一種高性能銅鉻觸頭材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高性能銅鉻觸頭材料及其制備方法，屬于金屬基復合材料領域。
【背景技術】
[0002] 觸頭材料廣泛地用于自動開關，大容量斷路器、塑殼斷路器以及其他一些開關器 上。常見的觸頭材料有Ag-WC-C，其主要利用了 Ag的良好導電、導熱性，WC的高熔點、高硬 度和耐磨性好的特點，可經(jīng)受強烈的電弧腐蝕，具有良好的抗熔焊性及耐磨蝕。該觸頭材料 一般采用粉末冶金的方法，將銀粉和WC粉及添加劑直接在模具中壓制，此工藝簡單易行、 流程少、對設備要求低、材料收得率高，生產(chǎn)成本低，但所得電觸頭材料存在缺陷，其組織不 均勻、致密度差、不耐電弧侵蝕。
[0003] 適當添加第二相TiC、Co、Ni、Fe等元素，采用化學包覆技術或二次燒結(jié)復壓等工 藝，在一定程度上改善了所述觸頭材料的某些性能，但由于Ag、C之間、Ag與WC之間的浸潤 性較差，導致Ag與WC、C界面處結(jié)合不牢，同時它們由于Ag與C、WC之間在壓力作用下不可 能產(chǎn)生塑性變形而形成機械結(jié)合界面，所以依靠材料成份的調(diào)整和工藝的改善對觸頭材料 性能的提高，其作用是有限的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述缺陷，提供一種高性能銅鉻觸頭材料及其 制備方法。本發(fā)明采用特殊的包套加熱擠壓工藝，大大降低冷壓時大規(guī)格觸頭及高Cr含量 對壓機、模具的特殊要求，可以在現(xiàn)有常規(guī)設備上進行批量化生產(chǎn)，并且高溫擠壓可使粉末 在固相下盡可能的致密化，減少甚至杜絕組織中的氣孔存在。本發(fā)明生產(chǎn)的銅鉻觸頭材料 用于中高壓真空斷路器中，由于本工藝制備的出頭材料有高的致密度和組織均勻的優(yōu)點， 因此有利于改善現(xiàn)有工藝導電、導熱性差，放氣量大問題，同時保持了良好的抗熔焊性。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案如下：一種高性能銅鉻觸頭材料，它由以 下重量百分比的成分組成：Cr為10-50%，余量為Cu ;其原材料分別為50-300微米的Cr粉 以及300微米以下的Cu粉。
[0006] 優(yōu)選的，所述鉻粉為電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉，所述銅粉為電解銅粉或霧化銅粉。
[0007] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述鉻粉的純度為99. 97% -99. 98%。
[0008] 此外，該尚性能銅絡觸頭材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] (1)原材料選擇
[0010] 選用50-300微米的電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉以及300微米以下的電解銅粉或霧 化銅粉；
[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：銅 球=1 : 1的重量配比進行球磨混粉3-10小時；本步驟是為了保證混粉充分，同時也可消 除粉末之間的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
[0013] ⑶冷等靜壓
[0014] 將混好后的混合粉裝入橡膠套冷等靜壓為棒料，壓力為150_300Mpa，保壓時間為 3-20分鐘；冷等靜壓與常規(guī)的模壓相比，能夠獲得整體致密性一致的壓坯，模壓會使的壓 坯在厚度方向上的致密度的差異。
[0015] (4)真空包套
[0016] 將步驟（3)中壓好的棒料裝入銅套，銅套厚度為l_5mm，抽真空至lpa-10 2pa進行 真空密封；抽真空包封主要是防止在后續(xù)加熱擠壓過程中材料的氧化，降低材料的氧含量， 防止其再真空斷路器中使用時放氣，從而影響使用壽命。
[0017] (5)加熱
[0018] 將包套密封后的棒料加熱至500-1050°C之間，保溫30分鐘-90分鐘；
[0019] (6)熱擠壓
[0020] 使用液壓機進行熱擠壓，擠壓溫度500-1050°C，擠壓變形量為20% -99%，液壓機 噸位為200-2500T，擠壓后的棒料即為合格的銅鉻觸頭材料。本步驟的目的是提高材料的致 密度，同時也可以消除材料內(nèi)部小的缺陷，比如氣孔、縮孔等。改善材料組織的均勻性、提高 材料強度。此外，擠壓工藝對于材料最終的成型限制很小，這與常規(guī)的熔鑄、電弧熔煉等相 比，一方面可以提尚材料利用率，另一方面也能提尚廣品的生廣效率。
[0021] 優(yōu)選的，步驟（1)中所述鉻粉在混合前經(jīng)過如下處理：
