与铬块重量比为85 : 15，放入真空非自耗电弧熔炼中感应熔炼中，抽真空至1. 5 X 10—3Pa后充入高纯氩气至0. 3MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至5Pa，接通电弧熔炼电源，调节输入电流至200A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金锭完全熔化后，熄弧，在熔炼室内翻转合金样品，重新起弧熔炼合金样品，如此重复3-5次，合金样品熔化充分。此后，重新起弧熔炼(能降低合金样品内的相关气体含量并使两者混合均匀)，待合金完全熔化完毕后迅速打开阀门，合金液在负压的作用下吸铸到铜模中，采用高纯惰性气体冷却或者水冷却，快速冷却凝固得到合金锭。 铜块与铬块重量比还可以是如下比例，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，都能满足本发明制备方法的要求。 最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理
解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中,
权利要求
一种铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)按照合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为5wt％～50wt％的比例配样；(2)在惰性气体保护下，将配制好的铜铬材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧熔炼；(3)将真空非自耗电弧熔炼的铜铬合金块体翻转，重复熔炼若干次，待合金样品完全熔化；(4)将完全熔化的铜铬合金在惰性气氛保护下继续熔化，熔化后迅速熄弧，并打开真空阀门，利用负压的作用力，将熔化的铜铬合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固得到铜铬合金锭。
2. 根据权利要求1所述的铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，其特征在于在真 空非自耗电弧熔炼中，采用高纯氩气作为惰性保护气氛，先抽真空后充入保护惰性保护气 体，真空度为lO—3 10—乍a，充入保护气氛后压力为0. 3-0. 8MPa。
3. 根据权利要求1所述的铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，其特征在于在真 空吸铸冷却过程中，所述的铸模是铜模，采用铜模进行吸铸冷却凝固。
全文摘要
本发明公开了铜铬合金触头材料的快速凝固制备方法，按照合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为5wt％～50wt％的比例配样；在惰性气体保护下，将配制好的铜铬材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧熔炼；将真空非自耗电弧熔炼的铜铬合金块体翻转，重复熔炼若干次，待合金样品完全熔化；将完全熔化的铜铬合金在惰性气氛保护下继续熔化，熔化后迅速熄弧，并打开真空阀门，利用负压的作用力，将熔化的铜铬合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固得到铜铬合金锭。本方法制备的铜铬合金触头材料合金成分均匀，氧、氮等气体含量低，组织致密、Cr相细小，成分均匀、纯净度高，夹杂物少，满足高性能输变电设备的需要。
文档编号B22D18/06GK101716670SQ20091019126
公开日2010年6月2日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者周志明, 唐丽文, 夏华, 曹敏敏, 李又兵, 胡建军, 陈元芳, 雷彬彬 申请人:重庆理工大学