一种高性能铜铬合金触头的制备方法

技术领域

本发明属于金属粉末的加工技术领域，具体是涉及一种高性能铜铬合金触头的制备方法。

背景技术

高铬含量CuCr触头由于具有优异的导电、导热、耐电压、抗电弧烧蚀性能以及吸氧等特性，因此广泛应用于中高压真空灭弧室内作为触头材料。目前有混粉烧结、真空熔铸、电弧熔炼和真空熔渗工艺四种。混粉烧结工艺材料利用率高，但微观Cr颗粒大，粉末之间结合性差，导致开断能力较同成本其它工艺低。后三种工艺虽然开断能力高，但需经过多道工艺加工成最终产品，加工过程材料浪费大，不利于资源节约和再利用。

在现有铜铬触头制备过程中，混粉烧结工艺制备的触头为了保持低的氧含量，Cr颗粒粗大，并且由于固相烧结颗粒之间散热较低，导致开断能力低。真空熔铸、电弧熔炼、真空熔渗制备的铜铬触头相对来说工艺性能更加优异。

专利CN102728843B公布了一种铜铬合金粉末的制备方法及铜铬触头的制备方法，该专利采用无氧铜棒与铬块真空感应熔炼然后超声波雾化技术制备铜铬合金粉末，生产过程流程长，材料浪费大，资源利用率低。

专利CN110842208A公布了一种铜铬触头废料的回收利用方法，该专利公布了一种铜铬触头废料回收利用方法，是将自耗熔炼铜铬触头废料通过熔炼制备成自耗电极棒，再通过气雾化制备出合金粉末，该专利工艺过程流程长，能耗大。

本发明是针对现有技术中材料利用率低的特点，提出的废料再利用，并且设计了一种高性能铜铬合金触头的制备方法。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种高性能铜铬合金触头的制备方法。

本发明的技术方案是：一种高性能铜铬合金触头的制备方法，主要包括以下步骤：

S1：原材料预处理

挑选Cr含量为0.5~50%、Cu含量为49.7~95.3%、余量为不可避免杂质的铜铬合金边角料，利用清洗剂将铜铬合金边角料表面粘附的油污进行清洗，清洗后的铜铬合金边角料保存在密封容器中；

S2：原材料破碎制粉

将步骤S1中清洗干净的铜铬合金边角料置于马弗炉中，向马弗炉中充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体，升高马弗炉中温度至80~90℃，并于该温度条件下保持5~10min，取出铜铬合金边角料后，用0~4℃的氮气喷吹铜铬合金边角料，通过温度差产生的内应力使铜铬合金边角料脆化，然后将脆化后的铜铬合金边角料置于液氮预冷罐中进行预冷，预冷温度为-140~-80℃，预冷2~3h使铜铬合金边角料进一步脆化，得到脆化铜铬合金边角料，将脆化铜铬合金边角料用机械破碎法制备成0.5~2mm的铜铬合金颗粒，然后用机械制粉法将铜铬合金颗粒制粉，用筛网将小于80目的铜铬合金粉末筛出备用；

S3：坯料压制

将步骤S2中筛出得到的铜铬合金粉末通过自动压机的料斗填装在铜铬合金触头模具中，开启自动压机，设定压力为800~1000MPa进行预压，预压时间3~5s，预压结束后撤去压力1~2min，然后升高自动压机的压力至1100~1200MPa进行复压，压制时间3~5s，复压结束后撤去压力2~3min，最后升高自动压力的压力至1300~1500MPa压制6~8s，得到铜铬合金触头生坯；

S4：真空烧结

将步骤S3中得到的铜铬合金触头生坯转移至真空烧结炉中，将真空烧结炉中抽真空至5×10

优选地，所述铜铬合金边角料选自真空熔铸工艺、真空熔渗工艺以及电弧熔炼工艺生产过程中产生的合金边角料，且合金边角料中除过Cr和Cu之外，杂质含量小于1wt%，不投入纯金属，节约铜、铬相关资源。

优选地，所述清洗剂为碳氢清洗剂，对合金表面油污清洗效果好，成本低。

进一步地，所述利用清洗剂将铜铬合金边角料表面粘附的油污进行清洗的清洗具体步骤为：将铜铬合金边角料放置在超声清洗槽中并置于全密封环境下，在全密封环境中将清洗剂添加至超声清洗槽中并没过铜铬合金边角料，静置浸泡10~30min，浸泡结束后开启超声清洗器对铜铬合金边角料进行超声清洗，超声清洗过程中会使清洗剂温度升高，保持清洗温度在60~120℃，清洗60~90min，清洗结束后将铜铬合金边角料取出，将铜铬合金边角料在全密封环境下烘干即可，密封环境避免碳氢清洗剂挥发被操作人员吸入，并且避免爆炸，超声辅助清洗效果更好。

