一种大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金的制造方法与流程

本发明涉及一种铜基真空触头材料的制造方法，尤其涉及一种大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金的制造方法。

背景技术：

CuCr合金因具有较好的耐电弧侵蚀能力和良好的开断电流能力，而作为触头材料广泛用于中高压真空断路器中。CuCr合金的使用性能主要取决于其组织结构的致密性和均匀性。由于Cu和Cr之间的相互溶解度很低，浸润性差，因此在CuCr合金研发的相当长一段时间内，皆是先采用粉末冶金法制备具有一定形状的多孔Cr骨架，然后熔渗Cu而得到CuCr合金制品；必要时再对熔渗后的CuCr合金进行冷或热复压，使产品达到符合要求的密度和强度。

迄今，CuCr合金的制造方法主要有熔渗法、烧结法和电弧熔炼法。采用前两种成形方法，Cr基本保持颗粒状分布在Cu基体中，受制备工艺限制，产品总存在一定量的缺陷，影响材料的性能和使用寿命。

放电等离子烧结(SPS)是利用强脉冲直流电流流经粉末或模具产生焦耳热而对粉末进行快速固结成形的一种新技术。该烧结技术可显著降低成形温度和成形时间，并在粉末颗粒间隙中产生等离子活化、放电冲击压和电场辅助扩散效应等一系列特殊效应，被认为是制备细晶、纳米晶块体材料的一种高效低成本方法。近期，中国专利106086493A公开了一种快速低温烧结制备CuCr合金材料的方法，该方法便是采用SPS对CuCr混合粉末进行低温固相烧结。由于SPS是通过电流对粉末和石墨模具直接加热，故烧结体的品质与电流密度分布有关，也即与粉末压坯和模具的尺寸、结构以及导电导热性能关系密切。采用常规的烧结模具，随着烧结样品尺寸的增大(样品直径和厚度增加)，尤其是当烧结样品直径大于50mm时，沿径向和轴向的电流分布不均匀性增加，直接导致烧结温度分布不均匀，进而影响烧结体的成分和组织均匀性。尤为重要的是，热量在粉末坯体和模具内部传导需要时间，因此提高升温速率将显著增加烧结温度的不均匀性。此外，随着烧结样品尺寸的增大，烧结用粉量增加，烧结过程中粉末压坯内的气体排放量增大，提高升温速率将不利于气体释放，从而影响烧结体的致密度。因此，从烧结过程中的热传导和气体排放角度考虑，采用SPS制备大尺寸样品，升温速率也不宜过快。由此可知，专利106086493A采用快速升温(升温速率为50～300℃/min)方式不适合制备具有高致密度、高均匀性的大尺寸CuCr合金(直径大于50mm)。

综上，通过设计合理可行的烧结模具和优化烧结工艺，控制CuCr合金放电等离子烧结过程中的电流分布，提高温度分布均匀性，加快气体排放，是制造大尺寸、高致密度、成分与组织均匀的CuCr合金的关键。这对促进SPS在制造高尖端产品的应用方面尤为重要。

技术实现要素：

针对现有真空触头材料，尤其是高致密度(相对密度大于99％)、成分组织均匀的大尺寸CuCr合金制造方法的不足之处，本发明的目的在于采用放电等离子烧结技术，通过改善模具结构，改善电流密度分布并优化烧结工艺参数，提供一种大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金的制造方法，以提升我国真空触头材料的品质。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金的制造方法，其特点在于：将由Cu粉和Cr粉混合而成的CuCr混合粉末，放入石墨模具中预压，然后再置于放电等离子烧结系统中，施加轴向压力的同时在10～50℃/min以梯级升温方式加热至800～880℃，保温2～8min，对CuCr混合粉末进行固结成形，即获得大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金圆柱锭。具体包括如下步骤：

步骤1、选用氧含量低于500ppm、粒径不大于200目的金属Cu粉；选用氧含量低于800ppm、粒径在80目～240目之间的金属Cr粉；

根据所需CuCr合金的成分，称取Cu粉和Cr粉，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；根据所需产品尺寸，称取一定量的CuCr混合粉末备用；

步骤2、将称重好的CuCr混合粉末装填进石墨模具内；采用手动液压机对装好CuCr混合粉末的石墨模具进行预压，压力为8～12MPa；

步骤3、在装好CuCr混合粉末的石墨模具外围裹上4～6mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流，对CuCr混合粉末进行固结成形，工艺条件为：

轴向压力为10～60MPa；

升温速率为10～50℃/min；

烧结温度为800～880℃；

保温时间为2～8min；

随炉冷却后即获得大尺寸高致密度高均匀性的CuCr合金圆柱锭，其直径不小于50mm，长径比为0.04～1.0。

本发明所用石墨模具包括石墨阴模、石墨内衬套和两个压头(分别作为上压头和下压头)，所述压头的外圆柱面上对称设置有若干沿轴向贯穿的排气槽，所述压头的上端面设置有散热盲孔。

所述烧结温度优选为820～860℃；保温时间优选为3～5min；轴向压力优选为20～40MPa；所述升温速率在室温至300℃区间优选为10～20℃/min，300℃以上优选为30～50℃/min。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过改进模具结构，改善电流密度分布，加快粉末坯体中的气体排放，采用放电等离子烧结技术实现了大尺寸、高致密度、组织成分均匀的CuCr合金圆柱锭的批量成形，工艺简单，周期短，生产效率高；所得CuCr合金经后续少量加工即可成品而用作大功率输变电设备中真空断路器的零部件，可大幅度提升国内真空触头材料的品质。

