CN105154709B - 高铬铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铬铜合金材料及其制备方法，属于金属合金材料技术领域。高铬铜合金材料由以下质量百分数的组分组成：Cr 20～50％，CeO20.1～1.0％，余量为Cu及不可避免的杂质。本发明中高铬铜合金材料具有高强度和高电导率，同时还具有较高的抗熔焊性能和耐电弧腐蚀性能，其性能指标为：硬度HV155～175，导电率30～65％IACS，软化温度550～575℃，含氧量450～550ppm，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤1.7×10‑2MPa，单位面积接触电阻≤38.2Ω/m2，能够满足真空开关行业对触头材料高强抗熔焊及耐电蚀性能的要求，且制备工艺简单，生产效率高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜铬合金材料，具体涉及一种稀土氧化物强化高铬铜合金材料，以及该铜合金材料的制备方法，属于金属合金材料技术领域。
背景技术
我国真空开关的推广应用，现已进入成熟期，真空开关管制成的真空开关设备已广泛地应用于能源、交通、冶金、航空航天、船舶、建筑等各个领域。
Cu-Cr合金是目前世界上公认的可以满足真空开关基本要求的最佳触头材料之一，是由美国西屋、英国电气公司等将原有的耐高压、高抗电弧烧蚀能力的铜钨与具有高分断能力的铜铋结合起来，并经过一系列工艺改进而研制成的一种低电阻新型触头材料，其综合了触头材料几种关键的电性能，即耐电压高、分断容量大、很强的吸气能力、良好的抗电弧熔蚀性以及优良的的载流能力等，但是Cu-Cr触头的抗熔焊性有待进一步提高。
近年来，国内外业界均在致力于开发新的Cu-Cr合金触头材料及其制备技术。目前制备Cu-Cr合金的方法主要有混粉烧结和真空自耗电极法，但混粉烧结法制备的Cu-Cr质量并不理想，且生产效率低，而用真空自耗电极法制备Cu-Cr虽然性能优异，但工艺复杂，周期长且成本高。
真空感应熔炼工艺被认为是一种低成本，适于大批量生产的方法。该方法制备工艺简单，且制备的Cu-Cr合金触头材料含气量低、致密度高，电导率与其他方法制备的相比亦有所提高。如公开号CN101225486A的发明专利公开的一种铜基原位复合材料，含有质量百分比6～16％的铬，0.02～0.2％的锆，其余为铜。其制备步骤包括：1)取铬、锆、铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Cu-Cr-Zr三元合金铸锭；2)铸锭在900～950℃下热锻，再进行固溶处理，固溶温度为950～1000℃，固溶时间为1～2h，得到固溶处理物料；3)在室温下对固溶处理物料进行多道次冷拉拔，最终拉拔应变量为6～7，拉拔过程中进行中间热处理。该专利制备的铜基原位复合材料兼顾高强度和高导电性，其抗拉强度为850～1300MPa，电导率为70～80％IACS，软化温度为500～550℃，但是真空熔炼时铬熔点高，熔化后合金熔液粘性大，不易排渣和扒渣，造成合金浇注困难，极大地限制了该方法的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种性能优异、成本低的高铬铜合金材料。
同时，本发明还提供一种高铬铜合金材料的制备方法，其工艺简单，生产效率高，成本低。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
高铬铜合金材料，由以下质量百分数的组分组成：Cr 20～50％，CeO20.1～1.0％，余量为Cu及不可避免的杂质。
上述合金材料中加入Cr组分主要是为保证真空开关具有良好的耐电压、抗烧损、抗熔焊和低截流特性。当Cr含量在20～75％范围变化时无论是单一阴极材料的电弧烧蚀速率还是总电弧烧蚀速率均基本不变，合金的平均截断电流也与合金中Cr含量无关。但无论是触头的本体电阻还是表面接触电阻均随合金中Cr含量的增加而上升。因此，合金中过高的Cr含量既无必要，亦不合理，以20～50％wt为宜。稀土氧化物CeO2的加入主要是为了起到细化铜基体晶粒和弥散强化统铜基体的作用，以提高热稳定性和耐电蚀性，其加入量应控制在0.1～1.0％wt效果最佳。CeO2的粒度0.5～2μm，纯度≥99.5％wt。CeO2是一种较稳定状态，不与Cu、Cr发生反应。
