利用真空自耗电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法与流程

　　本发明涉及合金材料制备技术领域，具体涉及利用真空自耗电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法。

　　背景技术：

　　真空电弧炉是在抽真空的炉体中用电弧直接加热熔炼金属的电炉。炉内气体稀薄，主要靠被熔金属的蒸气发生电弧，为使电弧稳定，一般供直流电。按照熔炼特点，分为金属重熔炉和浇铸炉。按照熔炼过程中电极是否消耗(熔化)，分为自耗炉和非自耗炉，工业上应用的大多数是自耗炉。真空电弧炉用于熔炼特殊钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌。

　　铜铬(CuCr)合金因具有较好的耐电压强度和良好的开断电流能力，作为触头材料广泛用于中高压真空断路器中。气体、杂质含量和显微组织形貌等是决定其性能的关键。当材料中含有较高的氧或较多的夹杂物时，将极大地损害触头性能，甚至不能使用。合金显微组织的不均匀将会产生偏析，降低合金的使用性能。合金中的Cr相越细小，则耐电压强度越高。因此，不断降低材料中的气体含量、减少夹杂物的污染和显微组织细小均匀化是发展高性能CuCr触头材料的关键。

　　目前制备CuCr触头材料的方法包括：真空熔铸法、混粉烧结法、等离子体喷涂法，但这些方法制备出的材料具有氧化物含量偏高，显微组织中存在较大的气孔，等缺陷。研究表明通过真空自耗电弧熔炼工艺制备的CuCr触头材料，其显微结构具有Cu、Cr相金相组织细小、材料含气量低、夹杂物少的特点。

　　技术实现要素：

　　为解决上述问题，本发明提供了一种利用真空自耗散电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法，以弥补现有技术的不足，其利用真空自耗电弧熔炼法制备Cr含量在26％-40％(wt)的CuCr电触头材料，材料无气孔、疏松、夹杂、无Cu、Cr富集等宏观微观缺陷，并且Cu、Cr显微组织结构小于30um。

　　本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种利用真空自耗电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法，包括以下步骤：

　　(1)将铜粉和Cr粉按照比例Cu(wt％)：Cr(wt％)＝75(wt)％～60(wt)％：25(wt)％～40(wt)％在混料机中混合2h-5h，混合时先分别同时加入一半重量的Cr粉和铜粉，混合2h，然后再同时加入剩余的Cr粉和铜粉，再混合2h均匀；

　　(2)在冷等静压机中150Mpa～300Mpa的压力下压制出长度L＝800mm，外径d＝70的合金棒料，保压时间1～10min；

　　(3)随后在真空烧结炉中700～900℃的温度下烧结10h～25h；

　　(4)将烧结后的棒料在真空自耗炉中进行熔炼，关闭炉门后对真空自耗炉进行抽真空，随后充入惰性保护气体，保护气体压力为90mbar-200mbar进行真空自耗电弧炉熔炼，熔炼电流为2.5～3.5KA，熔炼电压控制在23～28V，在在真空自耗电弧炉中获得铸锭5。

