高鉻銅合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅鉻合金材料，具體涉及一種稀土氧化物強(qiáng)化高鉻銅合金材料，以及該銅合金材料的制備方法，屬于金屬合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)真空開關(guān)的推廣應(yīng)用，現(xiàn)已進(jìn)入成熟期，真空開關(guān)管制成的真空開關(guān)設(shè)備已廣泛地應(yīng)用于能源、交通、冶金、航空航天、船舶、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]Cu-Cr合金是目前世界上公認(rèn)的可以滿足真空開關(guān)基本要求的最佳觸頭材料之一，是由美國(guó)西屋、英國(guó)電氣公司等將原有的耐高壓、高抗電弧燒蝕能力的銅鎢與具有高分?jǐn)嗄芰Φ你~祕(mì)結(jié)合起來，并經(jīng)過一系列工藝改進(jìn)而研制成的一種低電阻新型觸頭材料，其綜合了觸頭材料幾種關(guān)鍵的電性能，即耐電壓高、分?jǐn)嗳萘看?、很?qiáng)的吸氣能力、良好的抗電弧熔蝕性以及優(yōu)良的的載流能力等，但是Cu-Cr觸頭的抗熔焊性有待進(jìn)一步提高。
[0004]近年來，國(guó)內(nèi)外業(yè)界均在致力于開發(fā)新的Cu-Cr合金觸頭材料及其制備技術(shù)。目前制備Cu-Cr合金的方法主要有混粉燒結(jié)和真空自耗電極法，但混粉燒結(jié)法制備的Cu-Cr質(zhì)量并不理想，且生產(chǎn)效率低，而用真空自耗電極法制備Cu-Cr雖然性能優(yōu)異，但工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)且成本高。
[0005]真空感應(yīng)熔煉工藝被認(rèn)為是一種低成本，適于大批量生產(chǎn)的方法。該方法制備工藝簡(jiǎn)單，且制備的Cu-Cr合金觸頭材料含氣量低、致密度高，電導(dǎo)率與其他方法制備的相比亦有所提高。如公開號(hào)CN101225486A的發(fā)明專利公開的一種銅基原位復(fù)合材料，含有質(zhì)量百分比6?16%的鉻，0.02?0.2%的鋯，其余為銅。其制備步驟包括:1)取鉻、鋯、銅在真空中頻感應(yīng)爐中熔煉，熔鑄成Cu-Cr-Zr三元合金鑄錠；2)鑄錠在900?950°C下熱鍛，再進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為950?1000°C，固溶時(shí)間為I?2h，得到固溶處理物料；3)在室溫下對(duì)固溶處理物料進(jìn)行多道次冷拉拔，最終拉拔應(yīng)變量為6?7，拉拔過程中進(jìn)行中間熱處理。該專利制備的銅基原位復(fù)合材料兼顧高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性，其抗拉強(qiáng)度為850?1300MPa，電導(dǎo)率為70?80% IACS，軟化溫度為500?550°C，但是真空熔煉時(shí)鉻熔點(diǎn)高，熔化后合金熔液粘性大，不易排渣和扒渣，造成合金澆注困難，極大地限制了該方法的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種性能優(yōu)異、成本低的高鉻銅合金材料。
[0007]同時(shí)，本發(fā)明還提供一種高鉻銅合金材料的制備方法，其工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本低。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]高鉻銅合金材料，由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成:Cr 20?50%，CeO20.1?1.0%，余3；為Cu及不可避免的雜質(zhì)。
[0010]上述合金材料中加入Cr組分主要是為保證真空開關(guān)具有良好的耐電壓、抗燒損、抗熔焊和低截流特性。當(dāng)Cr含量在20?75%范圍變化時(shí)無論是單一陰極材料的電弧燒蝕速率還是總電弧燒蝕速率均基本不變，合金的平均截?cái)嚯娏饕才c合金中Cr含量無關(guān)。但無論是觸頭的本體電阻還是表面接觸電阻均隨合金中Cr含量的增加而上升。因此，合金中過高的Cr含量既無必要，亦不合理，以20?50% wt為宜。稀土氧化物CeOj^加入主要是為了起到細(xì)化銅基體晶粒和彌散強(qiáng)化統(tǒng)銅基體的作用，以提高熱穩(wěn)定性和耐電蝕性，其加入量應(yīng)控制在0.1?1.0% wt效果最佳。CeO2的粒度0.5?2μπι，純度彡99.5%wt。CeO2是一種較穩(wěn)定狀態(tài)，不與Cu、Cr發(fā)生反應(yīng)。
[0011]高鉻銅合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)合金的熔煉:取各組分，先將Cu熔化，升溫至1300?1350°C，加入Cr，保溫，再加入CeO2，澆鑄得鑄錠；
[0013]2)鑄錠依次經(jīng)熱加工、固溶、變形、時(shí)效處理，即得。
[0014]步驟I)中Cu可取標(biāo)準(zhǔn)陰極銅Cu-CATH-2，純度彡99.95% wt。
[0015]步驟I)中熔煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，采用傳統(tǒng)大氣熔煉和復(fù)合覆蓋劑保護(hù)的方式。Cu熔化后，先用復(fù)合覆蓋劑覆蓋，再升溫至1300?1350°C，加入脫氧劑脫氧，精煉，再加入Cr。所述復(fù)合覆蓋劑由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成:脫水硼砂60?70%，煅燒木炭顆粒30?40%，粒度-20目。脫氧、精煉為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，脫氧劑可采用磷銅合金，如Cu-0.006% wt P，加入量不超過 Cu、Cr、CeO2S質(zhì)量的 0.02% wt。
