CN1264143A - 真空开关铜铬系触头材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空开关铜铬系触头材料的制造方法,用该方法制作的铜铬系触头致密度高,均匀性好,结合强度高,杂质含量低,能有效地提高真空开关的可靠性,该方法即先将铜和铬在高温下熔炼形成合金化液相,然后将液态金属铸入铸模中快速冷却结晶固化成铸锭,再将铸锭进行后续加工形成触头合金。
Description
本发明涉及一种真空开关触头材料的制造方法，特别是涉及一种真空开关铜铬系触头材料的制造方法。
背景技术中，现有真空开关的触头材料主要采用铜铬系触头材料，因其具有分断能力大，耐电压强度高，抗熔焊性能好，截流值低等优点而被广泛应用。铜铬系触头因其组分固有的特点使其制造困难，目前大都采用粉末冶金生产工艺进行生产，粉末冶金生产工艺分为混粉烧结法和熔渗法两类，美国专利(专利号：4032301)和中国专利(CN1050223A)均涉及混粉烧结法，即将铜粉与铬粉及其它组分的粉末按比例配料、充分混合，然后压制成形、烧结、后续加工致密化处理。另一类为熔渗法，如美国专利(专利号：3818164)和中国专利(CN87100389)所述，将铬粉松装烧结成骨架，再将铜渗入到铬骨架之中。以上两种粉末冶金工艺生产的铜铬触头主要存在以下缺陷：1、致密度不高，残余孔隙多，一般在2％～5％之间，这种残余孔隙和孔隙中所含有的气体及固体杂质易导致触头整体性能的降低，尤其是弧后重燃会造成开断失败；2、富集均匀性不好，混粉烧结法是机械混合成形过程，虽然能排除宏观富集现象，但微观富集难以避免，熔渗法的富集问题更是难以根除，这种富集现象会造成开关性能的恶化；3、杂质含量高，除了气体杂质氧和氮外，固态杂质铝和硅含量均较高，这些杂质直接降低了触头的开断和耐压性能并且容易引起弧后重燃；4、结合强度低，用粉末冶金工艺所制触头的两相之间是纯粹机械结合，结合强度低，导致了传导性能和抗冲击性能下降。用粉末冶金工艺生产的铜铬触头这些固有缺陷，直接影响了铜铬触头的性能，降低了真空开关的可靠性。
本发明的目的在于克服了上述背景技术的不足之处，提供一种真空开关铜铬系触头材料的制造方法，用该方法制作的铜铬系触头致密度高，均匀性好，结合强度高，杂质含量低，能有效地提高真空开关的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：
一种真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特殊之处在于：先将铜和铬在高温下熔炼形成合金化液相，然后将液态金属铸入铸模中快速冷却结晶固化成铸锭，再将铸锭进行后续加工形成触头合金。
上述铜和铬可以是块状或粉状，铜的含量为45％～90％，铬的含量为10％～55％。
上述熔炼过程的精炼期可加入脱氧剂和细化剂。
上述脱氧剂和细化剂可以采用锆、钛、钨、钼、钽、铌、锑、碲、铋、锌、锡或稀土金属中至少一种，加入量为0.01％～0.5％。
上述熔炼过程中熔体温度可以高于1400℃。
上述熔炼和浇铸过程可以在高真空状态或在低压保护性气氛下进行。
上述熔炼工艺可以采用真空凝壳电弧熔炼或电子束熔炼、等离子熔炼、真空感应熔炼以及电渣炉熔炼。
上述后续加工工艺可以采用挤压加工或锻造加工。
上述挤压加工或锻造加工可以采用热加工或冷加工，热加工温度可以是500℃～1000℃。
下面对本发明作进一步详细的描述：制作时先将块状或粉状的含量为45％～90％的铜和含量为10％～55％的铬放入真空熔炼炉的坩埚或装料器中，用高能真空熔炼工艺将其熔炼成液态合金，熔炼时熔体温度高于1400℃，在熔炼过程的精炼期可加入0.01％～0.5％的脱氧剂和细化剂如锆、钛、钨、钼、钽、铌、锑、碲、铋、锌、锡或稀土金属中的一种或几种进行脱气及细化处理，加入量为0.01％～0.5％，铜和铬以及添加物第三、四组分在高温下形成均一的液相，经过熔化期与精炼期的熔炼过程使杂质充分脱除获得低杂质含量均一的合金化液相，将此液态金属快速铸入快速冷却的铸模之中结晶固化成铸锭。浇铸温度根据铬的含量及添加物成份与含量的不同而不同，例如含铬40％的铜铬合金浇铸温度为1790℃，含铬30％的铜铬合金浇铸温度为1700℃，含铬25％的铜铬合金浇铸温度为1560℃，熔炼和浇铸过程可在大于1×10-2帕的高真空下进行，也可在低压保护性气氛如300毫米汞柱的低压氩气气氛下进行。经过快速凝固的结晶固化过程，通过控制比重偏析和结晶过程中弥散分布的组织，再将快速凝固的铸锭进行后续挤压或锻造加工制成所需的触头合金，挤压或锻造过程可以冷加工，也可以热加工，热加工的温度控制在500℃～1000℃之间进行。另外，熔炼过程可采用真空凝壳电弧熔炼即壳式电弧熔炼，也可采用电子束溶炼、等离子熔炼、真空感应熔炼及电渣炉熔炼。以下通过具体的实施例来进一步说明本发明：
实施例一：将重量百分比为60∶40的无氧铜棒和铬块放入凝壳电弧熔炼炉的坩埚中，将炉内真空度抽至2.5×10-3帕，然后通电燃弧熔化材料，待材料全部熔化后经过30分钟精炼获得均一熔体，当熔体温度为1790℃时快速浇铸到带水冷的铸模中获得铸锭，随炉冷却，取出铸锭经500℃，4小时的真空处理，真空度设为1.0×10-3帕，所得材料性能见表1。
实施例2：将实施例1获得的铸锭加热到850℃，从Φ72毫米挤压到Φ40毫米的棒材，再经过500℃、4小时的真空退火处理所得材料性能见表1。