　　在上述方案中优选的是，所述步骤(1)中Cr粉和铜粉的重量比为30:70或35:65。

　　在上述方案中优选的是，所述所述步骤(2)中的压力为220Mpa。

　　在上述方案中优选的是，所述铜粉的粒径为-200目。

　　在上述方案中优选的是，所述Cr粉的粒径为-100～+325目。

　　在上述方案中，所述Cr粉的制备方法为：准备原料铬块，进行粗碎、涡流细碎、真空球磨、振动过筛；所述粗碎是去除铬块的表面边皮、氧化膜和氮膜，然后利用带循环水冷装置的液压粗碎机对铬块进行机械破碎，使其破碎成3mm以下的颗粒；所述的涡流细碎是在由自动加料器、涡轮式粉碎机、集粉器、真空泵、氢气进口和冷却器组成的封闭系统中进行，涡轮式粉碎机中的磨块用碳化钨制造，真空泵用来在粉碎前排除系统中的空气，将系统中的环境真空度抽至2.5～3.5×10-3Pa，氢气作为粉碎时的保护气体，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，再将系统内环境真空度抽至1～3×10-3Pa，按150～250℃/h的升温速率将系统内环境温度升至600℃～700℃，持续保持环境真空度为1～3×10-3Pa，在600℃～700℃下保温1～2小时；充入纯度大于99.9％的氢气，使系统内环境氢气气压为5～10Pa，再按100～150℃/h的升温速率将系统内环境温度升至1100℃～1300℃，升温结束后，保温2～5小时，所述保温的温度为600℃～800℃，然后以200～300℃/h的降温速率降至室温；其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为5～10Pa，冷却器用来带走粉碎时产生的热量；将涡流细碎后的Cr粉装入真空球磨机中进行真空球磨，球料比＝3∶1，控制球磨机转速为300～500r/min，研磨介质为硬质合金球，球磨时间为40～50小时；将真空球磨后的Cr粉进行振动过筛，经筛分后保留-100～+325目的Cr粉，然后将该Cr粉以自由落体的运动方式连续均匀地通过氢等离子区域加热区和冷却区，氢等离子的射流方向时从下向上，氢等离子的工作气体为氢气，保护气氛为氩气，冷却方式为空冷，即得所需Cr粉。

　　在上述方案中，所述铜粉的制备方法为先将铜渣在浓度为6.5～8.5g/L硫酸溶液进行浸泡预处理，浸泡预处理时间为15～25分钟，过滤、烘干，然后进行氧化焙烧，氧化焙烧温度为500～600℃，氧化焙烧时间为3～5h，得到焙烧铜渣，将焙烧铜渣采用硫酸溶液浸出，得到的浸出液为硫酸铜溶液，向硫酸铜溶液中加入碱进行净化处理并调节净化后硫酸铜溶液的pH值，然后向硫酸铜溶液中加入葡萄糖进行预还原，得到氧化亚铜沉淀，向氧化亚铜沉淀中加入还原剂进行还原反应，得到固体还原铜粉，将固体还原铜粉过滤洗涤，干燥1～3小时，干燥温度为70～90℃，然后进行抛光处理，以油酸与四甲苯为抛光剂，在行星式球磨机中进行球磨抛光5～8h，即得所需铜粉。

　　本发明是用选取合格的Cu粉和Cr粉按照比例进行混合，冷等静压压制成棒料，经烧结后进行自耗熔炼成合金铸锭。在高温电弧的作用之下，自耗电极快速均匀的发生层状消熔并滴到水冷结晶器底部，配合结晶器外围快速的冷却速率实现CuCr(26％-40％)合金铸锭的凝固，故得到均匀细小的CuCr合金组织。

　　本发明是根据多年的实践和经验所得的方法步骤，并且确保了更佳的合金纯度，制造出的合金铸锭微观金相分布均匀，无气孔、疏松、夹杂、无Cu、Cr富集等宏观微观缺陷，因此本发明具有显著的意义。

　　本发明的有益效果：

　　1.通过真空自耗电弧熔炼工艺制备的触头材料可以避免熔铸工艺生产触头材料因为熔化时坩埚所带入的非金属夹杂物，同时有效的细化CuCr(26％-40％)合合金的微观组织，降低材料气体含量。

　　2.真空自耗电弧熔炼工艺因为选取气体含量低夹杂物少的Cu粉和Cr粉制备出自耗电极，同时自耗电极熔化后在水冷无氧铜结晶器中结晶凝固，避免与其它非金属和污染源接触导致在金相组织中出现夹杂；因为自耗电极在熔化后滴入水冷铜结晶器中进行快速冷却，高的冷却速度抑制了Cu、Cr相的偏析，实现快速结晶从而细化了铜铬结晶组织；同时自耗熔炼过程中在电磁力的作用和炉内真空的双重作用有效的减少了材料中的夹杂物和气体含量，提纯了合金铸锭。

　　3.本发明制备生产的CuCr合金铸锭化学成分均匀、稳定，其化学成分偏差小于0.15％，不易出现偏析和高密度夹杂等冶金缺陷，适用于生产冶金质量要求高的铜铬合金铸锭。

　　附图说明

　　图1是利用本发明的方法制备的CuCr30合金触头材料的金相视图；

　　图2是利用本发明的方法制备的CuCr35合金触头材料的金相视图。

　　具体实施方式

　　以下结合附图1和2以及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述，但要求保护的范围并不局限于此。

