一种高品质铜铬合金的致密化工艺的制作方法

本发明属于高压电器开关触头材料领域，涉及铜铬触头材料，具体涉及一种高品质铜铬合金的致密化工艺。

背景技术：

CuCr合金是一种广泛用于真空断路器的新型触头材料。由于Cu、Cr两种组元密度、熔点等物理性质相差很大，使得CuCr合金极难用常规铸造工艺生产，细晶低含氧量CuCr触头的制备具有很大难度。低的气体和杂质含量，保证真空断路器在开断过程中不会因为放气造成电弧重燃及熔焊。Cr颗粒尺寸尽可能细小，分布均匀。保证在开断过程中不会因为Cr分布不均或过大造成电弧能量在富铬处聚集导致触头表面过度烧蚀和熔焊而引起开断失败。

目前粉末冶金制取铜铬系触头合金的方法，主要有以下几种：

混粉法、熔渗法、真空熔炼法和自耗法，其中混粉法是一种传统的应用广泛的方法，这种方法是将一定比例的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的缺点。

每种制备方法都有其优缺点，可以看出，目前的粉末冶金制取铜铬系触头合金的方法的优点明显，通过配料改变Cr含量和Cr的晶粒度，可以制备出各种不同规格的铜铬合金产品，但是其明显的缺点是致密度低，很难获得低气体含量的产品。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高品质铜铬合金的致密化工艺,以便得到高性能、低气体含量和低夹杂物的铜铬合金触头材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高品质铜铬合金致密化工艺，该工艺以铬粉、铜粉与石墨粉为原料，将原料依次经过配料、真空混料和真空相对压实，得到圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为80％～90％，然后将圆柱形坯料进行真空烧结得到CuCr烧结样品，最后将CuCr烧结样品进行旋锻致密化，得到高品质铜铬合金。

本发明还具有如下区别技术特征：

所述的圆柱形坯料的相对密度为85％～90％。

该工艺具体按照以下步骤进行：

步骤一，配料：

将铬粉、铜粉及石墨粉进行配料，得到初步混合粉末；

所述的初步混合粉末中，以重量份数计，铬粉与铜粉的比为(1.5～50)：(50～98.5)，铬粉与铜粉的重量份数之和为100份；石墨粉的加入量为铬粉与铜粉总质量的的0.1％～0.3％；

步骤二，真空混料：、

将初步混合粉末装入混料机罐体中，然后抽真空，冲入惰性气体，在惰性气体保护下采用三维混合机对初步混合粉末三向转动混合3～4h，得到混合粉末；

步骤三，真空相对压实：

将混合粉末放入模具中真空压制成圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为80％～90％；

步骤四，真空烧结：

将圆柱形坯料放入坩埚中，进行真空烧结，先抽真空至炉内压力≤6.5×10^-3Pa，然后再加热升温至980℃～1050℃，保温2～4h，随炉冷却至室温取出CuCr烧结样品；

步骤五，旋锻致密化：

将CuCr烧结样品在箱式炉中加热到800～850℃，保温0.5～1h，放入旋锻机内进行锻打直至达到直径规格尺寸，最后经热处理，切割，机加得到高品质铜铬合金。

优选的，步骤一中，所述的初步混合粉末中，以重量份数计，铬粉与铜粉的比为(15～50)：(50～85)，铬粉与铜粉的重量份数之和为100份；石墨粉的加入量为铬粉与铜粉总质量的的0.2％～0.3％。

具体的，步骤二中，混料机罐体内的压力≤10Pa，再冲入惰性气体为氩气或氦气到1个大气压。

具体的，步骤三中，为了实现真空压制，真空环境对应的模具内的压力≤6.5×10^-2Pa。

优选的，步骤三中，将混合粉末放入模具中真空压制成圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为85％～90％。

具体的，步骤五中，旋锻时CuCr烧结样品横断面的单次减缩率小于15％～20％，模具打击次数为每分钟1500～3000次，CuCr烧结样品的送进速度为1000mm/min。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的工艺以铬粉、铜粉与石墨粉为原料，采用真空相对压实、真空烧结结合旋锻致密化的联合工艺，使合金组织全致密，且含氧量低，同时材料的利用率较高，解决了合金组织致密度和含氧量之间存在的矛盾；通过调整配料，可生产出不同Cr含量、不同Cr铬晶粒尺寸、不同直径规格的系列CuCr合金材料。

在真空相对压实过程中，圆柱形坯料的相对密度为80％～90％，相对密度不能过高也不能过低，过高，在后续的旋锻致密化工艺中气体难以排除，过低，会对后续真空烧结和旋锻致密化工艺造成影响，导致最终产品的的致密度不高。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图。

图2是旋锻原理示意图。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

旋锻即旋转锻造。把疏松多孔的烧结态棒坯加工成致密的具有一定强度的致密金属的变形过程，旋锻是多块锤模在环绕纵轴高速旋转的同时，对锻坯进行高速高频率的锻打(如图2所示)。旋锻加工在工艺上兼有多向锻打和脉冲锻打的特点，锻件受三向压应力作用，使坯料受径向压缩沿轴向延伸的过程。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：CuCr15合金制备工艺

本实施例给出一种高品质铜铬合金致密化工艺，如图1所示，该工艺具体按照以下步骤进行：

步骤一，配料：

铬粉(粒径≤60μm，氧含量≤2000ppm)，电解铜粉(粒径≤40μm，氧含量≤1200ppm)，石墨(C)粉(粒径≤40μm)。

将铬粉、铜粉及石墨粉进行配料，得到初步混合粉末；

所述的初步混合粉末中，以重量份数计，铬粉与铜粉的比为15：85，铬粉与铜粉的重量份数之和为100份，石墨粉的加入量为铬粉与铜粉总质量的的0.2％；

步骤二，真空混料：、

将初步混合粉末装入混料机罐体中，然后抽真空，冲入惰性气体，在惰性气体保护下采用三维混合机对初步混合粉末三向转动混合3h，得到混合粉末；混料机罐体内的压力≤10Pa，再冲入惰性气体为氩气到1个大气压。

