专利名称：高性能低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法
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
用电磁悬浮熔炼技术生产高性能、低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法。
背景技术：
铜铬(CuCr)合金是广泛用于中高压真空断路器的触头材料，具有较好的耐电压 和开断电流能力。其中气体和杂质含量指标是决定其性能的关键。当材料中含有较高的氧、 氮等气体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。因此，不断降低材 料中的气体含量以及减少夹杂物的污染是发展高性能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，然 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。采用真空熔炼方法中虽然能够 获得低的气体含量，但由于真空熔炼是在极高温度下的氧化物坩埚中进行，由于高温下铜 铬合金容易与材料发生反应，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。由于铜铬合金的熔炼是在极高温度下进行的，采用真空感应熔炼法 和雾化制备法都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
本发明针对现有技术中制备CuCr合金方法的上述不足，采用真空电磁悬浮的熔炼制备技术，提供一种用于制备高性能、低氧、低氮、低夹杂物的铜铬合金触头材料，大幅度 提高铜铬合金触头材料的性能，从根本上解决坩埚材料的污染问题。 本发明的技术方案高性能低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，其特征在于包 括如下操作步骤 (1)按照工艺要求的合金成分，将铜金属材料和铬金属材料按照铬重量含量为
10wt% 75wt^的比例配样；对应的铜金属材料重量含量为25wt% 90wt% ; (2)将配制好的材料混粉压制成块体，或者通过真空感应熔炼和真空非自耗电弧
熔炼制成合金预制锭；将材料放入真空感应熔炼炉或真空非自耗电弧熔炼炉后，先抽取熔
炼炉内的气体，然后充入高纯惰性气体； (3)在惰性气体保护下，将合金预制锭在真空电磁悬浮炉或冷坩埚炉中经高频感 应加热熔化；合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，待合金锭完全熔化后， 保温一段时间(使合金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充 分混合以混合均匀)； (4)采用高纯惰性气体冷却凝固或者采用水冷铜坩埚冷却凝固得到铜铬合金锭。
进一步的特征是在真空感应熔炼和真空非自耗电弧熔炼中，以及在真空电磁悬 浮熔炼和冷坩埚熔炼过程中，采用高纯氩气作为惰性保护气氛。 本发明的高性能、低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，相对于现有技术，具有如 下特点 1、合金成分均匀，氧、氮等气体含量低，组织致密、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、可以避免高温下坩埚材料对合金的污染，并且可以利用强烈的电磁搅拌作用使 合金显微组织更加均匀。 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高性能、低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，其操作方法如下 1.按照工艺要求的合金成分，将铜金属材料和铬金属材料按照铬重量含量为
10wt% 75wt^的比例配样，铜金属材料重量含量为25wt% 90wt% ; 2.将配制好的材料混粉压制成块体，或者通过真空感应熔炼和真空非自耗电弧熔
炼制成合金预制锭；将材料放入真空感应熔炼炉或真空非自耗电弧熔炼炉后，先抽取熔炼
炉内的气体，然后充入高纯惰性气体； 3.在惰性气体保护下，将合金预制锭在真空电磁悬浮炉或冷坩埚炉中经高频感应 加热熔化；合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，待合金锭完全熔化后，保 温一段时间，保温时间通常在1分钟之内；使合金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； 4.采用高纯惰性气体冷却凝固或者采用水冷铜坩埚冷却凝固得到铜铬合金锭。
