本發明涉及一種銅基真空觸頭材料的制造方法，尤其涉及一種大尺寸高致密度高均勻性的CuCr合金的制造方法。

背景技術：

CuCr合金因具有較好的耐電弧侵蝕能力和良好的開斷電流能力，而作為觸頭材料廣泛用于中高壓真空斷路器中。CuCr合金的使用性能主要取決于其組織結構的致密性和均勻性。由于Cu和Cr之間的相互溶解度很低，浸潤性差，因此在CuCr合金研發的相當長一段時間內，皆是先采用粉末冶金法制備具有一定形狀的多孔Cr骨架，然后熔滲Cu而得到CuCr合金制品；必要時再對熔滲后的CuCr合金進行冷或熱復壓，使產品達到符合要求的密度和強度。

迄今，CuCr合金的制造方法主要有熔滲法、燒結法和電弧熔煉法。采用前兩種成形方法，Cr基本保持顆粒狀分布在Cu基體中，受制備工藝限制，產品總存在一定量的缺陷，影響材料的性能和使用壽命。

放電等離子燒結(SPS)是利用強脈沖直流電流流經粉末或模具產生焦耳熱而對粉末進行快速固結成形的一種新技術。該燒結技術可顯著降低成形溫度和成形時間，并在粉末顆粒間隙中產生等離子活化、放電沖擊壓和電場輔助擴散效應等一系列特殊效應，被認為是制備細晶、納米晶塊體材料的一種高效低成本方法。近期，中國專利106086493A公開了一種快速低溫燒結制備CuCr合金材料的方法，該方法便是采用SPS對CuCr混合粉末進行低溫固相燒結。由于SPS是通過電流對粉末和石墨模具直接加熱，故燒結體的品質與電流密度分布有關，也即與粉末壓坯和模具的尺寸、結構以及導電導熱性能關系密切。采用常規的燒結模具，隨著燒結樣品尺寸的增大(樣品直徑和厚度增加)，尤其是當燒結樣品直徑大于50mm時，沿徑向和軸向的電流分布不均勻性增加，直接導致燒結溫度分布不均勻，進而影響燒結體的成分和組織均勻性。尤為重要的是，熱量在粉末坯體和模具內部傳導需要時間，因此提高升溫速率將顯著增加燒結溫度的不均勻性。此外，隨著燒結樣品尺寸的增大，燒結用粉量增加，燒結過程中粉末壓坯內的氣體排放量增大，提高升溫速率將不利于氣體釋放，從而影響燒結體的致密度。因此，從燒結過程中的熱傳導和氣體排放角度考慮，采用SPS制備大尺寸樣品，升溫速率也不宜過快。由此可知，專利106086493A采用快速升溫(升溫速率為50～300℃/min)方式不適合制備具有高致密度、高均勻性的大尺寸CuCr合金(直徑大于50mm)。

綜上，通過設計合理可行的燒結模具和優化燒結工藝，控制CuCr合金放電等離子燒結過程中的電流分布，提高溫度分布均勻性，加快氣體排放，是制造大尺寸、高致密度、成分與組織均勻的CuCr合金的關鍵。這對促進SPS在制造高尖端產品的應用方面尤為重要。

技術實現要素：

針對現有真空觸頭材料，尤其是高致密度(相對密度大于99％)、成分組織均勻的大尺寸CuCr合金制造方法的不足之處，本發明的目的在于采用放電等離子燒結技術，通過改善模具結構，改善電流密度分布并優化燒結工藝參數，提供一種大尺寸高致密度高均勻性的CuCr合金的制造方法，以提升我國真空觸頭材料的品質。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明大尺寸高致密度高均勻性的CuCr合金的制造方法，其特點在于：將由Cu粉和Cr粉混合而成的CuCr混合粉末，放入石墨模具中預壓，然后再置于放電等離子燒結系統中，施加軸向壓力的同時在10～50℃/min以梯級升溫方式加熱至800～880℃，保溫2～8min，對CuCr混合粉末進行固結成形，即獲得大尺寸高致密度高均勻性的CuCr合金圓柱錠。具體包括如下步驟：

