一种用作真空开关的触头材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及触头材料技术领域，尤其涉及一种用作真空开关的触头材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着国民经济的发展和社会的不断进步，能源基础工业得到迅速提高，真空开关设备的使用量越来越多，已成为中高压开关电器的主要发展方向。真空开关的分断能力、熔焊性、电寿命及截止电流水平是其主要性能，而这些性能在很大程度上是由触头材料决定。特别是真空开关在开断高电压，大电流等级时对触头材料的依赖性较大，触头材料的性能是决定成功开断的关键因素。
3.理想的用作真空开关的触头材料应当具有高的电流开断能力，低的截留值，较好的电压承受能力，低而稳定的接触电阻和温升，较高的耐磨和抗熔焊能力。cu-cr合金是目前世界上公认的可以满足真空开关基本要求的最佳触头材料之一，其耐电压高，分断容量大，吸气能力、抗电弧熔蚀性以及载流能力强。然而，其抗熔焊性有待进一步提高，现有的制备方法生产的cu-cr合金或多或少存在质量不理想、生产效率低、制备工艺复杂，生产周期长且成本高等技术缺陷。
4.为了解决上述问题，授权公告号为cn101402137b的中国发明专利公布了一种采用真空熔法制备cucr40触头材料的方法，该方法主要是采用铜和铬在真空条件下熔铸成为cucr40触头材料。该触头成分只有铜和铬两种元素，不含其他第三相元素。主要用于12kv和40.5kv电压等级中，不适用于现有发展的低触头压力真空灭弧室中。且该材料依然存在大量的缺陷，如材料致密度较低，cr在铜基体上分布不均匀易出现宏观偏析等，这些缺陷的存在降低了其应用的真空开关运行的可靠性。
5.因此，开发一种致密度高，均匀性好，结合强度大，杂质含量低，抗熔焊性能足，稳定性佳，能有效地提高真空开关的可靠性的用作真空开关的触头材料及其制备方法符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进触头材料领域的发展具有非常重要的意义。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种致密度高，均匀性好，结合强度大，杂质含量低，抗熔焊性能足，稳定性佳，能有效地提高真空开关的可靠性的用作真空开关的触头材料及其制备方法。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 15-30份、cu 50-60份、稀土元素0.05-0.12份、hf 0.1-0.2份、re 0.01-0.02份、v 0.01-0.03份、mn 0.03-0.05份、ag 0.01-0.03份、ga 0.04-0.06份、in 0.01-0.03份。
8.优选的，所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.1-0.5份。
9.优选的，所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米三氧化钨0.01-0.03份。
10.优选的，所述稀土元素为sc、y、ce按质量比(0.8-1.2):1:(1-3)混合形成的混合物。
11.优选的，所述纳米硼化锆的粒径为30-80nm；所述纳米三氧化钨的粒径为20-60nm。
12.本发明的另一个目的，在于提供一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
13.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650-750℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
14.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
15.优选的，步骤s1中所述冶炼的温度为1280℃-1330℃。
16.优选的，步骤s2中所述热加工的温度为920～960℃，保温时间为1～3h。
17.优选的，步骤s2中所述固溶处理的温度为930-990℃，时间为1-2h。
18.优选的，步骤s2中所述冷加工变形的变形量为35-50％。
19.优选的，步骤s2中所述时效处理的温度为460-530℃，时效时间为1.5-4.5h。
20.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
21.(1)本发明公开的用作真空开关的触头材料的制备方法，工艺简单，操作方便，制备效率和成品合格率高，对设备依赖性小，适于连续规模化生产，易于推广应用。
22.(2)本发明公开的用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 15-30份、cu 50-60份、稀土元素0.05-0.12份、hf 0.1-0.2份、re 0.01-0.02份、v 0.01-0.03份、mn0.03-0.05份、ag 0.01-0.03份、ga 0.04-0.06份、in 0.01-0.03份；通过各组分直接的相互配合共同作用，使得制成的触头材料致密度高，均匀性好，结合强度大，杂质含量低，抗熔焊性能足，稳定性佳，能有效地提高真空开关的可靠性。
23.(3)本发明公开的用作真空开关的触头材料，还包括：纳米硼化锆0.1-0.5份、纳米三氧化钨0.01-0.03份，它们均匀弥散分布于材料基体中，抑制了柱状晶的生成，改善了宏观偏析，降低脆性相的形成，与其它组分配合作用，能改善致密度，提高抗熔焊性能和性能稳定性，进而进一步提高真空开关的可靠性。
24.(4)本发明公开的用作真空开关的触头材料，通过熔炼、热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理工艺参数的合理选取，使得制成的触头材料夹杂物少和气含量低，进而提高了触头材料的综合性能和性能稳定性，延长了其使用寿命。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。
26.实施例1
27.一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 15份、cu 50
