铜铬碲合金及其制备方法、应用与流程

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1.本发明涉及一种铜铬碲合金及其制备方法、应用。

背景技术：

2.触头材料(contact material)是用于开关、继电器、电气连接及电气接插元件的电接触材料，又称电触头材料，一般分强电用触头材料和弱电用触头材料两种。铜铬合金因具有较好的耐电压强度和良好的开断电流能力，通常可作为触头材料被广泛应用。其制备方法包括真空自耗电弧熔炼法。
3.现有真空自耗电弧熔炼工艺制备铜铬自耗电极棒触头材料的工艺流程一般包括：铜粉+铬粉称重—粉末混合—冷等静压—真空烧结—电弧熔炼，其中铜粉和铬粉分别采用电解法和铝热法制备得出，在粉末混合前按照一定的配比对铬粉和铜粉称重并在混料机中混合，随后再冷等静压和真空烧结制备出自耗电极棒。随后将制备完成的电极棒在真空自耗电弧熔炼炉中利用高温电弧作用熔化并滴入结晶器中进行快速冷却，在熔液冷却过程中电磁搅拌力作用使得铬在铜基体上均匀分布，虽均匀分布的显微组织有利于提高触头材料的耐电压和开断能力等性能，但材料抗熔焊性不佳。
4.例如：中国发明专利申请(公布号cn106350683a)涉及一种利用真空自耗电弧熔炼制备cucr触头材料的方法，选取合格的cu粉和cr粉按照比例进行混合，利用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(25％-40％)合金铸锭的凝固，故得到均匀细小的cucr合金组织。利用真空自耗电弧熔炼法制备cr含量在25％-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。采用铜粉和铬粉混合+冷等静压+真空烧结脱气+真空自耗电弧熔炼工艺制备的铜铬系列触头材料显微组织细小均匀，材料的抗拉强度较高，但材料抗熔焊性不佳。

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中制备铜铬合金触头材料难以同时兼顾组织均匀和良好的抗熔焊性能的缺陷，提供一种铜铬碲合金及其制备方法、应用。本发明采用真空自耗电弧熔炼的方法制备的铜铬碲合金组织均匀、具有高抗熔焊性能。
6.本发明在研发过程中，发明人发现真空自耗电弧熔炼工艺制备中，低熔点元素te在高温电弧作用下容易挥发，难以满足铸锭中te残余量的要求，从而无法有效改善合金的抗熔焊性能。通过添加te，冷等静压成型，再进行真空烧结脱气和电弧熔炼，结合过程中保护气体的控制等各步骤的结合，降低了在熔炼过程中的te挥发。
7.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
8.一种铜铬碲合金的制备方法，其包括如下步骤：
9.原料包括铜源、铬源和碲源，所述铜源中的cu元素的质量百分比为50-99％，所述
铬源中的cr元素的质量百分比为1-50％，所述碲源中的te元素的质量百分比为0.005-0.6％但不含0.6％，其中，所述质量百分比是指各元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；
10.将所述原料经冷等静压压制成型，真空烧结，真空自耗电弧熔炼，即得；其中，
11.所述冷等静压压制成型的步骤中，压力为260-300mpa，保压时间为5-15min；
12.所述真空烧结的步骤在保护气体条件下进行，所述真空烧结的温度为750℃-1050℃，所述真空烧结的时间为26-32h；
13.所述真空自耗电弧熔炼的步骤中，熔炼电流为1.5-5ka，电弧电压为22-30v。
14.本发明中，所述铜源可为本领域常规的铜源，较佳地为铜单质。
15.本发明中，所述铜源的形态较佳地为粉末态。
16.本发明中，所述铬源可为本领域常规的铬源，较佳地为铬单质。
17.本发明中，所述铬源的形态较佳地为粉末态。
18.本发明中，所述碲源可为本领域常规的碲源，较佳地为碲单质或铜碲合金，所述铜碲合金可为cute10合金。
19.其中，所述cute10合金一般是指te元素的质量占cute10合金的质量的百分比为10％。
20.本发明中，所述碲源的形态较佳地为粉末态。