　　实施例1

　　利用真空自耗电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法，包括以下步骤：

　　(1)将铜粉和Cr粉按照比例Cu(wt％)：Cr(wt％)＝70(wt)％：30(wt)％在混料机中混合2h-5h，混合时先分别同时加入一半重量的Cr粉和铜粉，混合2h，然后再同时加入剩余的Cr粉和铜粉，再混合2h均匀；

　　(2)在冷等静压机中220Mpa的压力下压制出长度L＝800mm，外径d＝70的合金棒料，保压时间8min；

　　(3)随后在真空烧结炉中700℃的温度下烧结12h；

　　(4)将烧结后的棒料在真空自耗炉中进行熔炼，关闭炉门后对真空自耗炉进行抽真空，随后充入惰性保护气体进行熔炼，惰性气体的压力为150mbar，熔炼电流为2.5KA，熔炼电压控制在23V，在在真空自耗电弧炉中获得铸锭。

　　其中，所述Cr粉的制备方法为：准备原料铬块，进行粗碎、涡流细碎、真空球磨、振动过筛；所述粗碎是去除铬块的表面边皮、氧化膜和氮膜，然后利用带循环水冷装置的液压粗碎机对铬块进行机械破碎，使其破碎成3mm以下的颗粒；所述的涡流细碎是在由自动加料器、涡轮式粉碎机、集粉器、真空泵、氢气进口和冷却器组成的封闭系统中进行，涡轮式粉碎机中的磨块用碳化钨制造，真空泵用来在粉碎前排除系统中的空气，将系统中的环境真空度抽至2.5×10-3Pa，氢气作为粉碎时的保护气体，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，再将系统内环境真空度抽至3×10-3Pa，按150℃/h的升温速率将系统内环境温度升至700℃，持续保持环境真空度为1×10-3Pa，在700℃下保温1小时；充入纯度大于99.9％的氢气，使系统内环境氢气气压为10Pa，再按100℃/h的升温速率将系统内环境温度升至1300℃，升温结束后，保温2小时，所述保温的温度为800℃，然后以200℃/h的降温速率降至室温；其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为10Pa，冷却器用来带走粉碎时产生的热量；将涡流细碎后的Cr粉装入真空球磨机中进行真空球磨，球料比＝3∶1，控制球磨机转速为300r/min，研磨介质为硬质合金球，球磨时间为50小时；将真空球磨后的Cr粉进行振动过筛，经筛分后保留-100目的Cr粉，然后将该Cr粉以自由落体的运动方式连续均匀地通过氢等离子区域加热区和冷却区，氢等离子的射流方向时从下向上，氢等离子的工作气体为氢气，保护气氛为氩气，冷却方式为空冷，即得所需Cr粉；

　　所述铜粉的制备方法为：先将铜渣在浓度为8.5g/L硫酸溶液进行浸泡预处理，浸泡预处理时间为15分钟，过滤、烘干，然后进行氧化焙烧，氧化焙烧温度为600℃，氧化焙烧时间为3h，得到焙烧铜渣，将焙烧铜渣采用硫酸溶液浸出，得到的浸出液为硫酸铜溶液，向硫酸铜溶液中加入碱进行净化处理并调节净化后硫酸铜溶液的pH值，然后向硫酸铜溶液中加入葡萄糖进行预还原，得到氧化亚铜沉淀，向氧化亚铜沉淀中加入还原剂进行还原反应，得到固体还原铜粉，将固体还原铜粉过滤洗涤，干燥3小时，干燥温度为70℃，然后进行抛光处理，以油酸与四甲苯为抛光剂，在行星式球磨机中进行球磨抛光8h，即得所需铜粉，所述铜粉的粒径为-200目。

　　由此制得的CuCr30合金触头材料的金相如图1所示。

　　实施例2

　　利用真空自耗电弧熔炼制备CuCr触头材料的方法，包括以下步骤：

　　(1)将铜粉和Cr粉按照比例Cu(wt％)：Cr(wt％)＝65(wt)％：35(wt)％在混料机中混合2h-5h，混合时先分别加入一半重量的Cr粉和铜粉，混合2h，然后再同时加入剩余的Cr粉和铜粉，再混合2h均匀；

　　(2)在冷等静压机中220Mpa的压力下压制出长度L＝800mm，外径d＝70的合金棒料，保压时间2min；

　　(3)随后在真空烧结炉中900℃的温度下烧结15h；

　　(4)将烧结后的棒料在真空自耗炉中进行熔炼，关闭炉门后对真空自耗炉进行抽真空，随后对炉内充入惰性保护气体进行熔炼，保护气体压力为180mbar，熔炼电流为3.5KA，熔炼电压控制在28V，在在真空自耗电弧炉中获得铸锭。