高铬铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)合金的熔炼：取各组分，先将Cu熔化，升温至1300～1350℃，加入Cr，保温，再加入CeO2，浇铸得铸锭；
2)铸锭依次经热加工、固溶、变形、时效处理，即得。
步骤1)中Cu可取标准阴极铜Cu-CATH-2，纯度≥99.95％wt。
步骤1)中熔炼在中频感应炉中进行，采用传统大气熔炼和复合覆盖剂保护的方式。Cu熔化后，先用复合覆盖剂覆盖，再升温至1300～1350℃，加入脱氧剂脱氧，精炼，再加入Cr。所述复合覆盖剂由以下质量百分数的组分组成：脱水硼砂60～70％，煅烧木炭颗粒30～40％，粒度-20目。脱氧、精炼为本领域常规技术，脱氧剂可采用磷铜合金，如Cu-0.006％wt P，加入量不超过Cu、Cr、CeO2总质量的0.02％wt。
步骤1)中加入CeO2前，先采用薄普通纯铜板(如0.5mm厚的铜板)或细普通纯铜管(如直径5mm的普通纯铜管)包覆CeO2粉末，保证CeO2颗粒不上浮，类似炼钢时添加合金元素的钟罩压入法。
步骤2)中合金的热加工是指对合金铸锭进行热挤压、热轧或热锻加工，以消除分散缩孔、疏松、枝晶偏析等铸造缺陷，细化晶粒，提高合金的致密度，改善组织和成分均匀性。本发明中热加工的温度为925～975℃，保温时间为1～4h。
步骤2)中固溶即固溶处理，适当的温度进行固溶处理是合金获得良好性能的关键工艺。提高固溶温度，延长保温时间，虽然可使合金元素在Cu基体中固溶度增加，强度提高，但固溶温度过高，保温时间过长，将造成合金晶粒粗化，反而降低合金的强度和塑性，造成后续的冷变形或使用过程中产生裂纹。若固溶温度过低，则合金元素在合金中的固溶量过少，且成分均匀性差，在随后的时效过程中还容易产生不连续的脱溶，从而大大降低合金的时效强化效果。选择固溶温度以合金不产生晶粒粗大为前提。为了获得较好的析出强化效果，同时可以进一步消除合金内偏析，必须选择适当的固溶温度。本发明中Cu-Cr-CeO2合金最佳的固溶处理温度范围为950～1000℃，保温时间为60～120min。固溶处理可在井式电阻炉或箱式电阻炉上进行。
步骤2)中变形为冷加工变形，由于冷加工在显著提高材料强度的同时使材料的导电率大大降低，所以一般冷加工强化方法很少单独使用，通常是作为时效强化的辅助促进手段。将经固溶处理的合金，进行不同变形量的冷变形(冷挤压或冷轧)，经冷变形后合金中位错等晶体缺陷密度大大提高，可以显著促进时效初期第二相析出，有利于时效过程的进行。
时效处理一般是采用低固溶度的合金元素溶入铜基体中，通过高温固溶处理，合金元素在铜中形成过饱和固溶体，造成铜晶格严重畸变，而使强度提高，导电率降低。经时效处理后，大部分的合金元素又从固溶体中析出，形成弥散分布的沉淀相，从而又使合金的导电率迅速恢复，而这些弥散相有效地阻止了晶界和位错的滑动，因而使铜合金仍保持较高的强度。经典电子理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比第二相引起的散射作用强得多，因而时效强化是制备高强度高导铜合金中应用最为广泛的方法。产生时效强化的合金元素应具有以下两个条件：一是高温和低温时在铜中的固溶度相差较大，可以产生足够的弥散相；二是室温时在铜中的固溶度极小，以保持铜基体高的导电性能。这些合金元素一般有Cr、Zr、Be、Fe、Nb等。在经过时效以后，导电率可以恢复到一个较高水平。
针对Cu-Cr-CeO2合金，本发明采用的冷变形量为40～80％，时效处理的温度为400～520℃，保温时间为0.5～6h。
本发明的有益效果：