实施例1 : 取铜块与铬块各占总重量的50%，放入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至 8. 0X 10—4Pa后充入高纯氩气至0. 6MPa，接通电源起弧熔炼成合金预制锭，将所得到的合金预制锭放入真空电磁悬浮熔炼炉中，通过中空的氧化铝陶瓷支撑杆将合金锭顶入高频感应 线圈内，抽真空至7. 0 X 10—4Pa后充入高纯氩气至0. 6MPa，接通高频电源，调节输入电流和 功率，合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，通过红外测温仪观察合金锭的 温度，待合金锭完全熔化后，保温10-30秒(使合金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)，迅速断电，样品在重力的作用下下落到铜坩埚中(水 冷铜坩埚)，迅速冷却凝固得到合金锭。
实施例2 : 取铜块与铬块重量比为85 : 15，抽真空至1.5X10—卞a后充入高纯氩气至 0. 3MPa，进行感应熔炼并浇铸成合金预制锭，将所得到的合金预制锭放入真空电磁悬浮熔 炼炉中，通过中空氧化铝陶瓷支撑杆将合金锭顶入高频感应线圈内，抽真空至1.5X10—3Pa 后充入高纯氩气至0. 3MPa，接通高频电源，调节输入电流和功率，合金预制锭在电磁力的作 用下悬浮起来，并加热熔化，通过红外测温仪观察合金锭的温度，移出氧化铝陶瓷支撑杆， 待合金锭完全熔化后，保温10-30秒，从中空的氧化铝陶瓷杆中吹高纯氦气，样品在高纯氦
气下冷却凝固得到合金锭。
实施例3 : 取铜块与铬块重量比为70 : 30，放入真空感应熔炼中，抽真空至1.0X10—卞a后 充入高纯氩气至0. 5MPa，进行感应熔炼并浇铸成合金预制锭，将所得到的合金预制锭放入 冷坩埚熔炼炉中，抽真空至1.0X10—3Pa后充入高纯氩气至0. 5MPa，接通高频电源，调节输 入电流和功率，合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，通过红外测温仪观察 合金锭的温度，待合金锭完全熔化后，保温10-30秒，迅速断电，样品在重力的作用下下落 到铜坩埚中，迅速冷却凝固得到合金锭。
实施例4 : 取铜粉与铬粉重量比为75 : 25，然后通过混粉法压制成合金预制锭，将混粉压制 的合金预制锭放入冷坩埚熔炼炉中，抽真空至1. 2X 10—3Pa后充入高纯氩气至0. 4MPa，接通 高频电源，调节输入电流和功率，合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，通 过红外测温仪观察合金锭的温度，待合金锭完全熔化后，保温10-30秒，迅速断电，样品在 重力的作用下下落到水冷铜坩埚中，迅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，90 : 10，88 : 12，85 : 15，80 : 20， 78 : 22，73 : 37，68 : 32，65 : 35，60 : 40，58 : 42，55 : 45，48 : 52，45 : 55，42 : 58， 40 : 60， 38 : 62， 35 : 65， 33 : 67， 30 : 70， 25 : 75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
高性能低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，其特征在于包括如下操作步骤(1)按照工艺要求的合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为10wt％～75wt％的比例配样；(2)将配制好的材料混粉压制成块体，或者通过真空感应熔炼和真空非自耗电弧熔炼制成合金预制锭；将材料放入真空感应熔炼炉或真空非自耗电弧熔炼炉后，先抽取熔炼炉内的气体，然后充入高纯惰性气体；(3)在惰性气体保护下，将合金预制锭在真空电磁悬浮炉或冷坩埚炉中经高频感应加热熔化；合金预制锭在电磁力的作用下悬浮起来，并加热熔化，待合金锭完全熔化后，保温一段时间；(4)采用高纯惰性气体冷却凝固或者采用水冷铜坩埚冷却凝固得到铜铬合金锭。
2. 根据权利要求1所述的高性能低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，其特征在于 在真空感应熔炼和真空非自耗电弧熔炼中，以及在真空电磁悬浮熔炼和冷坩埚熔炼过程 中，采用高纯氩气作为惰性保护气氛。
全文摘要
本发明公开了高性能低夹杂铜铬合金触头材料的制备方法，其步骤1.按照工艺要求的合金成分，将铜金属和铬金属材料按照铬重量含量为10wt％～75wt％的比例配样；2.将配制好的材料混粉压制成块体，或者通过真空感应熔炼和真空非自耗电弧熔炼制成合金预制锭；3.在惰性气体保护下，将合金预制锭在真空电磁悬浮炉或冷坩埚炉中经高频感应加热熔化；4.采用高纯惰性气体冷却凝固或者采用水冷铜坩埚冷却凝固得到铜铬合金锭。本发明的制备方法，合金成分均匀，氧、氮等气体含量低，组织致密、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；可以避免高温下坩埚材料对合金的污染，使合金显微组织更加均匀。
文档编号C22C1/02GK101709393SQ20091019126
公开日2010年5月19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, 张弛, 彭成允, 曹敏敏, 李又兵, 雷彬彬 申请人:重庆理工大学