份、稀土元素0.05份、hf 0.1份、re 0.01份、v 0.01份、mn 0.03份、ag 0.01份、ga 0.04份、in 0.01份。
28.所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.1份、纳米三氧化钨0.01份。
29.所述稀土元素为sc、y、ce按质量比0.8:1:1混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为80nm；所述纳米三氧化钨的粒径为60nm。
30.一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
31.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
32.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
33.步骤s1中所述冶炼的温度为1280℃；步骤s2中所述热加工的温度为920℃，保温时间为1h；步骤s2中所述固溶处理的温度为930℃，时间为1h；步骤s2中所述冷加工变形的变形量为35％；步骤s2中所述时效处理的温度为460℃，时效时间为1.5h。
34.实施例2
35.一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 20份、cu 52份、稀土元素0.07份、hf 0.13份、re 0.013份、v 0.015份、mn 0.035份、ag 0.015份、ga 0.045份、in 0.015份。
36.所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.2份、纳米三氧化钨0.015份；所述稀土元素为sc、y、ce按质量比0.9:1:1.5混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为60nm；所述纳米三氧化钨的粒径为50nm。
37.一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
38.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到670℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
39.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
40.步骤s1中所述冶炼的温度为1290℃；步骤s2中所述热加工的温度为930℃，保温时间为1.5h；步骤s2中所述固溶处理的温度为950℃，时间为1.2h；步骤s2中所述冷加工变形的变形量为39％；步骤s2中所述时效处理的温度为470℃，时效时间为2h。
41.实施例3
42.一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 22份、cu 55份、稀土元素0.09份、hf 0.15份、re 0.015份、v 0.02份、mn 0.04份、ag 0.02份、ga 0.05份、in 0.02份。
43.所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.35份、纳米三氧化钨0.02份；
所述稀土元素为sc、y、ce按质量比1:1:2混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为50nm；所述纳米三氧化钨的粒径为40nm。
44.一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
45.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650-750℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
46.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
47.步骤s1中所述冶炼的温度为1300℃；步骤s2中所述热加工的温度为940℃，保温时间为2h；步骤s2中所述固溶处理的温度为960℃，时间为1.5h；步骤s2中所述冷加工变形的变形量为43％；步骤s2中所述时效处理的温度为500℃，时效时间为3h。
48.实施例4
49.一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 25份、cu 58份、稀土元素0.11份、hf 0.18份、re 0.018份、v 0.025份、mn 0.045份、ag 0.025份、ga 0.055份、in 0.025份。
50.所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.45份、纳米三氧化钨0.025份；所述稀土元素为sc、y、ce按质量比1.1:1:2.5混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为40nm；所述纳米三氧化钨的粒径为30nm。
51.一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
52.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650-750℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
53.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
54.步骤s1中所述冶炼的温度为1320℃；步骤s2中所述热加工的温度为950℃，保温时间为2.5h；步骤s2中所述固溶处理的温度为970℃，时间为1.8h；步骤s2中所述冷加工变形的变形量为48％；步骤s2中所述时效处理的温度为520℃，时效时间为4h。
55.实施例5
56.一种用作真空开关的触头材料，由如下按重量份计的各组分组成：cr 30份、cu 60份、稀土元素0.12份、hf 0.2份、re 0.02份、v 0.03份、mn 0.05份、ag 0.03份、ga 0.06份、in 0.03份。
