专利名称：一种铜铬合金铸坯的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种合金材料的铸造方法，尤其涉及一种用于电器触头的铜铬合金铸 坯的制备方法。
背景技术：
铜铬合金(如CuCr25)材料是电真空材料领域最具有代表性，应用最成功的触头 材料之一。大功率、高压、高可靠性和长寿命的电真空器件以及高低压配电成套装置的发 展，要求触头材料具有更好的物理理学性能和电性能。大量研究表明，适当的材料合金化能 够显著改善铜铬基触头材料的组织和性能，因而成为铜铬基触头材料发展的重要方向，尤 其是在我国生产装备条件还与发达国家尚有较大差距的情况下。研究表明，在铜铬触头材料中单独添加或者复合添加元素钨(W)、钴(Co)、铌(Nb) 和钽(Ta)，都会提高铜铬合金材料的机械强度和硬度，强化合金组织中的铬相，改善触头电 气耐压和开断性能。然而向铜铬触头材料中添加其他元素的组元，即第三组元时，所添加的 第三组元必须以均勻分散的方式分布于合金中，如果添加的元素组元分布得不均勻，就会 导致合金中铬依附团聚的添加元素长大，形成铬相的偏析，从而导致铜铬合金性能的下降。 为了使得添加的第三组元均勻分散，目前普遍采用粉末冶金法和熔渗法。粉末冶金法是按一定比例，将一定粒度的铜粉、铬粉和第三组元粉末在保护气氛 下充分混合、压制成形，并在保护气氛下烧结。粉末冶金法比较简单，合金成分易于控制，但 铬粒子之间的尺寸和间距过大，组织均勻性较低，且该方法制备的触头材料中氧和氮含量 过高，降低了触头的电流分断能力。熔渗法是将纯铬粉或者混有少量铜粉及第三组元粉末的铬粉压制并烧结制成熔 渗骨架，在真空条件下于温度120(TC左右将铜熔渗进入铬骨架，从而制成铜铬合金材料。该 技术的优点是可以在烧结铬骨架过程中进行氢气还原或真空碳热还原，使铬粉原料中的氧 大大减小，从而获得氧含量很低的优质产品。但是该方法的缺点是，在生产过程中易产生闭 孔等熔渗缺陷，并且在高温熔渗时铬在铜中溶解度较高，冷却后会形成过饱和固溶体，使之 电传导性能大大降低，此外熔渗法不能制取高含铜量的铜铬合金。总之，现有铜铬合金铸坯的每一种制备工艺及其操作技术都各自具有一定的难 度，并且制备所得材料的性能也有待于进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有用于电触头的铜铬合金的制备方法的不 足，提供一种铜铬合金铸坯的制备方法，其采用真空熔铸和水冷模冷却的方法制造铜铬合 金材料，以达到制备的合金材料组织致密、晶粒细小均勻、气体含量低、电导率高的目的。本发明解决上述问题的方案如下一种铜铬合金铸坯的制备方法，用于制造铜铬合金材料的毛坯，该铜铬合金材料 所含金属成分的重量比为铬25%，第三组元0. 5-3%，铜为余量，该第三组元为钨、钴、铌
3或钽中的任一种，其特征在于先将铜、铬和第三组元的金属按照预定重量比在真空感应炉 中熔化成合金液相，然后经过充氩、保压、搅拌、精炼，最后在水冷模中浇铸成铸坯。本发明所述铜铬合金铸坯的制备方法的工艺步骤如下(1)将铜、铬和第三组元的金属按照预定的成分重量比加入真空感应炉，然后真空 感应炉抽真空达到炉内真空度小于IX IiT1Pa,并加热炉内温度到1800-2000°c ；(2)待所有炉内金属完全熔化后，向真空感应炉中充入氩气并保持炉内压力为 10-50kPa ；(3)对炉内金属进行搅拌、精炼形成合金熔液，历时20分钟；(4)将精炼成的合金熔液注入水冷模以铸成铸坯，在浇铸过程中该水冷模的四周 始终通入循环冷却水，浇铸温度保持在1800-1900°C。与粉末冶金法和熔渗法相比较，本发明所述铜铬合金铸坯的制备方法应用真空熔 铸法制造铜铬合金材料，采用高真空和惰性气体氩保护熔炼和浇铸合金，使铜铬合金中的 气体含量得到了很好的控制，特别是大大降低了氧的含量，从而提高了材料的电传导性能 和电流分断能力，其电导率比普通的铜铬合金材料至少提高了 30%。此外，由于在铜铬合金 中添加了钨、钴、铌或钽等形核元素作为第三组元，因此有利于晶粒生长和细化，同时本发 明采用了水冷模对浇铸合金加速冷却，因此可以使合金熔液保持一定的凝固速度，不会出 现大范围的铬的偏析，从而使得高温时液态合金中各组元的均勻混合状态保持到冷却后的 固态，其中铬颗粒更加细小，分布更加均勻，金相组织测量表明，采用本发明制备的铜铬合 金材料中铬颗粒大小在6-15微米以下，以此制备的触头材料组织致密，性能得到了较大的 改善。