21.本发明中，所述铜源中的cu元素的质量百分比较佳地为50-70％，例如为55-65％，再例如59.4％或59.5％，所述质量百分比是指所述铜源中的cu元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比。
22.本发明中，所述铬源中的cr元素的质量百分比较佳地为25-50％，更佳地为40.5％，所述质量百分比是指所述铬源中的cr元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比。
23.本发明中，所述碲源中的te元素的质量百分比较佳地为0.005-0.1％，例如0.01％、0.05％或0.08％，所述质量百分比是指所述碲源中的te元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比。
24.本发明中，所述冷等静压压制成型的压力较佳地为270-280mpa。
25.本发明中，所述冷等静压压制成型的保压时间较佳地为5-15min，例如8或10min。
26.本发明中，所述冷等静压压制成型后制得的物料的形状较佳地为棒状，所述棒状的长度l较佳地为750-850mm，例如800或850mm；所述棒状的外径较佳地为68-75mm，例如70mm或75mm。
27.本发明中，所述冷等静压压制成型采用的设备可为本领域常规的冷等静压压制成型的设备，例如冷等静压机。所述冷等静压压制成型的设备较佳地包括可收缩钢护套。以确保压制后物料的竖直度，防止在后续熔炼过程中因为物料弯曲而出现物料和结晶器之间放电的现象。
28.本发明中，所述真空烧结的温度可为800℃-1020℃，例如900℃、1000℃或1020℃。本发明中，所述真空烧结的时间较佳地为28-30h。
29.本发明中，较佳地，所述真空烧结的步骤中，在升温至所述真空烧结的温度之前，在300℃下将物料保温2h，以确保对物料充分脱气。
30.本发明中，较佳地，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体的充入时机为在温度为750-800℃时充入，更佳地为在750℃时充入。
31.本发明中，所述保护气体的压力较佳地为8800-9000pa，更佳地为9000pa。
32.本发明中，所述保护气体可为本领域常规的惰性气体，所述惰性气体可为氩气。
33.本发明中，所述电弧熔炼的熔炼电流较佳地为3-3.7ka，例如3-3.5ka或3.2-3.7ka；所述电弧熔炼的电弧电压较佳地为24.5-24.6v。
34.本发明还提供一种由前述制备方法制得的铜铬碲合金。
35.本发明中，所述铜铬碲合金中，te含量较佳地为400-800ppm。
36.本发明中，所述铜铬碲合金中，o含量较佳地为小于650ppm，例如460-630ppm。
37.本发明中，所述铜铬碲合金中，n含量较佳地为小于50ppm，例如12-14ppm。
38.本发明中，所述铜铬碲合金的电导率较佳地为24-26ms/m，例如24.6-24.9ms/m或24.9-25.2ms/m。
39.本发明中，所述铜铬碲合金的抗拉强度较佳地为≤300mpa，例如160-167mpa。
40.本发明中，所述铜铬碲合金的密度较佳地为8.12-8.14g/cm3。
41.本发明中，所述铜铬碲合金的硬度较佳地为96.9/101/101hb或101/100/98hb。
42.本发明还提供一种所述铜铬碲合金在电学器件中作为电接触材料中的应用。较佳地，所述电学器件包括开关、继电器或电气接插元件。
43.在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
44.本发明所用试剂和原料均市售可得。
45.本发明的积极进步效果在于：本发明的制备方法通过添加te(例如：在粉末混合工序添加te粉或cute合金粉末)，冷等静压成型，再进行真空烧结脱气和电弧熔炼，结合过程中保护气体的控制等步骤，降低在熔炼过程中的te挥发，实现了铜铬触头材料产品中te含量在0.005％-0.6％之间的材料的制备。在熔炼过程中还可进一步采用提高保护气压力，更好地降低熔炼过程te挥发。制备得到的铜铬碲合金显微组织均匀，抗拉强度低于300mpa，具有优良的抗熔焊性、且短路开断和耐压能力好。
