銅基合金電真空觸頭材料及其製備方法

2023-04-25 06:05:21

專利名稱：銅基合金電真空觸頭材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種銅基合金電真空材料及其製備方法，用於真空斷路器、負荷開關、接觸器等電真空器件的觸頭材料，屬於合金導電材料。
在電工領域，銅基合金基本的用途是作為導電材料，包括電極材料和觸頭材料等。名稱為銅基合金電極材料的發明專利申請公開說明書(公開號CN1231343A，
公開日1999年10月13日)，披露了一種成分為(重量％)Y0.1～1.0、Cr0.1～2.0、餘量Cu的電極材料，採用粉末冶金方法製備的這種材料具有導電導熱好等特點，用做電阻焊電極材料或電子工業引線框架材料，但不能用做電真空觸頭材料。對於電真空觸頭材料領域，隨著通訊、電力、機械、化工、冶金、交通、礦山等行業對輸配電系統控制和保護的要求越來越高，影響系統性能的電真空器件和高低壓配電成套裝置的可靠性和壽命，取決於有關真空斷路器、負荷開關、接觸器等電真空觸頭材料的先進性和經濟性。CuCr25、CuCr50材料是電真空材料領域最具有代表性，應用最成功的觸頭材料。大功率、高壓、高可靠和長壽命電真空器件和高低壓配電成套裝置的發展，要求觸頭材料具有更好的物理力學性能和電性能。目前，國內外在改進CuCr50電真空觸頭材料綜合性能方面的主要途徑為(1)在CuCr合金中添加金屬碳化物、金屬氧化物和低熔點金屬化合物，如CuCrMoC、CuCrBi2O3、CuCrBi2O3、CuCrAl2O3、CuCrAgSe等；(2)通過熱處理控制觸頭合金的顯微組織，如晶粒細化和球化，來改善觸頭材料的性能；(3)開發新的合金系列，如CuBi、CuCo、CuW、CuWTe系合金；(4)CuCr25、CuCr50合金一般採用熔滲法、混粉燒結法、電弧熔煉法等工藝技術生產，鉻的某些特性以及鉻與銅之間的相互作用對其製取工藝的影響相當大，如鉻以氧、氮、硫等間隙元素的高親和力使得製取氣體含量低的合金變得困難。鉻的氧化膜對燒結緻密化和熔滲完全性的不良影響；鉻在熔融中較高的溶解度對熔滲坯塊的侵蝕作用等。因此，每一種工藝技術及其操作部有一定的困難，材料性能和生產成本有待於進一步改善。
本發明的目的在於在現有技術的基礎上提供一種力學性能電性能更好的銅基合金電真空觸頭材料。
本發明的另一個目的是提供上述銅基合金電真空觸頭材料的製備方法。
通過添加稀土元素，在CuCr合金中起到脫氧、脫硫，除去鉛、鐵、鉍、銻等雜質元素的淨化作用，此外，熔於銅中的稀土元素，可與其他元素如氧、氮等反應生成高熔點化合物或氧化物(如稀土氧化物熔點＞2000℃)，具有微合金化和變質作用，最終達到改善CuCr25、CuCr50合金的物理力學性能和電性能。
本發明所述的銅基合金電真空觸頭材料的成份以重量百分比計為Cr25-50，選自含量為0.1～5.0的Sm、Y兩元素中的一種元素，餘量為Cu。
本發明所述銅基合金電真空觸頭材料的製備方法，依序包括下列工藝步驟(1)將按比例配製好的銅、釤元素或銅、釔元素置於真空熔煉爐內熔煉，得到CuSm、CuY液態合金，(2)將(1)步得到的液態合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105～106K/s，採用壓力為1.0～2.0Mpa的惰性氣體為霧化介質，冷卻介質為水，(3)按照合金成分比例，將(2)步所得CuSm或CuY合金粉末與鉻粉混合，置於球磨機中研磨40～50小時，(4)將(3)步得到的CuSmCr或CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度100～500℃，真空度1×10-3Mpa，(5)在900～1000℃溫度範圍內，氫氣氛下燒結(4)步得到的坯錠，冷卻後得到CuSmCr或CuYCr合金材料。
發明所使用的銅、釤、釔、鉻元素的純度為99.99％，霧化介質為氮氣，氬氣或氦氣等惰性氣體，冷卻介質為普通水。
本發明的CuSmCr25、CuYCr25、CuSmCr50、CuYCu50材料，通過添加稀土元素釤、釔和採用快速凝固技術、機械合金化和真空溫壓等組合技術，從微觀上和宏觀上實現了CuCr25、CuCr50合金組織的均勻化和微細化，從而改善了材料的成型性、壓坯密度和強度，降低了燒結溫度，改善了產品的加工性能。最終，提高了材料的力學性能和電學性能。本發明的銅基合金電真空觸頭材料經後續機械加工後可得到片材製成品。
實施例1.將佔銅釤二元素重量0.25％的純度99.99％的釤與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuSm合金，再將該CuSm合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105K/s，霧化介質為氮氣，壓力為1.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuSm合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量50％∶50％混合，置於高能球磨機中研磨40小時，所得CuSmCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度100℃，真空度1×10-3Mpa，在900℃氫氣下燒結得到CuSm0.125Cr50合金坯錠材料。