进一步地，所述机械制粉法选用锤式制粉机对所述铜铬合金颗粒进行锤破制粉，锤式制粉机的锤头转速为1000~1400r/min，且在锤破制粉过程中向锤式制粉机中通入高压气体，使铜铬合金粉末在制粉机中循环碰撞破碎，破碎效率高。

优选地，所述高压气体为干燥空气、氮气、氩气中的一种或多种，且高压气体的气体压力为0.1~0.5MPa，流速为1~5m

优选地，所述机械破碎法在纯度为99.9%的氩气氛围下进行，避免破碎后的铜铬合金颗粒与空气中的水分接触反应。

进一步地，所述步骤S2中，筛网中截留的大于80目的铜铬合金粉末重新用机械制粉法制备至小于80目，提高材料利用率。

进一步地，所述铜铬合金触头生坯的密度为6.26~7.89g/cm

进一步地，所述预热的具体工艺为：以5℃/min的升温速率升高真空烧结炉中温度至200~300℃进行预热，预热时间1~2h，预热可以使铜铬合金触头生坯中因压制产生的残余应力缓慢释放，避免因温度急速上升而导致铜铬合金触头变形或破裂。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种高性能铜铬合金触头的制备方法，尤其适用于现有技术中铜铬触头生产中边角废料的重复利用，原材料采用其它铜铬触头工艺加工的边角料、废料，材料成本低，节约资源，通过对铜铬合金边角料的预处理，使铜铬合金边角料脆化，在不影响铜铬合金性能的前提下将铜铬合金边角料破碎制粉，铜铬合金粉末制备过程采用机械法进行，对比雾化工艺，能源消耗低，然后通过压制工艺将铜铬合金粉末压制成坯料，在压制过程中多次增加压力并在压制间隙中释放坯料中产生的内应力，提高坯料的密度，然后通过预热烧结的真空烧结法对压制的坯料进行烧制成型，制备出的混粉烧结铜铬触头组织均匀、Cr颗粒细小，并且兼具了熔炼和固相烧结两种工艺特点，使用性能优异。

附图说明

图1是本发明实施例2制备的铜铬合金触头SEM扫描图。

具体实施方式

为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。

实施例1：一种高性能铜铬合金触头的制备方法，主要包括以下步骤：

S1：原材料预处理

挑选Cr含量为25%、Cu含量为74.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料，铜铬合金边角料选自真空熔铸工艺、真空熔渗工艺以及电弧熔炼工艺生产过程中产生的合金边角料，利用清洗剂将铜铬合金边角料表面粘附的油污进行清洗，清洗剂为碳氢清洗剂，清洗具体步骤为：将铜铬合金边角料放置在超声清洗槽中并置于全密封环境下，在全密封环境中将清洗剂添加至超声清洗槽中并没过铜铬合金边角料，静置浸泡10min，浸泡结束后开启超声清洗器对铜铬合金边角料进行超声清洗，超声清洗过程中会使清洗剂温度升高，保持清洗温度在60℃，清洗60min，清洗结束后将铜铬合金边角料取出，将铜铬合金边角料在全密封环境下烘干即可，清洗后的铜铬合金边角料保存在密封容器中；

S2：原材料破碎制粉

将步骤S1中清洗干净的铜铬合金边角料置于马弗炉中，向马弗炉中充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体，升高马弗炉中温度至80℃，并于该温度条件下保持5min，取出铜铬合金边角料后，用0℃的氮气喷吹铜铬合金边角料，通过温度差产生的内应力使铜铬合金边角料脆化，然后将脆化后的铜铬合金边角料置于液氮预冷罐中进行预冷，预冷温度为-140℃，预冷2h使铜铬合金边角料进一步脆化，得到脆化铜铬合金边角料，将脆化铜铬合金边角料用机械破碎法制备成1.5~2mm的铜铬合金颗粒，机械破碎法在纯度为99.9%的氩气氛围下进行，然后用机械制粉法将铜铬合金颗粒制粉，机械制粉法选用锤式制粉机对铜铬合金颗粒进行锤破制粉，锤式制粉机的锤头转速为1000r/min，且在锤破制粉过程中向锤式制粉机中通入高压气体，使铜铬合金粉末在制粉机中循环碰撞破碎，高压气体为干燥空气、氮气、氩气中的一种或多种，且高压气体的气体压力为0.1MPa，流速为1m