附图说明
46.图1为实施例1制备的te含量在800ppm的电弧熔炼cucr40合金的金相视图。
47.图2为实施例2制备的te含量在400ppm的电弧熔炼cucr40合金的金相视图。
48.图3为对比例1制备的te含量在400ppm的电弧熔炼cucr40合金的金相视图。
49.图4为实施例4制备的铜铬碲合金铸锭的外观照片。
具体实施方式
50.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
51.实施例1
52.一种铜铬碲合金的制备方法，步骤如下：
53.1、取59.5wt％电解铜粉和40.5wt％铬粉(其中百分比是指各原料的质量占铜粉和
铬粉总质量的质量百分比)，再加入0.1wt％的cute10合金粉末，进行粉末混合；其中，0.1wt％是指cute10合金的质量占铜粉和铬粉总质量的百分比，cute10合金中te的质量占比是10％，因此相当于te元素的加入量为铜粉和铬粉总质量的0.01wt％。
54.2、将混合均匀的金属粉末在冷等静压设备中冷等静压成型具有一定尺寸(长度l 800mm、外径70mm)的自耗电极棒，冷等静压的压力为270mpa，保压时间为8min；在冷等静压过程中采用可收缩钢护套对电极棒进行压制成型，以确保电极棒压制后的竖直度，防止在熔炼过程中因为电极棒弯曲而出现电极棒和结晶器之间放电的现象；
55.3、将成型后的电极棒在真空烧结炉中进行真空烧结脱气。烧结温度在750℃-1050℃之间，保护气体的压力为9000pa。为了确保在烧结过程中对电极棒的充分脱气，当升温至300℃时，将棒料保温2h，以确保对电极棒的充分脱气，真空烧结750℃之前采用真空烧结脱气，随后充入9000pa的氩气进行气氛烧结，防止材料挥发；然后继续升温至1020℃烧结时间30h；
56.4、将烧结完成的电极棒在真空自耗电弧熔炼炉内进行电弧熔炼，其中熔炼电流在3.2-3.7ka之间，电弧电压在24.5-24.6v之间，保护气体压力在250mbar，充入氦气。制备得到的合金金相视图如图1所示。
57.实施例2
58.一种铜铬碲合金的制备方法，步骤如下：
59.1、取59.5wt％电解铜粉和40.5wt％铬粉(其中百分比是指原料的质量占铜粉和铬粉总质量的质量百分比)，再加入0.005wt％te粉，其中0.005wt％是指te粉的质量占铜粉和铬粉总质量的百分比；
60.2、将混合均匀的金属粉末在冷等静压设备中冷等静压成型具有一定尺寸(长度l 850mm、外径75mm)的自耗电极棒，冷等静压的压力为280mpa，保压时间为10min；其中冷等静压过程采用可收缩的钢护套对电极棒进行压制成型，确保电极棒压制后的竖直度，防止在熔炼过程中因为电极棒弯曲而出现电极棒和结晶器之间放电的现象；
61.3、将成型后的电极棒在真空烧结炉中进行真空烧结脱气，烧结温度在750℃-1050℃之间，保护气体的压力为9000pa。为了确保在烧结过程中对电极棒的充分脱气，当升温至300℃时将棒料保温2h，确保对电极棒的充分脱气，真空烧结750℃之前采用真空烧结脱气，随后充入9000pa的氩气进行气氛烧结，防止材料挥发；然后继续升温至1020℃烧结时间30h；然后继续升温至1020℃烧结时间30h。为了更进一步提高电极棒的竖直度采用特殊设计的v型石墨卡槽对电极棒在烧结过程中进行进一步校正；
62.4、将烧结完成的电极棒在真空自耗电弧熔炼炉内进行电弧熔炼，其中熔炼电流在3-3.5ka之间，电弧电压在24.5-24.6v之间，保护气体压力250mbar。制备得到的合金金相视图如图2所示。
63.实施例3
64.一种铜铬碲合金的制备方法，不进行实施例1中真空烧结脱气的步骤中的“当升温至300℃时将棒料保温2h”，其它同实施例1。由于脱气不利，导致电弧熔炼时出现比较严重的电压波动，导致熔炼的产品出现不良外观。
65.实施例4
66.一种铜铬碲合金触头材料的制备方法，其他条件同实施例1，将实施例1的冷等静
压压力修改为200mpa。结果熔炼电极密度降低显著，在熔炼过程中出现电弧电压和电流的严重波动，铸锭出现不良外观，如图4。
67.对比例1
