一种高性能铜铬触头材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高性能铜铬触头材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。
【背景技术】
[0002] 触头材料广泛地用于自动开关，大容量断路器、塑壳断路器以及其他一些开关器 上。常见的触头材料有Ag-WC-C，其主要利用了 Ag的良好导电、导热性，WC的高熔点、高硬 度和耐磨性好的特点，可经受强烈的电弧腐蚀，具有良好的抗熔焊性及耐磨蚀。该触头材料 一般采用粉末冶金的方法，将银粉和WC粉及添加剂直接在模具中压制，此工艺简单易行、 流程少、对设备要求低、材料收得率高，生产成本低，但所得电触头材料存在缺陷，其组织不 均匀、致密度差、不耐电弧侵蚀。
[0003] 适当添加第二相TiC、Co、Ni、Fe等元素，采用化学包覆技术或二次烧结复压等工 艺，在一定程度上改善了所述触头材料的某些性能，但由于Ag、C之间、Ag与WC之间的浸润 性较差，导致Ag与WC、C界面处结合不牢，同时它们由于Ag与C、WC之间在压力作用下不可 能产生塑性变形而形成机械结合界面，所以依靠材料成份的调整和工艺的改善对触头材料 性能的提高，其作用是有限的。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种高性能铜铬触头材料及其 制备方法。本发明采用特殊的包套加热挤压工艺，大大降低冷压时大规格触头及高Cr含量 对压机、模具的特殊要求，可以在现有常规设备上进行批量化生产，并且高温挤压可使粉末 在固相下尽可能的致密化，减少甚至杜绝组织中的气孔存在。本发明生产的铜铬触头材料 用于中高压真空断路器中，由于本工艺制备的出头材料有高的致密度和组织均匀的优点， 因此有利于改善现有工艺导电、导热性差，放气量大问题，同时保持了良好的抗熔焊性。
[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种高性能铜铬触头材料，它由以 下重量百分比的成分组成：Cr为10-50%，余量为Cu ;其原材料分别为50-300微米的Cr粉 以及300微米以下的Cu粉。
[0006] 优选的，所述铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。
[0007] 在上述任一方案中优选的是，所述铬粉的纯度为99. 97% -99. 98%。
[0008] 此外，该尚性能铜络触头材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009] (1)原材料选择
[0010] 选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾 化铜粉；
[0011] ⑵混粉
[0012] 按Cu粉：Cr粉=9 : 1~5 : 5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉：铜 球=1 : 1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消 除粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
[0013] ⑶冷等静压
[0014] 将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150_300Mpa，保压时间为 3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压 坯在厚度方向上的致密度的差异。
[0015] (4)真空包套
[0016] 将步骤（3)中压好的棒料装入铜套，铜套厚度为l_5mm，抽真空至lpa-10 2pa进行 真空密封；抽真空包封主要是防止在后续加热挤压过程中材料的氧化，降低材料的氧含量， 防止其再真空断路器中使用时放气，从而影响使用寿命。
[0017] (5)加热
[0018] 将包套密封后的棒料加热至500-1050°C之间，保温30分钟-90分钟；
[0019] (6)热挤压
[0020] 使用液压机进行热挤压，挤压温度500-1050°C，挤压变形量为20% -99%，液压机 吨位为200-2500T，挤压后的棒料即为合格的铜铬触头材料。本步骤的目的是提高材料的致 密度，同时也可以消除材料内部小的缺陷，比如气孔、缩孔等。改善材料组织的均匀性、提高 材料强度。此外，挤压工艺对于材料最终的成型限制很小，这与常规的熔铸、电弧熔炼等相 比，一方面可以提尚材料利用率，另一方面也能提尚广品的生广效率。
[0021] 优选的，步骤（1)中所述铬粉在混合前经过如下处理：