步骤三，真空相对压实：

将混合粉末放入模具中真空压制成圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为85％；为了实现真空压制，真空环境对应的模具内的压力≤6.5×10^-2Pa。

步骤四，真空烧结：

将圆柱形坯料放入坩埚中，进行真空烧结，先抽真空至炉内压力≤6.5×10^-3Pa，然后再加热升温至980℃，保温4h，随炉冷却至室温取出CuCr烧结样品；

步骤五，旋锻致密化：

将CuCr烧结样品在箱式炉中加热到800℃，保温1h，放入旋锻机内进行锻打直至达到直径规格尺寸，最后经热处理，切割，机加得到高品质铜铬合金CuCr15合金；

旋锻时CuCr烧结样品横断面的单次减缩率小于15％，模具打击次数为每分钟1500次，CuCr烧结样品的送进速度为1000mm/min。

制备出CuCr15合金材料经过测试，材料中氧含量<200ppm，氮含量<10ppm，碳含量<60ppm，相对密度100％(全致密)，硬度HB>68，电导率>40Ms/m。

实施例2：CuCr50合金制备工艺

本实施例给出一种高品质铜铬合金致密化工艺，如图1所示，该工艺具体按照以下步骤进行：

步骤一，配料：

铬粉(粒径≤60μm，氧含量≤2000ppm)，电解铜粉(粒径≤40μm，氧含量≤1200ppm)，石墨(C)粉(粒径≤40μm)。

将铬粉、铜粉及石墨粉进行配料，得到初步混合粉末；

所述的初步混合粉末中，以重量份数计，铬粉与铜粉的比为50：50，铬粉与铜粉的重量份数之和为100份，石墨粉的加入量为铬粉与铜粉总质量的的0.3％；

步骤二，真空混料：、

将初步混合粉末装入混料机罐体中，然后抽真空，冲入惰性气体，在惰性气体保护下采用三维混合机对初步混合粉末三向转动混合4h，得到混合粉末；混料机罐体内的压力≤10Pa，再冲入惰性气体为氦气到1个大气压。

步骤三，真空相对压实：

将混合粉末放入模具中真空压制成圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为90％；为了实现真空压制，真空环境对应的模具内的压力≤6.5×10^-2Pa。

步骤四，真空烧结：

将圆柱形坯料放入坩埚中，进行真空烧结，先抽真空至炉内压力≤6.5×10^-3Pa，然后再加热升温至1050℃，保温2h，随炉冷却至室温取出CuCr烧结样品；

步骤五，旋锻致密化：

将CuCr烧结样品在箱式炉中加热到850℃，保温0.5h，放入旋锻机内进行锻打直至达到直径规格尺寸，最后经热处理，切割，机加得到高品质铜铬合金CuCr50合金；

旋锻时CuCr烧结样品横断面的单次减缩率小于20％，模具打击次数为每分钟3000次，CuCr烧结样品的送进速度为1000mm/min。

制备出的CuCr50触头材料经过测试。触头材料中氧含量<300ppm，氮含量<10ppm，碳含量<60ppm，相对密度100％(全致密)，硬度HB>80，电导率>17Ms/m。

实施例3：CuCr1.5合金制备工艺

本实施例给出一种高品质铜铬合金致密化工艺，如图1所示，该工艺具体按照以下步骤进行：

步骤一，配料：

铬粉(粒径≤60μm，氧含量≤2000ppm)，电解铜粉(粒径≤40μm，氧含量≤1200ppm)，石墨(C)粉(粒径≤40μm)。

将铬粉、铜粉及石墨粉进行配料，得到初步混合粉末；

所述的初步混合粉末中，以重量份数计，铬粉与铜粉的比为1.5：89.5，铬粉与铜粉的重量份数之和为100份，石墨粉的加入量为铬粉与铜粉总质量的的0.1％；

步骤二，真空混料：、

将初步混合粉末装入混料机罐体中，然后抽真空，冲入惰性气体，在惰性气体保护下采用三维混合机对初步混合粉末三向转动混合3h，得到混合粉末；混料机罐体内的压力≤10Pa，再冲入惰性气体为氩气到1个大气压。

步骤三，真空相对压实：

将混合粉末放入模具中真空压制成圆柱形坯料，圆柱形坯料的相对密度为80％；为了实现真空压制，真空环境对应的模具内的压力≤6.5×10^-2Pa。

步骤四，真空烧结：

将圆柱形坯料放入坩埚中，进行真空烧结，先抽真空至炉内压力≤6.5×10^-3Pa，然后再加热升温至1000℃，保温3h，随炉冷却至室温取出CuCr烧结样品；

步骤五，旋锻致密化：

将CuCr烧结样品在箱式炉中加热到800℃，保温1h，放入旋锻机内进行锻打直至达到直径规格尺寸，最后经热处理，切割，机加得到高品质铜铬合金CuCr1.5合金；

旋锻时CuCr烧结样品横断面的单次减缩率小于18％，模具打击次数为每分钟2000次，CuCr烧结样品的送进速度为1000mm/min。

制备出CuCr1.55合金材料经过测试，材料中氧含量<200ppm，氮含量<10ppm，碳含量<60ppm，相对密度100％(全致密)，硬度HB>65，电导率>43Ms/m。