68.一种铜铬碲合金触头材料的制备方法，其他条件同实施例1，但不添加te。制得的材料金相视图如图3所示。
69.对比例2
70.一种铜铬碲合金触头材料的制备方法，将实施例1中的“0.1wt％cute合金粉末”改为“0.6wt％cute合金粉末”，其他条件同实施例1。
71.对比例3
72.一种铜铬碲合金触头材料的制备方法，将实施例1中的“0.1wt％cute合金粉末”改为“0.002wt％cute合金粉末”，其他条件同实施例1。
73.效果实施例
74.对实施例和对比例制备的材料进行化学成分分析和性能测试，测试方法分别参考gb/t 26867 2011《铜铬电触头技术条件》、gb/t5586-2016《电触头材料基本性能试验方法》，测试结果如表1。
75.由表1可知，实施例1、2制备的材料中te余量分别为800ppm、400ppm，其抗拉强度和延伸率均较低，表明具有较好的抗熔焊性。
76.而对比例2制备的材料中te余量为20ppm，铸锭的抗拉强度和正常产品(对比例1)比较无差异，对抗熔焊性改善不大；对比例3制备的材料中te余量为6000ppm时导致材料脆性增大，抗拉强度60mpa无法满足操作机构的机械性能要求。
77.表1实施例1-2和对比例1-3制备的铜铬40合金材料检测结果
[0078][0079][0080]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和
修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种铜铬碲合金的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：原料包括铜源、铬源和碲源，所述铜源中的cu元素的质量百分比为50-99％，所述铬源中的cr元素的质量百分比为1-50％，所述碲源中的te元素的质量百分比为0.005-0.6％但不含0.6％，其中，所述质量百分比是指各元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；将所述原料经冷等静压压制成型，真空烧结，真空自耗电弧熔炼，即得；其中，所述冷等静压压制成型的步骤中，压力为260-300mpa，保压时间为5-15min；所述真空烧结的步骤在保护气体条件下进行，所述真空烧结的温度为750℃-1050℃，所述真空烧结的时间为26-32h；所述真空自耗电弧熔炼的步骤中，熔炼电流为1.5-5ka，电弧电压为22-30v。2.如权利要求1所述的铜铬碲合金的制备方法，其特征在于，所述铜源为铜单质；和/或，所述铜源的形态为粉末态；和/或，所述铬源为铬单质；和/或，所述铬源的形态为粉末态；和/或，所述碲源为碲单质或铜碲合金；和/或，所述碲源的形态为粉末态；和/或，所述铜源中的cu元素的质量百分比为50-70％，所述质量百分比是指所述铜源中的cu元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；和/或，所述铬源中的cr元素的质量百分比为25-50％，所述质量百分比是指所述铬源中的cr元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；和/或，所述碲源中的te元素的质量百分比为0.005-0.1％，所述质量百分比是指所述碲源中的te元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；和/或，所述冷等静压压制成型的压力为270-280mpa；和/或，所述冷等静压压制成型的保压时间为5-15min；和/或，所述冷等静压压制成型后制得的物料的形状为棒状；和/或，所述冷等静压压制成型的设备包括可收缩钢护套；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体为惰性气体；和/或，所述真空烧结的温度为800℃-1020℃；和/或，所述真空烧结的时间为28-30h；和/或，所述真空烧结的步骤中，在升温至所述真空烧结的温度之前，在300℃下将物料保温2h；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体的充入时机为在温度为750-800℃时充入；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体的压力为8800-9000pa；和/或，所述电弧熔炼的熔炼电流为3-3.7ka；和/或，所述电弧熔炼的电弧电压为24.5-24.6v。