图1是本发明的工艺流程图。图2是粉末冶金法制备的铜铬合金材料的金相组织图。图3是熔渗法制备的铜铬合金材料的金相组织图。图4是本发明制备的铜铬合金材料的金相组织图。
具体实施例方式本发明所述的铜铬合金铸坯的制备方法用于制造铜铬合金材料的毛坯，该铜铬合 金材料应用于制造电器的触头，其合金成分以铜(Cu)、铬(Cr)为主，再加入第三种金属组 元，该铜铬合金材料所含金属成分的重量比为铬25%，第三组元0. 5-3%，铜为余量，该第 三组元为钨(W)、钴(Co)、铌(Nb)或钽(Ta)中的任一种。在铜铬基合金中添加钨、钴、铌或 钽等形核元素作为第三组元有利于晶粒的生长和细化，对该类合金一般记作CuCr25Me (Me =W、Nb、Ta 或 Co)。所述铜铬合金铸坯的制备方法采用真空熔铸法制造铜铬合金材料，先将铜、铬和 第三组元的金属按照预定重量比在真空感应炉中熔化成合金液相，然后经过充氩、保压、搅 拌、精炼，最后在水冷模中浇铸成铸坯。以下结合附图、实施例和实验结果对本发明作进一步的详细说明。实施例1——
依照如图1所示的本发明的工艺方法步骤制备铜铬合金铸坯(1)将铜、铬和作为第三组元的金属铌按照成分重量比铬25%，铌0.5%，铜 为余量进行配料，然后加入真空感应炉；之后真空感应炉抽真空达到炉内真空度小于 IX IO-1Pa,并且加热炉内温度到1850°C。(2)真空感应炉在加热升温过程中，炉内金属依据各组元的不同熔点逐步熔化，首 先熔化的是铜；待所有炉内金属完全熔化后，向真空感应炉中充入惰性气体氩气，并且保持 炉内压力为50kPa。(3)在充氩、保压的条件下，对炉内金属进行搅拌、精炼形成合金熔液，历时20分钟。(4)然后将精炼成的合金熔液注入水冷模以铸成铸坯，该水冷模是铸坯的成型模， 其模腔周边设置有冷却水循环通道；在合金熔液浇铸过程中该水冷模四周的冷却水通道中 始终通入循环冷却水，浇铸温度保持在1800°C。采用上述本发明的方法制备出的CuCr25Nb合金材料，经测试其物理及机械性能 见表1。表lCuCr25Nb合金材料的物理及机械性能 表10列出了国产CuCr50和美国西屋公司生产的CuCr25的材料性能。表10国产及进口铜铬合金材料的物理及机械性能 从表1和表10的对比可知，用本发明制备的铜铬材料的电导率比普通的CuCr25 材料提高了 30%以上，比CuCr50材料提高了近一倍；气体含量也比普通CuCr25材料低得 多，尤其是氧含量；从材料密度上看，本发明制备的材料致密性很好，这对提高材料使用性 能很重要。由图4所示金相组织图可看出，本发明制备的铜铬合金材料中铬颗粒不仅分布 均勻而且颗粒尺寸细小，远小于图2和图3金相组织图所示用粉末冶金法和熔渗法生产的 铜铬合金材料。实施例2——采用本发明所述的方法制备CuCr25Nb合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同
(1)按照成分重量比铬25%，铌3%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为30kPa。(3)浇铸温度保持在1800°C。采用上述方法制备出的CuCr25Nb合金材料，经测试其物理及机械性能见表2。表2CuCr25Nb合金材料的物理及机械性能 实施例3——采用本发明所述的方法制备CuCr25Nb合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，铌1%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 1900 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为lOkPa。(3)浇铸温度保持在1850°C。采用上述方法制备出的CuCr25Nb合金材料，经测试其物理及机械性能见表3。表3CuCr25Nb合金材料的物理及机械性能 实施例4——采用本发明所述的方法制备CuCr25W合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钨1%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为50kPa。(3)浇铸温度保持在1900°C。采用上述方法制备出的CuCr25W合金材料，经测试其物理及机械性能见表4。表4CuCr25W合金材料的物理及机械性能 实施例5——采用本发明所述的方法制备CuCr25W合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钨2%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为lOkPa。