[0016]步驟I)中加入CeO2前，先采用薄普通純銅板(如0.5mm厚的銅板)或細(xì)普通純銅管(如直徑5mm的普通純銅管)包覆CeO2粉末，保證CeO 2顆粒不上浮，類似煉鋼時(shí)添加合金元素的鐘罩壓入法。
[0017]步驟2)中合金的熱加工是指對(duì)合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓、熱乳或熱鍛加工，以消除分散縮孔、疏松、枝晶偏析等鑄造缺陷，細(xì)化晶粒，提高合金的致密度，改善組織和成分均勻性。本發(fā)明中熱加工的溫度為925?975°C，保溫時(shí)間為I?4h。
[0018]步驟2)中固溶即固溶處理，適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行固溶處理是合金獲得良好性能的關(guān)鍵工藝。提高固溶溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，雖然可使合金元素在Cu基體中固溶度增加，強(qiáng)度提高，但固溶溫度過高，保溫時(shí)間過長(zhǎng)，將造成合金晶粒粗化，反而降低合金的強(qiáng)度和塑性，造成后續(xù)的冷變形或使用過程中產(chǎn)生裂紋。若固溶溫度過低，則合金元素在合金中的固溶量過少，且成分均勻性差，在隨后的時(shí)效過程中還容易產(chǎn)生不連續(xù)的脫溶，從而大大降低合金的時(shí)效強(qiáng)化效果。選擇固溶溫度以合金不產(chǎn)生晶粒粗大為前提。為了獲得較好的析出強(qiáng)化效果，同時(shí)可以進(jìn)一步消除合金內(nèi)偏析，必須選擇適當(dāng)?shù)墓倘軠囟取１景l(fā)明中Cu-Cr-CeO2^金最佳的固溶處理溫度范圍為950?1000°C，保溫時(shí)間為60?120min。固溶處理可在井式電阻爐或箱式電阻爐上進(jìn)行。
[0019]步驟2)中變形為冷加工變形，由于冷加工在顯著提高材料強(qiáng)度的同時(shí)使材料的導(dǎo)電率大大降低，所以一般冷加工強(qiáng)化方法很少單獨(dú)使用，通常是作為時(shí)效強(qiáng)化的輔助促進(jìn)手段。將經(jīng)固溶處理的合金，進(jìn)行不同變形量的冷變形(冷擠壓或冷乳)，經(jīng)冷變形后合金中位錯(cuò)等晶體缺陷密度大大提高，可以顯著促進(jìn)時(shí)效初期第二相析出，有利于時(shí)效過程的進(jìn)行。
[0020]時(shí)效處理一般是采用低固溶度的合金元素溶入銅基體中，通過高溫固溶處理，合金元素在銅中形成過飽和固溶體，造成銅晶格嚴(yán)重畸變，而使強(qiáng)度提高，導(dǎo)電率降低。經(jīng)時(shí)效處理后，大部分的合金元素又從固溶體中析出，形成彌散分布的沉淀相，從而又使合金的導(dǎo)電率迅速恢復(fù)，而這些彌散相有效地阻止了晶界和位錯(cuò)的滑動(dòng)，因而使銅合金仍保持較高的強(qiáng)度。經(jīng)典電子理論指出，固溶在銅基體中的原子引起的點(diǎn)陣畸變對(duì)電子的散射作用比第二相引起的散射作用強(qiáng)得多，因而時(shí)效強(qiáng)化是制備高強(qiáng)度高導(dǎo)銅合金中應(yīng)用最為廣泛的方法。產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化的合金元素應(yīng)具有以下兩個(gè)條件:一是高溫和低溫時(shí)在銅中的固溶度相差較大，可以產(chǎn)生足夠的彌散相；二是室溫時(shí)在銅中的固溶度極小，以保持銅基體高的導(dǎo)電性能。這些合金元素一般有Cr、Zr、Be、Fe、Nb等。在經(jīng)過時(shí)效以后，導(dǎo)電率可以恢復(fù)到一個(gè)較高水平。
[0021]針對(duì)Cu-Cr-CeO2合金，本發(fā)明采用的冷變形量為40?80%，時(shí)效處理的溫度為400?520 °C，保溫時(shí)間為0.5?6h0
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]本發(fā)明中高鉻銅合金材料具有高強(qiáng)度和高電導(dǎo)率，同時(shí)還具有較高的抗熔焊性能和耐電弧腐蝕性能，其性能指標(biāo)為:硬度HV155?175，導(dǎo)電率30?65% IACS，軟化溫度550?575°C，含氧量450?550ppm，40V和40A直流負(fù)載實(shí)驗(yàn)條件下熔焊力彡1.7X10 2MPa,單位面積接觸電阻< 38.2 Ω/m2，能夠滿足真空開關(guān)行業(yè)對(duì)觸頭材料高強(qiáng)抗熔焊及耐電蝕性能的要求。
[0024]本發(fā)明中高鉻銅合金材料可以直接經(jīng)熔煉制備高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、高抗軟化的真空觸頭材料，其制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，可省去惰性氣氛保護(hù)，同時(shí)解決攪拌、扒渣、澆鑄困難等問題，大大降低生產(chǎn)成本。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下述實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。
[0026]實(shí)施例1
[0027]本實(shí)施例中高鉻銅合金材料，由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成:Cr 20 %，CeO21.0 %，余莖為Cu及不可避免的雜質(zhì)。
[0028]高鉻銅合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0029]I)合金的熔煉
[0030]采用傳統(tǒng)大氣熔煉方式，在ZG-0.2型200kg真空中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉而成；
[0031]取各組分，先將標(biāo)準(zhǔn)陰極銅Cu-CATH-2 (純度彡