3.如权利要求2所述的铜铬碲合金的制备方法，其特征在于，所述铜碲合金为铜碲10合金；和/或，所述铜源中cu元素的质量百分比为55-65％，所述质量百分比是指所述铜源中的cu元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；和/或，所述铬源中cr元素的质量百分比为40.5％，所述质量百分比是指所述铬源中的cr元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比；和/或，所述碲源中te元素的质量百分比为0.01％、0.05％或0.08％，所述质量百分比是指所述碲源中的te元素的质量占所述铜源中的cu元素和所述铬源中的cr元素的质量总和的质量百分比。4.如权利要求2所述的铜铬碲合金的制备方法，其特征在于，所述冷等静压压制成型的保压时间为8或10min；和/或，所述冷等静压压制成型后制得的物料的形状为棒状，所述棒状的长度l为750-850mm；所述棒状的外径为68-75mm；和/或，所述真空烧结的温度为900℃、1000℃或1020℃；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体的压力为9000pa；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述保护气体的充入时机为在750℃时充入；和/或，所述真空烧结的步骤中，所述惰性气体为氩气；和/或，所述电弧熔炼的熔炼电流为3-3.5ka或3.2-3.7ka。5.如权利要求4所述的铜铬碲合金的制备方法，其特征在于，所述冷等静压压制成型后制得的物料的形状为棒状，所述棒状的长度l为800mm或850mm；和/或，所述冷等静压压制成型后制得的物料的形状为棒状，所述棒状的外径为70mm或75mm。6.一种由如权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的铜铬碲合金。7.如权利要求6所述的铜铬碲合金，其特征在于，所述铜铬碲合金中，te含量为400-800ppm；和/或，所述铜铬碲合金中，o含量为小于650ppm；和/或，所述铜铬碲合金中，n含量为小于50ppm；和/或，所述铜铬碲合金的电导率为24-26ms/m；和/或，所述铜铬碲合金的抗拉强度为≤300mpa；和/或，所述铜铬碲合金的密度为8.12-8.14g/cm3；和/或，所述铜铬碲合金的硬度为96.9/101/101hb或101/100/98hb。8.如权利要求7所述的铜铬碲合金，其特征在于，所述铜铬碲合金中，o含量为460-630ppm；和/或，所述铜铬碲合金中，n含量为12-14ppm；和/或，所述铜铬碲合金的电导率为24.6-24.9ms/m或24.9-25.2ms/m；和/或，所述铜铬碲合金的抗拉强度为160-167mpa；和/或，所述铜铬碲合金的密度为8.12-8.14g/cm3。9.一种如权利要求6-8任一项所述的铜铬碲合金在电学器件中作为电接触材料中的应用。
10.如权利要求9所述的铜铬碲合金在电学器件中作为电接触材料中的应用，其特征在于，所述电学器件包括开关、继电器或电气接插元件。

技术总结

本发明公开了一种铜铬碲合金及其制备方法、应用。该制备方法包括如下步骤：原料包括铜源、铬源和碲源，所述铜源中的Cu元素的质量百分比为50-99％，所述铬源中的Cr元素的质量百分比为1-50％，所述碲源中的Te元素的质量百分比为0.005-0.6％但不含0.6％，其中，质量百分比是指各元素的质量占铜源中的Cu元素和铬源中的Cr元素的质量总和的质量百分比；将原料经冷等静压压制成型，真空烧结，真空自耗电弧熔炼，即得。本发明制备的铜铬碲合金组织均匀、具有高抗熔焊性能。有高抗熔焊性能。有高抗熔焊性能。