实施例3：将重量百分比为76∶24的铜棒和络块放入真空感应炉坩埚中，将炉内真空抽至1.0×10-3帕，通电升温加热至全部熔化，通入经过干燥的氩气至300毫米汞柱精炼20分钟，铸入水冷铸模中获得铸锭，再经800℃的热挤压获得所需棒材，经过500℃、真空度为1.0×10-3帕的4小时真空处理，制得铜铬触头，其性能见表1。
实施例4：将重量百分比为76∶14∶10的铜块、铬块和钽块放入真空凝壳电弧炉中，抽真空至2.5×10-3帕，通电燃弧熔化材料，待材料全部熔化后，充低压氩气至300毫米汞柱精炼30分钟，然后铸入水冷铸模中，制成的铸锭经过980℃热锻得到所需尺寸棒材，再经过950℃、2小时的真空退火处理制成铜铬触头，其性能见表1。
实施例5：将重量百分比为69∶31的铜块和铬块放入真空感应炉中，抽真空至5.0×10-3帕，通电加热到完全熔化，精炼10分钟后，加入重量百分比为0.4％的锆精炼20分钟，在水冷铸模中铸造成铸锭，经过热挤压制得棒材，再经过850℃、1小时的真空退火处理制成铜铬触头，其性能见表1。
表1：本发明实施例材料性能与现有技术所制材料性能对比
| 样品名称 | 合金成分(wt％) | 相对密度(％) | 电导率(Ms/m) | 硬度(HV) | 气体含量(ppm) | 铬颗粒尺寸(μm) |
| 铜 铬 | 氧、氮 | |||||
| 实施例1 | 59.5 | 99.5 | 24 | 97 | 210 16 | 14 |
| 实施例2 | 60.1 39.9 | 99.9 | 25 | 100 | 220 17 | 9 |
| 实施例3 | 74.6 25.4 | 99.9 | 32 | 87 | 160 16 | 8 |
| 实施例4 | 74.2 15.5 9.3Ta | 99.8 | 29 | 119 | 110 13 | 6 |
| 实施例5 | 69.1 30.6 0.3Zr | 99.9 | 27 | 99 | 60 10 | 5 |
| 现有材料1 | 60 40 | 96.5 | 22 | 88 | 450 45 | 75 |
| 现有材料2 | 75 25 | 97.0 | 26 | 76 | 410 40 | 58 |
与现有技术相比，本发明所具有的优点和效果如下：
1、本发明所制材料致密度高，无孔隙、材料相对密度大于99.5％，接近全致密，使触头的导电性能有了很大提高并且触头在燃弧过程中不会发生由于突发性放气造成的弧后重燃。
2、本发明所制材料组织均匀、细小、无富集，铬相及其它添加物形成的硬化相均匀细小的分布在铜相中，高熔点相的最大颗粒尺寸小于15微米，平均颗粒尺寸均在40微米～150微米之间。
3、本发明所制材料杂质含量低，本发明采用块状金属作原料，在高真空下高温溶炼并加入适量的脱氧剂和细化剂，使气体及其它固体杂质含量明显降低，提纯效果显著，明显优于现有技术所制材料。
4、本发明所制材料两相结合状况好，其高熔点相是由低熔点铜相的溶液中析出而来的，两相之间为金属型结合，而现有技术所制材料两相之间为单纯的机械结合。
5、本发明所制材料导电率高，通导电流能力强，开断容量也明显提高，尤其是加入钨、钼、钽、锑、锆、钛及稀土金属后，开断容量大幅提高，耐压强度也明显增强。
6、本发明所制材料由于无气孔，低杂质，使得所制开关管弧后重燃率大幅降低，显著提高了真空开关的性能。
Claims (9)
1、一种真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：先将铜和铬在高温下熔炼形成合金化液相，然后将液态金属铸入铸模中快速冷却结晶固化成铸锭，再将铸锭进行后续加工形成触头合金。
2、根据权利要求1所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述铜和铬为块状或粉状，铜的含量为45％～90％，铬的含量为10％～55％。
3、根据权利要求1或2所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：在所述熔炼过程的精炼期加入脱氧剂和细化剂。
4、根据权利要求3所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述脱氧剂和细化剂为锆、钛、钨、钼、钽、铌、锑、碲、铋、锌、锡及稀土金属中至少一种，加入量为0.01％～0.5％。
5、根据权利要求4所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述熔炼过程中熔体温度高于1400℃。
6、根据权利要求5所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述熔炼和浇铸过程在高真空状态或在低压保护性气氛下进行。
7、根据权利要求6所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述熔炼工艺采用真空凝壳电弧熔炼或电子束熔炼、等离子熔炼、真空感应熔炼以及电渣炉熔炼。
8、根据权利要求7所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述后续加工工艺采用挤压加工或锻造加工。
9、根据权利要求8所述的真空开关铜铬系触头材料的制造方法，其特征在于：所述挤压加工或锻造加工采用热加工或冷加工，热加工温度为500℃～1000℃。
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