實施例2.將佔銅釤二元素重量1.6％的純度99.99％的釤與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuSm合金，再將該CuSm合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為106K/s，霧化介質為氬氣，壓力為1.5MPa，冷卻介質為水，將得到的CuSm合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量50％∶50％混合，置於高能球磨機中研磨45小時，所得CuSmCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度200℃，真空度1×10-3Mpa，在940℃氫氣下燒結得到CuSm0.8Cr50合金坯錠材料。
實施例3將佔銅釤二元素重量4.0％的純度99.99％的釤與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuSm合金，再將該CuSm臺金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為106K/s，霧化介質為氮氣，壓力為2.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuSm合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量25％∶75％混合，置於高能球磨機中研磨50小時，所得CuSmCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度300℃，真空度1×10-3Mpa，在950℃氫氣下燒結得到CuSm1.0Cr25合金坯錠材料。
實施例4.將佔銅釤二元素重量19.2％的純度99.99％的釤與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuSm合金，再將該CuSm合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為106K/s，霧化介質為氦氣，壓力為1.8MPa，冷卻介質為水，將得到的CuSm合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量25％∶75％混合，置於高能球磨機中研磨50小時，所得CuSmCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度480℃，真空度1×10-3Mpa，在1000℃氫氣下燒結得到CuSm4.8Cr25合金坯錠材料。
實施例5.將佔銅釔二元素重量0.4％的純度99.99％的釔與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuY合金，再將該CuY合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105K/s，霧化介質為氮氣，壓力為1.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuY合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量50％∶50％混合，置於高能球磨機中研磨40小時，所得CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度150℃，真空度1×10-3Mpa，在920℃氫氣下燒結得到CuY0.2Cr50合金坯錠材料。
實施例6.將佔銅釔二元素重量1.6％的純度99.99％的釔與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuY合金，再將該CuY合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為106K/s，霧化介質為氮氣，壓力為1.5MPa，冷卻介質為水，將得到的CuY合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量50％∶50％混合，置於高能球磨機中研磨46小時，所得CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度300℃，真空度1×10-3Mpa，在960℃氫氣下燒結得到CuY0.8Cr50合金坯錠材料。