步驟1、選用氧含量低于500ppm、粒徑不大于200目的金屬Cu粉；選用氧含量低于800ppm、粒徑在80目～240目之間的金屬Cr粉；

根據所需CuCr合金的成分，稱取Cu粉和Cr粉，采用機械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；根據所需產品尺寸，稱取一定量的CuCr混合粉末備用；

步驟2、將稱重好的CuCr混合粉末裝填進石墨模具內；采用手動液壓機對裝好CuCr混合粉末的石墨模具進行預壓，壓力為8～12MPa；

步驟3、在裝好CuCr混合粉末的石墨模具外圍裹上4～6mm厚的碳氈，然后將其置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流，對CuCr混合粉末進行固結成形，工藝條件為：

軸向壓力為10～60MPa；

升溫速率為10～50℃/min；

燒結溫度為800～880℃；

保溫時間為2～8min；

隨爐冷卻后即獲得大尺寸高致密度高均勻性的CuCr合金圓柱錠，其直徑不小于50mm，長徑比為0.04～1.0。

本發明所用石墨模具包括石墨陰模、石墨內襯套和兩個壓頭(分別作為上壓頭和下壓頭)，所述壓頭的外圓柱面上對稱設置有若干沿軸向貫穿的排氣槽，所述壓頭的上端面設置有散熱盲孔。

所述燒結溫度優選為820～860℃；保溫時間優選為3～5min；軸向壓力優選為20～40MPa；所述升溫速率在室溫至300℃區間優選為10～20℃/min，300℃以上優選為30～50℃/min。

本發明的有益效果體現在：

1、本發明通過改進模具結構，改善電流密度分布，加快粉末坯體中的氣體排放，采用放電等離子燒結技術實現了大尺寸、高致密度、組織成分均勻的CuCr合金圓柱錠的批量成形，工藝簡單，周期短，生產效率高；所得CuCr合金經后續少量加工即可成品而用作大功率輸變電設備中真空斷路器的零部件，可大幅度提升國內真空觸頭材料的品質。

2、本發明優化了大尺寸CuCr合金的制造工藝，當軸向機械壓力、升溫速率、燒結溫度和保溫時間分別優選為30MPa、15℃/min(≤300℃)和35℃/min(>300℃)、850℃和5min時，更能充分發揮該制造工藝的優勢，獲得致密度大于99.5％且沿軸向和徑向的波動小于0.3％、成分組織均勻的CuCr合金產品。

附圖說明

圖1為本發明所用石墨模具各部件的拆分平面示意圖；

圖2為本發明所用石墨模具中壓頭的立體結構示意圖；

圖3為本發明所用石墨模具組裝后的剖面圖；

圖4為本發明實施例1所得CuCr合金產品的SEM圖；

圖中標號：1為石墨陰模，2為石墨內襯套，3為壓頭，3a為排氣槽，3b為散熱盲孔，4為CuCr混合粉末。

具體實施方式

通過如下實施例對本發明作進一步說明，但本發明的實施方式不僅限于此。

在下述實施例中選用氧含量低于500ppm、粒徑不大于200目的金屬Cu粉，選用氧含量低于800ppm、粒徑在80目～240目之間的金屬Cr粉；

下述實施例所用石墨模具的結構示意圖如圖1～3所示，其包括石墨陰模1、石墨內襯套2和兩個壓頭3(分別作為上壓頭和下壓頭)，壓頭的外圓柱面上對稱設置有若干沿軸向貫穿的排氣槽3a，壓頭的上端面設置有散熱盲孔3b。排氣槽為半圓柱形，共8個，呈米字型均勻分布在壓頭外圓柱面。散熱盲孔的深度占壓頭總高度的1/3～2/3。使用時，將石墨內襯套置于石墨陰模中，再將下壓頭(散熱盲孔朝下)置于石墨內襯套中，然后將CuCr混合粉末4裝填到石墨內襯套中，最后將上壓頭(散熱盲孔朝上)置于內襯套內。石墨模具的尺寸由燒結樣品的尺寸決定。