S3：坯料压制

将步骤S2中筛出得到的铜铬合金粉末通过自动压机的料斗填装在铜铬合金触头模具中，开启自动压机，设定压力为800MPa进行预压，预压时间3s，预压结束后撤去压力1min，然后升高自动压机的压力至1100MPa进行复压，压制时间3s，复压结束后撤去压力2min，最后升高自动压力的压力至1300MPa压制6s，得到铜铬合金触头生坯，铜铬合金触头生坯的密度为6.26g/cm

S4：真空烧结

将步骤S3中得到的铜铬合金触头生坯转移至真空烧结炉中，将真空烧结炉中抽真空至5×10

实施例2：一种高性能铜铬合金触头的制备方法，主要包括以下步骤：

S1：原材料预处理

挑选Cr含量为25%、Cu含量为74.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料，铜铬合金边角料选自真空熔铸工艺、真空熔渗工艺以及电弧熔炼工艺生产过程中产生的合金边角料，利用清洗剂将铜铬合金边角料表面粘附的油污进行清洗，清洗剂为碳氢清洗剂，清洗具体步骤为：将铜铬合金边角料放置在超声清洗槽中并置于全密封环境下，在全密封环境中将清洗剂添加至超声清洗槽中并没过铜铬合金边角料，静置浸泡20min，浸泡结束后开启超声清洗器对铜铬合金边角料进行超声清洗，超声清洗过程中会使清洗剂温度升高，保持清洗温度在90℃，清洗75min，清洗结束后将铜铬合金边角料取出，将铜铬合金边角料在全密封环境下烘干即可，清洗后的铜铬合金边角料保存在密封容器中；

S2：原材料破碎制粉

将步骤S1中清洗干净的铜铬合金边角料置于马弗炉中，向马弗炉中充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体，升高马弗炉中温度至85℃，并于该温度条件下保持8min，取出铜铬合金边角料后，用2℃的氮气喷吹铜铬合金边角料，通过温度差产生的内应力使铜铬合金边角料脆化，然后将脆化后的铜铬合金边角料置于液氮预冷罐中进行预冷，预冷温度为-110℃，预冷3h使铜铬合金边角料进一步脆化，得到脆化铜铬合金边角料，将脆化铜铬合金边角料用机械破碎法制备成1~2mm的铜铬合金颗粒，机械破碎法在纯度为99.9%的氩气氛围下进行，然后用机械制粉法将铜铬合金颗粒制粉，机械制粉法选用锤式制粉机对铜铬合金颗粒进行锤破制粉，锤式制粉机的锤头转速为1200r/min，且在锤破制粉过程中向锤式制粉机中通入高压气体，使铜铬合金粉末在制粉机中循环碰撞破碎，高压气体为干燥空气、氮气、氩气中的一种或多种，且高压气体的气体压力为0.3MPa，流速为3m

S3：坯料压制

将步骤S2中筛出得到的铜铬合金粉末通过自动压机的料斗填装在铜铬合金触头模具中，开启自动压机，设定压力为900MPa进行预压，预压时间4s，预压结束后撤去压力1.5min，然后升高自动压机的压力至1150MPa进行复压，压制时间4s，复压结束后撤去压力2.5min，最后升高自动压力的压力至1400MPa压制7s，得到铜铬合金触头生坯，铜铬合金触头生坯的密度为7.33g/cm

S4：真空烧结

将步骤S3中得到的铜铬合金触头生坯转移至真空烧结炉中，将真空烧结炉中抽真空至5×10

实施例3：一种高性能铜铬合金触头的制备方法，主要包括以下步骤：

S1：原材料预处理

挑选Cr含量为25%、Cu含量为74.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料，铜铬合金边角料选自真空熔铸工艺、真空熔渗工艺以及电弧熔炼工艺生产过程中产生的合金边角料，利用清洗剂将铜铬合金边角料表面粘附的油污进行清洗，清洗剂为碳氢清洗剂，清洗具体步骤为：将铜铬合金边角料放置在超声清洗槽中并置于全密封环境下，在全密封环境中将清洗剂添加至超声清洗槽中并没过铜铬合金边角料，静置浸泡30min，浸泡结束后开启超声清洗器对铜铬合金边角料进行超声清洗，超声清洗过程中会使清洗剂温度升高，保持清洗温度在120℃，清洗90min，清洗结束后将铜铬合金边角料取出，将铜铬合金边角料在全密封环境下烘干即可，清洗后的铜铬合金边角料保存在密封容器中；

