[发明专利]一种铜铬合金表层改性的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜铬合金触头材料，具体涉及一种铜铬合金表层改性的工艺方法。

背景技术

铜铬合金（以下以CuCr代替铜铬，常用的为Cr含量20%-50%质量分数，下同）主要用作真空断路器触头，起接通、承载和分断电流的作用，是真空断路器的心脏部件，其性能在很大程度上决定了真空断路器的性能及其运行的可靠性。因此真空断路器对触头有着非常苛刻的要求，要求具有：①大的分断电流能力；②高的耐受电压强度；③良好的导电导热性能；④高的抗熔焊能力；⑤良好的抗电弧烧损能力；⑥低截流值特性；⑦低的杂质含量。目前在世界范围内，真空断路器用触头几乎均采用CuCr合金。

CuCr合金触头的制造工艺有：粉末烧结法、熔渗法、熔铸法以及电弧熔炼法。粉末烧结法的优点是生产效率高，成材率高，材料利用率高，成本低，而不利之处是触头性能低，主要体现在：Cr与Cu在低于Cu的熔点下烧结，触头材料致密度低、气体等杂质含量高；显微组织Cr颗粒粒径较大，一般为63μm-170μm。因此在国内这类触头仅限于10kV等级以下小容量真空断路器上使用，市场所占比例较小。

对于熔渗法，由于熔渗是在Cu的熔点以上进行的，这一工艺方法所带来的优点是触头材料致密度高、气体等杂质含量较低，而不利之处是：显微组织Cr颗粒粒径较大，一般为63μm-170μm；生产效率、材料利用率、成材率均低，生产成本高。但熔渗法的触头性能要比粉末烧结法的高，因此在国内这类触头大量应用于全系列真空断路器上，市场所占比例大。

对于熔铸法，其工艺流程为：Cr与Cu经高温熔化→浇铸成锭子→锭子外圆扒皮→锯切成片材→机加工成元件。这一工艺方法所带来的优点是触头材料致密度高，显微组织Cr颗粒粒径较细，一般为20μm-40μm，触头性能要比粉末烧结法的高，也比熔渗法的好，因此在国内这类触头也应用于全系列真空断路器上，市场所占比例大。这一工艺方法较适合于低Cr含量（20%-30%）CuCr合金触头的制造，但随着Cr含量的提高因熔炼温度亦要相应提高，因此给整个制造工艺带来了许多控制上的不稳定，致使成材率大幅下降；同时由于铸锭外表不光滑、夹杂多需要扒掉的表层厚度较大，因此材料利用率也低。

对于电弧熔炼法，其工艺流程为：Cr粉与Cu粉混合→真空烧结成电极→电弧熔炼铸成锭子→锭子外圆扒皮→锯切成片材→机加工成元件。这一工艺方法所带来的优点是触头材料致密度高，显微组织Cr颗粒粒径较细，一般为20μm-30μm，触头性能要比粉末烧结法的高，也比熔渗法和熔铸法的好，是目前世界上公认性能最好的CuCr合金触头，但其制造成本也是最高的，因此在国内这类触头虽然可应用于全系列真空断路器上，但市场所占比例小。

综上所述，可以总结得出：①粉末烧结法的CuCr合金触头性能最低，材料利用率最高，生产效率最高，成本最低；②熔渗法、熔铸法以及电弧熔炼法的CuCr合金触头性能高，材料利用率、成材率均低，这意味着在使用这些工艺方法以获得高性能CuCr合金触头的同时，也加快了地球上Cr这一本来就紧缺的金属资源的消耗。

一般地，CuCr合金触头的厚度为3mm-5mm，而其在整个寿命期内损耗的厚度约0.5mm，因此只要获得0.5mm以上厚度的高性能触头工作层就可使触头完全满足真空断路器的使用要求。

因此，只要寻求一种工艺方法使粉末烧结法的CuCr合金触头表层（单端面）形成一层0.5mm以上厚度的高性能触头工作层，就不仅可以既将粉末烧结法的CuCr合金触头性能提高到与电弧法CuCr合金触头一样的性能水平，还可以节约大量的金属Cr资源。