[0022] a.將所述鉻粉加入到鉻粉還原爐內(nèi)的氧化鋁坩堝中，至鉻粉上表面距離坩堝上邊 沿10~20mm，停止加料，關閉爐門，將爐內(nèi)環(huán)境真空度抽至6. 0 X 10 3Pa-7. 0 X 10 3Pa，充入 Iatm純度大于99. 9%的氫氣，所述氫氣依次經(jīng)硅膠、分子篩除水、105號催化劑除氧、分子 篩除水和高溫烘干處理，再將爐內(nèi)環(huán)境真空度抽至6. 0 X 10 3Pa-7. 0 X 10 3Pa ;
[0023] b.按180~200°C /h的升溫速率將爐內(nèi)環(huán)境溫度升至650°C~750°C，持續(xù)保持 環(huán)境真空度為6. 5X10 3Pa-7. 0X10 3Pa，在600°C~800°C下保溫1~2小時；
[0024] c.充入純度大于99. 9%的氫氣，所述氫氣依次經(jīng)硅膠、分子篩除水、105號催化劑 除氧、分子篩除水和高溫烘干處理，使爐內(nèi)環(huán)境氫氣氣壓為10~20Pa，再按100~150°C / h的升溫速率將爐內(nèi)環(huán)境溫度升至1150°C~1250°C，升溫結(jié)束后，保溫5~8小時，然后以 120~180°C /h的降溫速率降溫至室溫，即得氧含量低于300ppm的鉻粉，其中在所述升溫、 保溫和降溫的過程中，均持續(xù)通入氫氣，以保持爐內(nèi)環(huán)境氣壓為10~20Pa。
[0025] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（3)中采用帶鋁合金夾板的冷等靜壓機進行冷 等靜壓，溫度控制為20 °C。
[0026] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟（4)中的真空包套好包括將壓好的棒料放置入 銅套后，進行封死所述銅套并從所述銅套上引出脫氣管，所述抽真空步驟是通過所述脫氣 管完成的，所述銅套為焊接成型；壓好的棒料放置入銅套后還進行對夯實處理。
[0027] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟(6)中液壓機的擠壓頭的下降速度為5mm/s~ 10mm/s，比壓為200MPa~800Mpa ;在熱擠壓之前擠壓頭需要加熱至220~280°C，并在擠壓 頭上涂有涂料。
[0028] 本發(fā)明的有益效果：
[0029] 1.本發(fā)明的方法對比于現(xiàn)有模具壓制、燒結(jié)工藝可大批量穩(wěn)定化生產(chǎn)，且可批量 化生產(chǎn)出大規(guī)格銅鉻觸頭（由于規(guī)格增大后模壓工藝壓力大，對設備、模具要求高）；
[0030] 2.本發(fā)明生產(chǎn)出的觸頭組織致密、無氣孔等缺陷；
[0031] 3.本發(fā)明可批量生產(chǎn)高Cr含量粉末冶金觸頭（當Cr含量高時模壓對壓力、模具 要求增大，而此工藝在高溫下生產(chǎn)，無模具、壓力要求小）；
[0032] 4.本發(fā)明工藝過程簡單、加熱過程只有30-90min，相對模壓燒結(jié)工藝長達15-30 小時的燒結(jié)過程，時間、電能大大節(jié)約。
[0033] 附圖簡要說明
[0034] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法制得的高性能銅鉻CuCr25觸頭材料的金相組織圖；
[0035] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法制得的高性能銅鉻CuCr30觸頭材料的金相組織圖；
[0036] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法制得的高性能銅鉻CuCr50觸頭材料的金相組織圖.
【具體實施方式】
[0037] 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0038] 實施例1
[0039] -種高性能銅鉻CuCr25觸頭材料，它由以下重量百分比的成分組成：Cr為25% 左右，余量為Cu ;其原材料分別為50-300微米的Cr粉以及300微米以下的Cu粉。所述 鉻粉為電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉，所述銅粉為電解銅粉或霧化銅粉。所述鉻粉的純度為 99. 3% -99. 98%。
[0040] 所述的高性能銅鉻CuCr25觸頭材料的制備方法，包括以下步驟：
[0041] (1)原材料選擇
[0042] 選用50-300微米的電解鉻粉或鋁熱還原鉻粉以及300微米以下的電解銅粉或霧 化銅粉；
[0043] ⑵混粉
[0044] 按Cu粉：Cr粉約為7. 5 : 2. 5的重量配比，并按Cu粉和Cr粉的混合粉：銅球 =1 : 1的重量配比進行球磨混粉3-10小時；本步驟是為了保證混粉充分，同時也可消除 粉末之間的聚集，使得混合粉末具有良好的分散性。
[0045] (3)冷等靜壓
[0046] 將混好后的混合粉裝入橡膠套冷等靜壓為棒料，壓力為150_300Mpa，保壓時間為 3-20分鐘；冷等靜壓與常規(guī)的模壓相比，能夠獲得整體致密性一致的壓坯，模壓會使的壓 坯在厚度方向上的致密度的差異。