57.所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.5份、纳米三氧化钨0.03份；所述稀土元素为sc、y、ce按质量比1.2:1:3混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为30nm；所述纳米三氧化钨的粒径为20nm。
58.一种所述用作真空开关的触头材料的制备方法，包括如下步骤：
59.步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650-750℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；
60.步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。
61.步骤s1中所述冶炼的温度为1330℃；步骤s2中所述热加工的温度为960℃，保温时间为3h；步骤s2中所述固溶处理的温度为990℃，时间为2h；步骤s2中所述冷加工变形的变形量为50％；步骤s2中所述时效处理的温度为530℃，时效时间为4.5h。
62.对比例1
63.一种用作真空开关的触头材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加hf、ga和纳米硼化锆。
64.对比例2
65.一种用作真空开关的触头材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加re、in和纳米三氧化钨。
66.为了进一步说明本发明各实施例产品取得的预期不到的积极技术效果，对各例制成的用作真空开关的触头材料采用我国现行国标或行业内常规测试方法对产品电导率、硬度、氧含量和氮含量进行检测，测试结果见表1。
67.表1
68.项目电导率(ms/m)硬度(hb)氧含量(ppm)氮含量(ppm)实施例1301202310实施例233122209实施例334125197实施例436126144实施例538128112对比例1261124616对比例2241154214
69.从表1可以看出，本发明实施例公开的用作真空开关的触头材料，与对比例产品相比，具有更优异的导电性和机械力学性能，且含杂质气体量低。hf、ga、纳米硼化锆、re、in和纳米三氧化钨的加入对改善上述性能有益。
70.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用作真空开关的触头材料，其特征在于，由如下按重量份计的各组分组成：cr 15-30份、cu 50-60份、稀土元素0.05-0.12份、hf 0.1-0.2份、re 0.01-0.02份、v 0.01-0.03份、mn0.03-0.05份、ag 0.01-0.03份、ga 0.04-0.06份、in 0.01-0.03份。2.如权利要求1所述的用作真空开关的触头材料，其特征在于，所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米硼化锆0.1-0.5份。3.如权利要求2所述的用作真空开关的触头材料，其特征在于，所述用作真空开关的触头材料还包括：纳米三氧化钨0.01-0.03份。4.如权利要求1所述的用作真空开关的触头材料，其特征在于，所述稀土元素为sc、y、ce按质量比(0.8-1.2):1:(1-3)混合形成的混合物。5.如权利要求3所述的用作真空开关的触头材料，其特征在于，所述纳米硼化锆的粒径为30-80nm；所述纳米三氧化钨的粒径为20-60nm。6.一种如权利要求1-5任一项所述用作真空开关的触头材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、熔炼：将原料cu、cr-cu中间合金、稀土元素-cu中间合金、hf-cu中间合金、re-cu中间合金、v-cu中间合金、mn-cu中间合金、ag-cu中间合金、ga-cu中间合金和in-cu中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到650-750℃的纳米硼化锆、纳米三氧化钨掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇铸得铸锭；步骤s2、后处理：将经过步骤s1制成的铸锭依次进行热加工、固溶处理、冷加工变形和时效处理，得到用作真空开关的触头材料。7.如权利要求6所述用作真空开关的触头材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述冶炼的温度为1280℃-1330℃。8.如权利要求6所述用作真空开关的触头材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述热加工的温度为920～960℃，保温时间为1～3h；所述固溶处理的温度为930-990℃，时间为1-2h。9.如权利要求6所述用作真空开关的触头材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述冷加工变形的变形量为35-50％。10.如权利要求6所述用作真空开关的触头材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述时效处理的温度为460-530℃，时效时间为1.5-4.5h。

技术总结
本发明提供了一种用作真空开关的触头材料及其制备方法，涉及触头材料技术领域，由如下按重量份计的各组分组成：Cr 15-30份、Cu 50-60份、稀土元素0.05-0.12份、Hf 0.1-0.2份、Re 0.01-0.02份、V 0.01-0.03份、Mn 0.03-0.05份、Ag 0.01-0.03份、Ga 0.04-0.06份、In 0.01-0.03份、纳米硼化锆0.1-0.5份、纳米三氧化钨0.01-0.03份。该材料致密度高，均匀性好，结合强度大，杂质含量低，抗熔焊性能足，稳定性佳，能有效地提高真空开关的可靠性。能有效地提高真空开关的可靠性。


技术研发人员：李飞 陈文婷
受保护的技术使用者：江苏爱斯凯电气有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/13