所用放電等離子燒結爐為日本Sinter Land Inc.公司生產的LABOX-6020放電等離子燒結系統，其電流類型為直流脈沖電流，脈沖序列為40:7。

實施例1

本實施例的大尺寸CuCr合金按如下步驟進行：

步驟1、分別稱取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用機械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；稱取3.35kg CuCr混合粉末用于燒結；

步驟2、將稱重好的CuCr混合粉末裝填進石墨模具內；采用手動液壓機對裝好CuCr混合粉末的石墨模具進行預壓，壓力為～10MPa；

步驟3、在裝好CuCr混合粉末的石墨模具外圍裹上～5mm厚的碳氈，然后將其置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流，對CuCr混合粉末進行固結成形，工藝條件為：

軸向壓力為30MPa；

升溫速率為15℃/min(≤300℃)和35℃/min(>300℃)；

燒結溫度為850℃；

保溫時間為5min；

隨爐冷卻后即獲得Φ80mm×80mm的CuCr合金圓柱錠，其密度為8.31g/cm³(致密度為99.6％)，致密度沿軸向和徑向的波動小于0.3％。其SEM圖如圖4所示，可以看出產品成分均勻，組織細小均勻。

實施例2

本實施例的大尺寸CuCr合金按如下步驟進行：

步驟1、分別稱取Cu粉14.0kg、Cr粉6.0kg，采用機械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；稱取5.66kg CuCr混合粉末用于燒結；

步驟2、將稱重好的CuCr混合粉末裝填進石墨模具內；采用手動液壓機對裝好CuCr混合粉末的石墨模具進行預壓，壓力為～10MPa；

步驟3、在裝好CuCr混合粉末的石墨模具外圍裹上～5mm厚的碳氈，然后將其置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流，對CuCr混合粉末進行固結成形，工藝條件為：

軸向壓力為60MPa；

升溫速率為10℃/min(≤300℃)和30℃/min(>300℃)；

燒結溫度為800℃；

保溫時間為8min；

隨爐冷卻后即獲得Φ120mm×60mm的CuCr合金圓柱錠，其密度為8.28g/cm³(致密度為99.3％)，致密度沿軸向和徑向的波動小于0.6％，成分均勻，組織細小均勻。

實施例3

本實施例的大尺寸CuCr合金按如下步驟進行：

步驟1、分別稱取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用機械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；稱取655g CuCr混合粉末用于燒結；

步驟2、將稱重好的CuCr混合粉末裝填進石墨模具內；采用手動液壓機對裝好CuCr混合粉末的石墨模具進行預壓，壓力為～10MPa；

步驟3、在裝好CuCr混合粉末的石墨模具外圍裹上～5mm厚的碳氈，然后將其置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至5Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對CuCr混合粉末進行固結成形，工藝條件為：

軸向壓力為10MPa；

升溫速率為20℃/min(≤300℃)和50℃/min(>300℃)；

燒結溫度為880℃；

保溫時間為2min；

隨爐冷卻后即獲得Φ100mm×10mm的CuCr合金圓柱錠，其密度為8.29g/cm³(致密度為99.4％)，致密度沿軸向和徑向的波動小于0.5％，成分均勻，組織細小均勻。

實施例4

本實施例的大尺寸CuCr合金按如下步驟進行：

步驟1、分別稱取Cu粉7.0kg、Cr粉3.0kg，采用機械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；稱取78.6g CuCr混合粉末用于燒結；

步驟2、將稱重好的CuCr混合粉末裝填進石墨模具內；采用手動液壓機對裝好CuCr混合粉末的石墨模具進行預壓，壓力為～10MPa；

步驟3、在裝好CuCr混合粉末的石墨模具外圍裹上～5mm厚的碳氈，然后將其置于放電等離子燒結系統的爐膛中，抽真空至5Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對CuCr混合粉末進行固結成形，工藝條件為：

軸向壓力為20MPa；

升溫速率為20℃/min(≤300℃)和50℃/min(>300℃)；

燒結溫度為840℃；

保溫時間為3min；

隨爐冷卻后即獲得Φ50mm×30mm的CuCr合金圓柱錠，其密度為8.30g/cm³(致密度為99.5％)，致密度沿軸向和徑向的波動小于0.4％，成分均勻、組織細小均勻。