本发明中高铬铜合金材料具有高强度和高电导率，同时还具有较高的抗熔焊性能和耐电弧腐蚀性能，其性能指标为：硬度HV155～175，导电率30～65％IACS，软化温度550～575℃，含氧量450～550ppm，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤1.7×10-2MPa，单位面积接触电阻≤38.2Ω/m2，能够满足真空开关行业对触头材料高强抗熔焊及耐电蚀性能的要求。
本发明中高铬铜合金材料可以直接经熔炼制备高导电、高强度、高抗软化的真空触头材料，其制备工艺简单，生产效率高，可省去惰性气氛保护，同时解决搅拌、扒渣、浇铸困难等问题，大大降低生产成本。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
本实施例中高铬铜合金材料，由以下质量百分数的组分组成：Cr 20％，CeO21.0％，余量为Cu及不可避免的杂质。
高铬铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)合金的熔炼
采用传统大气熔炼方式，在ZG-0.2型200kg真空中频感应熔炼炉中熔炼而成；
取各组分，先将标准阴极铜Cu-CATH-2(纯度≥99.95％wt)熔化后，用复合覆盖剂覆盖(复合覆盖剂配比：脱水硼砂60％wt，煅烧木炭颗粒40％wt，粒度-20目)，升温至1300℃，加入0.02％wt的磷铜(Cu-0.006％wt P)脱氧，而后精炼10分钟后加入Cr块，保温20分钟，压入0.5mm厚标准阴极铜板包覆的CeO2粉末(粒度0.5～2μm，纯度≥99.5％wt)，搅拌后扒渣浇注入Q235钢制金属模具(金属模具为常规磨具，表面经甲苯处理便于脱模)，冷却至室温，得到直径300mm的圆柱状锭坯；
2)合金的热加工
熔铸后的合金铸锭经切除冒口、去皮后在RJX45-13箱式电阻炉里进行950℃×2.5h均匀化退火处理，然后在1500吨挤压机进行热挤压，挤压筒温度加热至400℃，挤压比为5，得到直径132mm的棒材；
3)合金的固溶处理
将棒材装入热处理炉中，在950℃下保温120min，使合金元素充分溶入铜基体中，然后进行水冷固溶处理(即水淬)；
4)合金的冷变形
将固溶处理后的合金置于挤压机上，进行80％的冷挤压变形处理；
5)合金的时效处理
将经80％变形的合金在520℃保温0.5h，出炉空冷至室温。
经检测，本实施例中高铬铜合金材料的性能为：硬度HV155，导电率45％IACS，软化温度575℃，含氧量500ppm，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤1.5×10-2MPa，单位面积接触电阻≤14.7Ω/m2。
实施例2
本实施例中高铬铜合金材料，由以下质量百分数的组分组成：Cr 35％，CeO20.5％，余量为Cu及不可避免的杂质。
高铬铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)合金的熔炼
采用传统大气熔炼方式，在ZG-0.2型200kg真空中频感应熔炼炉中熔炼而成；
取各组分，先将标准阴极铜Cu-CATH-2(纯度≥99.95％wt)熔化后，用复合覆盖剂覆盖(复合覆盖剂配比：脱水硼砂65％wt，煅烧木炭颗粒35％wt，粒度-20目)，升温至1300℃，加入0.02％wt的磷铜(Cu-0.006％wt P)脱氧，而后精炼10分钟后加入Cr块，保温20分钟，压入0.5mm厚标准阴极铜板包覆的CeO2粉末(粒度0.5～2μm，纯度≥99.5％wt)，搅拌后扒渣浇注入Q235钢制金属模具(同实施例1)，冷却至室温，得到直径300mm的圆柱状锭坯；
2)合金的热加工
熔铸后的合金铸锭经切除冒口、去皮后在RJX45-13箱式电阻炉里进行975℃×1h均匀化退火处理，然后在1500吨挤压机进行热挤压，挤压筒温度加热至400℃，挤压比为8，得到直径105mm的棒材；
3)合金的固溶处理
将棒材装入热处理炉中，在1000℃下保温60min，使合金元素充分溶入铜基体中，然后进行水冷固溶处理；
4)合金的冷变形
将固溶处理后的合金置于挤压机上，进行60％的冷挤压变形处理；
5)合金的时效处理
将经60％变形的合金在480℃保温3h，出炉空冷至室温。