[0022] a.将所述铬粉加入到铬粉还原炉内的氧化铝坩埚中，至铬粉上表面距离坩埚上边 沿10~20mm，停止加料，关闭炉门，将炉内环境真空度抽至6. 0 X 10 3Pa-7. 0 X 10 3Pa，充入 Iatm纯度大于99. 9%的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂除氧、分子 筛除水和高温烘干处理，再将炉内环境真空度抽至6. 0 X 10 3Pa-7. 0 X 10 3Pa ;
[0023] b.按180~200°C /h的升温速率将炉内环境温度升至650°C~750°C，持续保持 环境真空度为6. 5X10 3Pa-7. 0X10 3Pa，在600°C~800°C下保温1~2小时；
[0024] c.充入纯度大于99. 9%的氢气，所述氢气依次经硅胶、分子筛除水、105号催化剂 除氧、分子筛除水和高温烘干处理，使炉内环境氢气气压为10~20Pa，再按100~150°C / h的升温速率将炉内环境温度升至1150°C~1250°C，升温结束后，保温5~8小时，然后以 120~180°C /h的降温速率降温至室温，即得氧含量低于300ppm的铬粉，其中在所述升温、 保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10~20Pa。
[0025] 在上述任一方案中优选的是，步骤（3)中采用带铝合金夹板的冷等静压机进行冷 等静压，温度控制为20 °C。
[0026] 在上述任一方案中优选的是，步骤（4)中的真空包套好包括将压好的棒料放置入 铜套后，进行封死所述铜套并从所述铜套上引出脱气管，所述抽真空步骤是通过所述脱气 管完成的，所述铜套为焊接成型；压好的棒料放置入铜套后还进行对夯实处理。
[0027] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中液压机的挤压头的下降速度为5mm/s~ 10mm/s，比压为200MPa~800Mpa ;在热挤压之前挤压头需要加热至220~280°C，并在挤压 头上涂有涂料。
[0028] 本发明的有益效果：
[0029] 1.本发明的方法对比于现有模具压制、烧结工艺可大批量稳定化生产，且可批量 化生产出大规格铜铬触头（由于规格增大后模压工艺压力大，对设备、模具要求高）；
[0030] 2.本发明生产出的触头组织致密、无气孔等缺陷；
[0031] 3.本发明可批量生产高Cr含量粉末冶金触头（当Cr含量高时模压对压力、模具 要求增大，而此工艺在高温下生产，无模具、压力要求小）；
[0032] 4.本发明工艺过程简单、加热过程只有30-90min，相对模压烧结工艺长达15-30 小时的烧结过程，时间、电能大大节约。
[0033] 附图简要说明
[0034] 图1是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr25触头材料的金相组织图；
[0035] 图2是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr30触头材料的金相组织图；
[0036] 图3是根据本发明的方法制得的高性能铜铬CuCr50触头材料的金相组织图.
【具体实施方式】
[0037] 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
[0038] 实施例1
[0039] -种高性能铜铬CuCr25触头材料，它由以下重量百分比的成分组成：Cr为25% 左右，余量为Cu ;其原材料分别为50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。所述 铬粉为电解铬粉或铝热还原铬粉，所述铜粉为电解铜粉或雾化铜粉。所述铬粉的纯度为 99. 3% -99. 98%。
[0040] 所述的高性能铜铬CuCr25触头材料的制备方法，包括以下步骤：
[0041] (1)原材料选择
[0042] 选用50-300微米的电解铬粉或铝热还原铬粉以及300微米以下的电解铜粉或雾 化铜粉；
[0043] ⑵混粉
[0044] 按Cu粉：Cr粉约为7. 5 : 2. 5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉：铜球 =1 : 1的重量配比进行球磨混粉3-10小时；本步骤是为了保证混粉充分，同时也可消除 粉末之间的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
[0045] (3)冷等静压
[0046] 将混好后的混合粉装入橡胶套冷等静压为棒料，压力为150_300Mpa，保压时间为 3-20分钟；冷等静压与常规的模压相比，能够获得整体致密性一致的压坯，模压会使的压 坯在厚度方向上的致密度的差异。