(3)浇铸温度保持在1900°C。采用上述方法制备出的CuCr25W合金材料，经测试其物理及机械性能见表5。表5CuCr25W合金材料的物理及机械性能 实施例6——采用本发明所述的方法制备CuCr25Co合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钴1%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为lOkPa。(3)浇铸温度保持在1900°C。采用上述方法制备出的CuCr25Co合金材料，经测试其物理及机械性能见表6。表6CuCr25Nb合金材料的物理及机械性能 实施例7——采用本发明所述的方法制备CuCr25Co合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钴3%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为50kPa。(3)浇铸温度保持在1900°C。采用上述方法制备出的CuCr25Co合金材料，经测试其物理及机械性能见表7。表7CuCr25Co合金材料的物理及机械性能 实施例8——采用本发明所述的方法制备CuCr25Ta合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钽1%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为lOkPa。(3)浇铸温度保持在1900°C。采用上述方法制备出的CuCr25Ta合金材料，经测试其物理及机械性能见表8。表8CuCr25Ta合金材料的物理及机械性能 实施例9——采用本发明所述的方法制备CuCr25Ta合金材料，其工艺方法步骤除下列内容外， 其余与实施例1基本相同(1)按照成分重量比铬25%，钽2%，铜为余量进行配料，炉内温度加热到 2000 "C。(2)真空感应炉中充入氩气后保持炉内压力为40kPa。(3)浇铸温度保持在1850°C。采用上述方法制备出的CuCr25Ta合金材料，经测试其物理及机械性能见表9。表9CuCr25Ta合金材料的物理及机械性能
8 上述实施例只是本发明应用的部分形式，本发明所要求的保护范围不仅限于此， 还包括其他对本发明所述内容显而易见的变换和替代。
权利要求
一种铜铬合金铸坯的制备方法，用于制造铜铬合金材料的毛坯，该铜铬合金材料所含金属成分的重量比为铬25％，第三组元0.5-3％，铜为余量，该第三组元为钨、钴、铌或钽中的任一种，其特征在于先将铜、铬和第三组元的金属按照预定重量比在真空感应炉中熔化成合金液相，然后经过充氩、保压、搅拌、精炼，最后在水冷模中浇铸成铸坯。
2.根据权利要求1所述的铜铬合金铸坯的制备方法，其特征在于所述方法的工艺步 骤如下(1)将铜、铬和第三组元的金属按照预定的成分重量比加入真空感应炉，然后真空感应 炉抽真空达到炉内真空度小于IX ICT1Pa,并加热炉内温度到1800-2000°C ；(2)待所有炉内金属完全熔化后，向真空感应炉中充入氩气并保持炉内压力为 10-50kPa ；(3)对炉内金属进行搅拌、精炼形成合金熔液，历时20分钟；(4)将精炼成的合金熔液注入水冷模以铸成铸坯，在浇铸过程中该水冷模的四周始终 通入循环冷却水，浇铸温度保持在1800-1900°C。
全文摘要
本发明公开了一种铜铬合金铸坯的制备方法，用于制造铜铬合金材料的毛坯，该铜铬合金材料所含金属成分的重量比为铬25％，第三组元0.5-3％，铜为余量，该第三组元为钨、钴、铌或钽中的任一种，该制备方法的工艺步骤为先将铜、铬和第三组元的金属按照预定重量比在真空感应炉中熔化成合金液相，炉内真空度小于1×10-1Pa，炉内温度1800-2000℃，然后经过充氩、保压10-50kPa、搅拌、精炼20分钟，最后在水冷模中浇铸成铸坯，浇铸温度保持在1800-1900℃。本发明采用真空熔铸法制造铜铬合金，使制备的合金材料具有组织致密、晶粒细小均匀、气体含量低、电导率高的优点，特别适用于各种电器触头材料的制造。
文档编号C22C9/00GK101886185SQ20101022476
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者刘子利, 刘平, 刘新宽 申请人:上海理工大学