實施例7.將佔銅釔二元素重量4.0％的純度99.99％的釔與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuY合金，再將該CuY合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105K/s，霧化介質為氬氣，壓力為2.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuY合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量25％∶75％混合，置於高能球磨機中研磨50小時，所得CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度350℃，真空度1×10-3Mpa，在980℃氫氣下燒結得到CuY1.0Cr25合金坯錠材料。
實施例8.將佔銅釔二元素重量10％的純度99.99％的釔與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuY合金，再將該CuY合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105K/s，霧化介質為氮氣，壓力為2.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuY合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量50％∶50％混合，置於高能球磨機中研磨40小時，所得CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度400℃，真空度1×10-3Mpa，在1000℃氫氣下燒結得到CuY5.0Cr50合金坯錠材料。
實施例9.將佔銅釔二元素重量14％的純度99.99％的釔與純度99.99％的銅混合，放於真空中頻熔煉爐內熔煉，得到液態CuY合金，再將該CuY合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以冷卻，冷卻速率為105K/s，霧化介質為氮氣，壓力為2.0MPa，冷卻介質為水，將得到的CuY合金粉末與純度99.99％的鉻粉按重量25％∶75％混合，置於高能球磨機中研磨50小時，所得CuYCr合金粉末真空熱壓成坯錠，熱壓溫度500℃，真空度1×10-3Mpa，在980℃氫氣下燒結得到CuY3.5Cr25合金坯錠材料。
表1本是本發明銅基合金電真空觸頭材料與國內外同類材料的性能比較。比較結果表明，CuSmCr25，CuYCr25，CuSmCr50，CuYCr50系電真空觸頭材料的物理力學性能，已經達到或超過國內外現行CuCr25和CuCr50水平。可用作通訊、電力、機械、化工、冶金、交通、礦山等輸配電系統控制和保護器中的真空斷路器、負荷開關、接觸器等電真空觸頭材料，以滿足大功率、高壓、高可靠和長壽命電真空器件和高低壓配電成套裝置的發展要求。
權利要求
1.一種銅基合金電真空觸頭材料，其特徵在於其材料成份以重量百分比計為Cr25-50，選自含量為0.1-5.0的Sm、Y兩元素中的一種元素，餘量為Cu。
2.根據權利要求1所述銅基合金電真空觸頭材料的製備方法，依序包括下列工藝步驟(1)將按比例配製好的銅、釤元素或銅、釔元素置於熔煉爐內熔煉，得到CuSm、CuY液態合金，(2)將(1)步得到的液態合金霧化成粉末，霧化的同時對粉末加以快速冷卻，冷卻的速率為105～106K/s，霧化採用的介質為惰性氣體，其壓力為1.0～2.0MPa，冷卻採用的介質為水，(3)按照合金成分比例，將(2)步所得CuSm或CuY合金粉末與鉻粉混合，置於球磨機中研磨40～50小時，(4)將(3)步得到的CuSmCr或CuYCr合金粉末於100～500℃下真空熱壓成坯錠，(5)在900～1000℃溫度範圍內，氫氣氛下燒結(4)步得到的坯錠，冷卻後得到CuSmCr或CuYCr合金材料坯錠。
全文摘要
本發明是一種銅基合金電真空觸頭材料及其製備方法,該合金材料的成分以重量百分比計為:Cr25－50,含量為0.1－5.0的Sm、Y兩元素中的一種,餘量為Cu。其製備方法為:將Cu、Sm或Cu、Y元素按合金成份要求配製好後,真空熔煉,再通過快速凝固霧化製備CuSm、CuY合金粉末,再將粉末與Cr粉末混合通過機械合金化製備成相應複合粉末,真空熱壓成型,燒結為片材。該合金具有比現行CuCr25和CuCr50合金較高的物理力學性能和電性能,可用作真空斷路器等電真空觸頭材料。
文檔編號C22C9/00GK1358872SQ00136818
公開日2002年7月17日 申請日期2000年12月20日 優先權日2000年12月20日
發明者謝明, 李賢勇, 施安, 劉建良, 陳力, 陳江, 鄭福前, 鄧忠明 申請人:昆明貴金屬研究所