S2：原材料破碎制粉

将步骤S1中清洗干净的铜铬合金边角料置于马弗炉中，向马弗炉中充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体，升高马弗炉中温度至90℃，并于该温度条件下保持10min，取出铜铬合金边角料后，用4℃的氮气喷吹铜铬合金边角料，通过温度差产生的内应力使铜铬合金边角料脆化，然后将脆化后的铜铬合金边角料置于液氮预冷罐中进行预冷，预冷温度为-80℃，预冷3h使铜铬合金边角料进一步脆化，得到脆化铜铬合金边角料，将脆化铜铬合金边角料用机械破碎法制备成0.5~1mm的铜铬合金颗粒，机械破碎法在纯度为99.9%的氩气氛围下进行，然后用机械制粉法将铜铬合金颗粒制粉，机械制粉法选用锤式制粉机对铜铬合金颗粒进行锤破制粉，锤式制粉机的锤头转速为1400r/min，且在锤破制粉过程中向锤式制粉机中通入高压气体，使铜铬合金粉末在制粉机中循环碰撞破碎，高压气体为干燥空气、氮气、氩气中的一种或多种，且高压气体的气体压力为0.5MPa，流速为5m

S3：坯料压制

将步骤S2中筛出得到的铜铬合金粉末通过自动压机的料斗填装在铜铬合金触头模具中，开启自动压机，设定压力为1000MPa进行预压，预压时间5s，预压结束后撤去压力2min，然后升高自动压机的压力至1200MPa进行复压，压制时间5s，复压结束后撤去压力3min，最后升高自动压力的压力至1500MPa压制8s，得到铜铬合金触头生坯，铜铬合金触头生坯的密度为7.89g/cm

S4：真空烧结

将步骤S3中得到的铜铬合金触头生坯转移至真空烧结炉中，将真空烧结炉中抽真空至5×10

实施例4：与实施例2基本相同，不同之处在于：挑选Cr含量为30%、Cu含量为69.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料。

实施例5：与实施例2基本相同，不同之处在于：挑选Cr含量为40%、Cu含量为59.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料。

实施例6：与实施例2基本相同，不同之处在于：挑选Cr含量为50%、Cu含量为49.7%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料。

实施例7：与实施例2基本相同，不同之处在于：挑选Cr含量为0.5%、Cu含量为99.2%、杂质含量0.3%的铜铬合金边角料，且在步骤S4自然冷却前，对烧结得到的铜铬合金触头进行固溶时效处理，固溶处理温度980℃，固溶处理时间60min，时效处理温度460℃，时效处理时间5h。

实验例1：研究制备方法对制备铜铬合金触头的性能影响

分别利用实施例1~3提供的方法制备铜铬合金触头，分析检测分别制备得到的铜铬合金触头相关性能，结果如下：

实施例1提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为26.1wt%、O含量为722ppm、N含量为8ppm、密度为7.91g/cm

实施例2提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为26.2wt%、O含量为720ppm、N含量为8ppm、密度为8.30g/cm

实施例3提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为26.2wt%、O含量为721ppm、N含量为8ppm、密度为8.03g/cm

结论：在选取原材料近似相同的情况下，实施例2提供方法制备得到的铜铬合金触头的密度更高、硬度更大、电导率更好。

实验例2：研究选取原材料对制备铜铬合金触头的性能影响

分别根据实施例2、实施例4-6提供铜铬合金边角料的含量比选取铜铬合金边角料，并利用实施例2提供方法制备铜铬合金触头，分析检测分别制备得到的铜铬合金触头相关性能，结果如下：

实施例2提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为26.2wt%、O含量为720ppm、N含量为8ppm、密度为8.30g/cm

实施例4提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为30.1wt%、O含量为670ppm、N含量为9ppm、密度为8.21g/cm

实施例5提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为39.8wt%、O含量为580ppm、N含量为13ppm、密度为8.05g/cm

实施例6提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为49.6wt%、O含量为420ppm、N含量为12ppm、密度为7.83g/cm

实施例7提供方法制备的铜铬合金触头经检测，Cr含量为0.53wt%、O含量为53ppm、N含量为10ppm、密度为8.87g/cm

结论：随着铜铬合金触头中Cr含量的提高，制备得到的铜铬合金触头密度降低、电导率降低，但硬度增大，在实际生产中，可以根据不同使用需求调整铜铬合金触头中的Cr含量。