　　其中，所述Cr粉的制备方法为：准备原料铬块，进行粗碎、涡流细碎、真空球磨、振动过筛；所述粗碎是去除铬块的表面边皮、氧化膜和氮膜，然后利用带循环水冷装置的液压粗碎机对铬块进行机械破碎，使其破碎成3mm以下的颗粒；所述的涡流细碎是在由自动加料器、涡轮式粉碎机、集粉器、真空泵、氢气进口和冷却器组成的封闭系统中进行，涡轮式粉碎机中的磨块用碳化钨制造，真空泵用来在粉碎前排除系统中的空气，将系统中的环境真空度抽至3.5×10-3Pa，氢气作为粉碎时的保护气体，充入1atm纯度大于99.9％的氢气，再将系统内环境真空度抽至1×10-3Pa，按250℃/h的升温速率将系统内环境温度升至600℃，持续保持环境真空度为3×10-3Pa，在600℃下保温2小时；充入纯度大于99.9％的氢气，使系统内环境氢气气压为5Pa，再按150℃/h的升温速率将系统内环境温度升至1100℃，升温结束后，保温5小时，所述保温的温度为600℃，然后以300℃/h的降温速率降至室温；其中在所述升温、保温和降温的过程中，均持续通入氢气，以保持炉内环境气压为5Pa，冷却器用来带走粉碎时产生的热量；将涡流细碎后的Cr粉装入真空球磨机中进行真空球磨，球料比＝3∶1，控制球磨机转速为500r/min，研磨介质为硬质合金球，球磨时间为40小时；将真空球磨后的Cr粉进行振动过筛，经筛分后保留320目的Cr粉，然后将该Cr粉以自由落体的运动方式连续均匀地通过氢等离子区域加热区和冷却区，氢等离子的射流方向时从下向上，氢等离子的工作气体为氢气，保护气氛为氩气，冷却方式为空冷，即得所需Cr粉；

　　所述铜粉的制备方法为：先将铜渣在浓度为6.5g/L硫酸溶液进行浸泡预处理，浸泡预处理时间为25分钟，过滤、烘干，然后进行氧化焙烧，氧化焙烧温度为500℃，氧化焙烧时间为5h，得到焙烧铜渣，将焙烧铜渣采用硫酸溶液浸出，得到的浸出液为硫酸铜溶液，向硫酸铜溶液中加入碱进行净化处理并调节净化后硫酸铜溶液的pH值，然后向硫酸铜溶液中加入葡萄糖进行预还原，得到氧化亚铜沉淀，向氧化亚铜沉淀中加入还原剂进行还原反应，得到固体还原铜粉，将固体还原铜粉过滤洗涤，干燥1小时，干燥温度为90℃，然后进行抛光处理，以油酸与四甲苯为抛光剂，在行星式球磨机中进行球磨抛光5h，即得所需铜粉，所述铜粉的粒径为-200目。

　　由此制得的CuCr30合金触头材料的金相如图2所示。

　　通过本发明的真空自耗电弧熔炼工艺制备的触头材料可以避免熔铸工艺生产触头材料因为熔化时坩埚所带入的非金属夹杂物，同时有效的细化CuCr(26％-40％)合合金的微观组织，降低材料气体含量。

　　本发明的真空自耗电弧熔炼工艺因为选取气体含量低夹杂物少的Cu粉和Cr粉制备出自耗电极，同时自耗电极熔化后在水冷无氧铜结晶器中结晶凝固，避免与其它非金属和污染源接触导致在金相组织中出现夹杂；因为自耗电极在熔化后滴入水冷铜结晶器中进行快速冷却，高的冷却速度抑制了Cu、Cr相的偏析，实现快速结晶从而细化了铜铬结晶组织；同时自耗熔炼过程中在电磁力的作用和炉内真空的双重作用有效的减少了材料中的夹杂物和气体含量，提纯了合金铸锭。

　　本发明制备生产的CuCr合金铸锭化学成分均匀、稳定，其化学成分偏差小于0.15％，不易出现偏析和高密度夹杂等冶金缺陷，适用于生产冶金质量要求高的铜铬合金铸锭。