经检测，本实施例中高铬铜合金材料的性能为：硬度HV161，导电率42％IACS，软化温度560℃，含氧量450ppm，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤1.2×10-2MPa，单位面积接触电阻≤21.4Ω/m2。
实施例3
本实施例中高铬铜合金材料，由以下质量百分数的组分组成：Cr 50％，CeO20.05％，余量为Cu及不可避免的杂质。
高铬铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)合金的熔炼
采用传统大气熔炼方式，在ZG-0.2型200kg真空中频感应熔炼炉中熔炼而成；
取各组分，先将标准阴极铜Cu-CATH-2(纯度≥99.95％wt)熔化后，用复合覆盖剂覆盖(复合覆盖剂配比：脱水硼砂70％wt，煅烧木炭颗粒30％wt，粒度-20目)，升温至1300℃，加入0.015％wt的磷铜(Cu-0.006％wt P)脱氧，而后精炼10分钟后加入Cr块，保温20分钟，压入0.5mm厚标准阴极铜板包覆的CeO2粉末(粒度0.5～2μm，纯度≥99.5％wt)，搅拌后扒渣浇注入Q235钢制金属模具(同实施例1)，冷却至室温，得到直径300mm的圆柱状锭坯；
2)合金的热加工
熔铸后的合金铸锭经切除冒口、去皮后在RJX45-13箱式电阻炉里进行925℃×4h均匀化退火处理，然后在1500吨挤压机进行热挤压，挤压筒温度加热至400℃，挤压比为4.5，得到直径140.5mm的棒材；
3)合金的固溶处理
将棒材装入热处理炉中，在980℃下保温90min，使合金元素充分溶入铜基体中，然后进行水冷固溶处理；
4)合金的冷变形
将固溶处理后的合金置于挤压机上，进行40％的冷挤压变形处理；
5)合金的时效处理
将经40％变形的合金在400℃保温6h，出炉空冷至室温。
经检测，本实施例中高铬铜合金材料的性能为：硬度HV175，导电率36％IACS，软化温度550℃，含氧量550ppm，40V和40A直流负载实验条件下熔焊力≤4.0×10-3MPa，单位面积接触电阻≤36.0Ω/m2。
Claims (9)
1.高铬铜合金材料，其特征在于：由以下质量百分数的组分组成：Cr 20～50％，CeO20.1～1.0％，余量为Cu及不可避免的杂质；CeO2的粒度0.5～2μm。
2.如权利要求1所述的高铬铜合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)合金的熔炼：取各组分，先将Cu熔化，升温至1300～1350℃，加入Cr，保温，再加入CeO2，浇铸得铸锭；
2)铸锭依次经热加工、固溶、变形、时效处理，即得。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中熔炼采用传统大气熔炼结合复合覆盖剂保护。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：Cu熔化后，先用复合覆盖剂覆盖，再升温至1300～1350℃，加入脱氧剂脱氧，精炼，再加入Cr。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述复合覆盖剂由以下质量百分数的组分组成：脱水硼砂60～70％，煅烧木炭颗粒30～40％，粒度-20目。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中热加工处理的温度为925～975℃，保温时间为1～4h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中固溶处理的温度为950～1000℃，保温时间为60～120min。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中变形处理为冷变形，冷变形量为40～80％。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中时效处理的温度为400～520℃，保温时间为0.5～6h。
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