一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法技术

本发明专利技术涉及合金触头制备技术领域，具体是涉及一种采用电磁‑超声悬浮熔炼制备CuCr‑MgBi触头材料的方法，具体为过配料→装炉→超声波悬浮→悬浮加热→悬浮凝固→热锻变形→机械加工的工艺流程，本工艺流程对传统CuCr合金添加微量金属Mg和金属Bi，使得CuCr触头具有更低的截流值和抗拉强度，开断能力更强，同时Mg的加入可以有效脱氧，得到低氧含量的触头；而且本发明专利技术采用电磁‑超声悬浮熔炼技术，突破了坩埚材料的限制，实现了溶体无污染的工业需求，其中使用的快速凝固法，可以大幅度提高Cr元素在Cu中的固溶度，使偏析减少、晶体缺陷密度增加，形成新的亚稳相，从而使成品晶粒细化。

【技术实现步骤摘要】
一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法
本专利技术涉及合金触头制备
，具体是涉及一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法。
技术介绍
CuCr触头是目前公认的真空断路器使用最佳的材料，其在服役过程中承担着关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的角色，但在实际应用过程，仍会出现因为截流值过高造成开断失败、或者触头熔焊无法断开等情况，因此灭弧室厂家一直在追求低截流值、高的抗熔焊性、低气体含量等指标，对于触头材料提出了更高的要求，低的截流值意味着需要选择蒸气压更高的材料，良好的抗熔焊性意味着触头需要具有低气含量、组织抗拉强度低的特性。无容器熔炼和凝固技术是指样品的重力与样品受到的其他不按触的作用力.相平衡，使得样品在熔炼和凝固过程中与其他物体完全无按触。与按触式实验相比，无容器的技术有利于得到高性能的材料。而该技术在CuCr触头的应用上却鲜有报道。因此，亟需一种新型的CuCr触头材料制备技术，用以解决上述提到的问题。
技术实现思路
为了实现以上目的，本专利技术提供了一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法，在Cu、Cr两种主元素的基础上，加入微量的Bi、Mg，使得CuCr触头具有更低的截流值和抗拉强度和气体含量，并且使得触头的截流值更低，开断能力更强；并采用电磁-超声悬浮熔炼技术，突破了坩埚材料的限制，实现了溶体无污染的工业需求。一、技术原理1、真空电磁感应熔炼原理通过电磁感应原理使感磁性较好的材料获得感应电流，达到加热的目的一种技术。电流以一定频率通过环绕在金属材料周围的电磁线圈，变化的电流产生感应磁场，并使得金属内部产生感应电流，并产生大量的热量，用来加热材料。在此过程中，由于整个过程发生在真空环境下，因此，有利于金属内部气体杂质的去除，得到的金属合金材料更加纯粹。在熔化过程中，因为感应熔炼技术的特点，液态的金属材料在坩埚内部由于受到电磁力的相互作用，可以自动实现搅拌，使成分更加均匀。2、电磁悬浮原理电磁悬浮熔炼技术是指将金属样品放在通有高频交流电的感应线圈中，高频交流电在感应线圈中形成高频磁场，金属样品在高频磁场的作用下，在其表面上形成了感应电流，样品内的感应电流与高频磁场相互作用就形成了洛伦兹力。通过合适的配置使洛伦兹力与金属样品的重力相平衡，使金属样品悬浮，与坩埚内壁脱离接触。由于感应电流的作用，金属样品上产生焦耳热，导致其熔融。电磁悬浮装置主要有高频感应加热器、感应线圈、冷却水装置等构成。感应线圈包括绕向相反的两部分：上部的稳定线圈和下部的悬浮线圈。其中悬浮线圈的作用是提供悬浮力和用于加热：稳定线圈用于使样品稳定悬浮，并且可以辅助加热。由于通过感应线圈的交流电频率高达104～105Hz，导电样品可以看做一个完全的导体，导电样品的趋肤效应很明显，此时悬浮力主要由导电样品表面所受的电磁力来提供。3、超声驻波悬浮原理超声波发生器发出电信号，经过换能器把电信号变成声波的振动，经过放大机构的放大后，在辐射端和反射端中间多次叠加就形成了高强驻波，由于高声场强度下的非线性效应，在辐射端和反射端中间就产生了压力节点，样品就可以悬浮在与重力等大反向的压力点处。与此同时，驻波场对样品还有径向的回复力作用，当样品受到轻微扰动时，悬浮样品也可以稳定的悬浮。二、工艺流程1、采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的具体流程(1)配料：称取Cr块、Cu块、CuMg合金块、Bi块作为合金样品，所述合金样品中Cr含量为25～40％、Mg含量为0.05～0.5％(利用Mg的活泼性，有效防止Cu、Cr的氧化，同时还原原材料中的氧元素)、Bi含量为0.005～0.1％。Cu、Cr作为两种主要元素，由于两者互不相溶形成一种假合金，保持了各自良好的特性，有利于提高真空开关的分断能力，经过试验发现，CuMg合金添加后，氧含量下降率了300ppm，提高了触头的耐压能力，CuCr合金加入少量的Bi金属能降低其抗拉强度，当Bi含量在1000ppm时，可使CuCr合金的抗拉强度从380MPa降至110-120MPa，从而可使CuCr合金的抗熔焊性能得到较大的改善。真空灭弧室在开断电流的过程中，触头表面将蒸发出大量的金属蒸汽，大量的金属蒸汽在电弧熄灭后很容易引起触头间隙的重燃。在短路开断试验过程中发现，添加微量金属Bi1000ppm的CuCr合金解决了熔焊的问题带来了耐电压水平和开断能力的下降。调整微量金属Bi含量，由1000ppm调整到100ppm，在短路开断试验中，解决了熔焊间题同时也解决了耐电压水平和开断能力的下降的不良，触头表面烧蚀均匀无熔焊点，最大电流开断电流达到33kA，试验过程中未发生重燃不良现象。(2)装炉：将Cr块、Cu块、CuMg合金块放入密闭容器系统的中空陶瓷支撑杆上；由于的Mg的密度较低，仅为1.74g/cm3，远低于Cu、Cr的密度，为了防止漂浮在熔液上部，必须以CuMg(10-40)合金块的形式加入。将Bi块放入二次加料装置中，此步骤缩短了Bi在熔液中的停留时间，减少了Bi的挥发。(3)超声波悬浮：将所述密闭容器系统抽真空至10-1Pa；打开超声驻波发生器，使样品稳定悬浮。(4)感应加热：打开高频感应加热器，按照10KW、20KW、30KW、40KW的温度梯度进行加热；将功率由10kw逐步升至40kw，其中，功率的上升速率为5～10kw/min。采用梯度加热使得原材料中吸附气体缓慢释放而被真空系统抽出，防止功率过高导致气体大量释放而未被及时抽出导致原材料氧化。①10KW阶段保持1～3min，在此熔炼过程中，密闭容器内靠近悬浮样品区域的温度逐渐升高，导致此处气体媒质密度减小、谐振距离增加，超声悬浮能力减弱，电磁悬浮能力不受影响；但此时电磁悬浮力起主要作用，同时超声悬浮能力的减弱，可通过电控平台调节增加辐射端和反射端之间的距离进行补偿，实现超声驻波和高频电磁的混合悬浮力与样品的重力相平衡。②20KW、30KW阶段各保持1～3min，最后维持在40KW。③待Cu块开始熔化，关闭真空系统，充入-0.03～-0.08Mpa的高纯氩气，随后将加热功率升至45～55KW；随着真空系统关闭，铜的熔化，熔炼系统内铜会开始挥发，导致内部短路故障，通过充入惰性气体，可以抑制铜的挥发；真空度达到该等级，有利于熔炼过程材料内部吸附气体的释放同时减少原材料与氧、氮等元素的接触，降低最终产品的气体含量。④待Cr块、Cu块、CuMg合金块完全熔化，搅拌均匀后采用二次加料的方式将Bi块投入合金熔液中，保温1-2min。(5)悬浮凝固①当合金样品在悬浮状态下冷却凝固时，在冷却凝固过程中，随者高频电源输入功率的减小，电磁悬浮力减小：此时超声悬浮力起主要作用，同时密闭容器内靠近悬浮样品区域的温度逐渐降低，谐振间距减小，可通过电控平台调节减小辐射端和反射端之间距离进行补偿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/nS1：配料：称取Cr块、Cu块、CuMg合金块、Bi块作为合金样品，所述合金样品中Cr含量为25～40％、Mg含量为0.05～0.5％、Bi含量为0.005～0.1％；/nS2：装炉：将Cr块、Cu块、CuMg合金块放入密闭容器系统的中空陶瓷支撑杆上，将Bi块放入二次加料装置中；/nS3：超声波悬浮：将所述密闭容器系统抽真空至10