2、本发明优化了大尺寸CuCr合金的制造工艺，当轴向机械压力、升温速率、烧结温度和保温时间分别优选为30MPa、15℃/min(≤300℃)和35℃/min(>300℃)、850℃和5min时，更能充分发挥该制造工艺的优势，获得致密度大于99.5％且沿轴向和径向的波动小于0.3％、成分组织均匀的CuCr合金产品。

附图说明

图1为本发明所用石墨模具各部件的拆分平面示意图；

图2为本发明所用石墨模具中压头的立体结构示意图；

图3为本发明所用石墨模具组装后的剖面图；

图4为本发明实施例1所得CuCr合金产品的SEM图；

图中标号：1为石墨阴模，2为石墨内衬套，3为压头，3a为排气槽，3b为散热盲孔，4为CuCr混合粉末。

具体实施方式

通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

在下述实施例中选用氧含量低于500ppm、粒径不大于200目的金属Cu粉，选用氧含量低于800ppm、粒径在80目～240目之间的金属Cr粉；

下述实施例所用石墨模具的结构示意图如图1～3所示，其包括石墨阴模1、石墨内衬套2和两个压头3(分别作为上压头和下压头)，压头的外圆柱面上对称设置有若干沿轴向贯穿的排气槽3a，压头的上端面设置有散热盲孔3b。排气槽为半圆柱形，共8个，呈米字型均匀分布在压头外圆柱面。散热盲孔的深度占压头总高度的1/3～2/3。使用时，将石墨内衬套置于石墨阴模中，再将下压头(散热盲孔朝下)置于石墨内衬套中，然后将CuCr混合粉末4装填到石墨内衬套中，最后将上压头(散热盲孔朝上)置于内衬套内。石墨模具的尺寸由烧结样品的尺寸决定。

所用放电等离子烧结炉为日本Sinter Land Inc.公司生产的LABOX-6020放电等离子烧结系统，其电流类型为直流脉冲电流，脉冲序列为40:7。

实施例1

本实施例的大尺寸CuCr合金按如下步骤进行：

步骤1、分别称取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；称取3.35kg CuCr混合粉末用于烧结；

步骤2、将称重好的CuCr混合粉末装填进石墨模具内；采用手动液压机对装好CuCr混合粉末的石墨模具进行预压，压力为～10MPa；

步骤3、在装好CuCr混合粉末的石墨模具外围裹上～5mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流，对CuCr混合粉末进行固结成形，工艺条件为：

轴向压力为30MPa；

升温速率为15℃/min(≤300℃)和35℃/min(>300℃)；

烧结温度为850℃；

保温时间为5min；

随炉冷却后即获得Φ80mm×80mm的CuCr合金圆柱锭，其密度为8.31g/cm³(致密度为99.6％)，致密度沿轴向和径向的波动小于0.3％。其SEM图如图4所示，可以看出产品成分均匀，组织细小均匀。

实施例2

本实施例的大尺寸CuCr合金按如下步骤进行：

步骤1、分别称取Cu粉14.0kg、Cr粉6.0kg，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；称取5.66kg CuCr混合粉末用于烧结；

步骤2、将称重好的CuCr混合粉末装填进石墨模具内；采用手动液压机对装好CuCr混合粉末的石墨模具进行预压，压力为～10MPa；

步骤3、在装好CuCr混合粉末的石墨模具外围裹上～5mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流，对CuCr混合粉末进行固结成形，工艺条件为：

轴向压力为60MPa；

升温速率为10℃/min(≤300℃)和30℃/min(>300℃)；

烧结温度为800℃；

保温时间为8min；

随炉冷却后即获得Φ120mm×60mm的CuCr合金圆柱锭，其密度为8.28g/cm³(致密度为99.3％)，致密度沿轴向和径向的波动小于0.6％，成分均匀，组织细小均匀。

实施例3

本实施例的大尺寸CuCr合金按如下步骤进行：

步骤1、分别称取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；称取655g CuCr混合粉末用于烧结；

步骤2、将称重好的CuCr混合粉末装填进石墨模具内；采用手动液压机对装好CuCr混合粉末的石墨模具进行预压，压力为～10MPa；

步骤3、在装好CuCr混合粉末的石墨模具外围裹上～5mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至5Pa以下，然后通入直流脉冲电流，对CuCr混合粉末进行固结成形，工艺条件为：

轴向压力为10MPa；

升温速率为20℃/min(≤300℃)和50℃/min(>300℃)；

烧结温度为880℃；

保温时间为2min；

随炉冷却后即获得Φ100mm×10mm的CuCr合金圆柱锭，其密度为8.29g/cm³(致密度为99.4％)，致密度沿轴向和径向的波动小于0.5％，成分均匀，组织细小均匀。

实施例4

本实施例的大尺寸CuCr合金按如下步骤进行：

步骤1、分别称取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；称取78.6g CuCr混合粉末用于烧结；

步骤2、将称重好的CuCr混合粉末装填进石墨模具内；采用手动液压机对装好CuCr混合粉末的石墨模具进行预压，压力为～10MPa；

步骤3、在装好CuCr混合粉末的石墨模具外围裹上～5mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至5Pa以下，然后通入直流脉冲电流，对CuCr混合粉末进行固结成形，工艺条件为：

轴向压力为20MPa；

升温速率为20℃/min(≤300℃)和50℃/min(>300℃)；

烧结温度为840℃；

保温时间为3min；

随炉冷却后即获得Φ50mm×30mm的CuCr合金圆柱锭，其密度为8.30g/cm³(致密度为99.5％)，致密度沿轴向和径向的波动小于0.4％，成分均匀、组织细小均匀。