【技术特征摘要】
1.一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：配料：称取Cr块、Cu块、CuMg合金块、Bi块作为合金样品，所述合金样品中Cr含量为25～40％、Mg含量为0.05～0.5％、Bi含量为0.005～0.1％；
S2：装炉：将Cr块、Cu块、CuMg合金块放入密闭容器系统的中空陶瓷支撑杆上，将Bi块放入二次加料装置中；
S3：超声波悬浮：将所述密闭容器系统抽真空至10-1Pa；打开超声驻波发生器，使样品稳定悬浮；
S4：悬浮加热：打开高频感应加热器，按照10KW、20KW、30KW、40KW的温度梯度进行加热；
S5：悬浮凝固：
S51：当合金样品在悬浮状态下冷却凝固时，调节减少辐射端和反射端之间距离进行悬浮力补偿；
S52：待合金样品冷却凝固1～2min后，将中空陶瓷支撑杆上移开并断电，使CuCr-MgBi合金溶体在重力作用下落入冷水铜模中，实现快速凝固，1h后出炉；
S6：热锻变形：采用热锻工艺将铸锭变形至需要的尺寸，随后进行热处理，保温1.5h；
S7：机械加工：采用机加设备将铸锭按图纸加工为所需的触头形状。


2.如权利要求1所述的一种采用电磁-超声悬浮熔炼制备CuCr-MgBi触头材料的方法，其特征在于，所述步骤S4中，感应加入的具体步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张石松，王小军，刘凯，李鹏，杨斌，师晓云，贺德永，赵俊，王文斌，李刚，
申请(专利权)人：陕西斯瑞新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61