一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法
阅读说明：本技术 一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法 (Short circuit control method for molten drops in vacuum consumable arc melting ) 是由 李鹏 王文斌 王海龙 王小军 刘凯 张石松 李刚 师晓云 屈晓鹏 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法,S1混料：按质量配比称取铜粉和铬粉混合；S2压制：将混合粉末压制出合金棒料；S3烧结：将合金棒料放入真空烧结炉中烧结；S4电弧熔炼：将合金棒料放入真空自耗炉中,合金棒料上端接电极杆,下端延伸至水冷铜模底部,施加电压进行熔炼,熔炼电流为2-4KA,熔滴滴数为0.1-0.7d/S,水冷铜模外侧缠绕有线圈,线圈会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉轴向向上的纵向稳弧磁场,本发明通过短路控制的高温电弧使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,通过控制熔滴数来控制熔炼速度,并配合快速冷却实现铜铬合金铸锭凝固,得到均匀细小的铜铬合金,无气孔、富集等宏观微观缺陷。(The invention discloses a short-circuit control method for a molten drop in vacuum consumable arc melting, which comprises the following steps of S1: weighing copper powder and chromium powder according to the mass ratio and mixing; s2 pressing: pressing the mixed powder into an alloy bar; s3 sintering: placing the alloy bar stock into a vacuum sintering furnace for sintering; s4 arc melting: the alloy bar is put into a vacuum consumable electrode furnace, the upper end of the alloy bar is connected with an electrode rod, the lower end of the alloy bar extends to the bottom of a water-cooling copper mould, voltage is applied to carry out smelting, the smelting current is 2-4KA, the number of molten drops is 0.1-0.7d/S, a coil is wound on the outer side of the water-cooling copper mould, and the coil can generate a longitudinal stable arc magnetic field which is upward along the axial direction of the vacuum consumable electrode furnace in the smelting process.)
技术领域
本发明涉及由金属粉末制造制品
技术领域
，具体是涉及一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法。背景技术
铜铬合金材料的显微组织对触头材料的电性能有显著影响，在铜基体上均匀分布的铬颗粒有利于提高触头材料的开断、耐压、抗熔焊等使用性能，在自耗过程中的高温电弧有利于降低材料中的气体和杂质含量，显著提高了真空灭弧室综合电性能。
目前制备铜铬触头材料的几种商业化产品中，真空自耗电弧熔炼工艺制备的铜铬触头材料具有铬在铜中均匀分布的特征，并且高温电弧可以改善和提纯铜铬合金材料，因而显著的改善灭弧室的电性能，真空自耗电弧熔炼工艺制备的铜铬系列触头材料是综合电性能最好的触头材料。
但真空自耗电弧熔炼工艺制备铜铬系列材料时在自耗电极棒熔炼过程中，通常采用弧压控制的方式对熔炼过程进行控制，即：通过控制熔炼过程中的电压来控制电极棒与熔池之间的间隙，但当电极棒致密度差异性较大或电极棒尺寸不均匀、原材料质量存在较大差异性时会导致熔炼过程中存在较大的电压波动，从而导致熔池温度发生改变，容易在铸锭中出现气孔、富集等现象。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法。
本发明的技术方案是：
一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法，包括以下步骤：
S1、混料：称取一定量的铜粉和铬粉，按质量百分比计为Cu：Cr＝60-75wt％：25-40wt％，放入混料机中混合4.5-8.5h；
S2、压制：将混合粉末放入冷等静压机中以150-300Mpa的压力压制，保压时间为1-10min，制出长度800mm、外径60-80mm的合金棒料；
S3、烧结：将压制的合金棒料放入真空烧结炉中，在700-1020℃的温度下烧结10-35h；
S4、电弧熔炼：将烧结后的合金棒料放入真空自耗炉中，合金棒料上端接电极杆，合金棒料下端延伸至真空自耗炉内设有的水冷铜模底部，关闭炉门后使用位于所述真空自耗炉一侧的真空泵将真空自耗炉内抽真空，随后充入惰性保护气体，在真空自耗炉底部施加电压进行熔炼，起弧电流为2KA，在熔炼3min后切换至熔滴控制模式进行熔炼，熔滴控制模式的熔炼电流为2-4KA，熔滴滴数为0.1-0.7d/S，水冷铜模外侧缠绕有线圈，所述线圈会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉轴向向上的纵向稳弧磁场，所述稳弧磁场强度为200-800Gs。
进一步地，所述步骤S1混料中在混合时先分别同时加入一半重量的铜粉和铬粉混合2-6h，然后再同时加入剩余的铜粉和铬粉，混合2.5h至混合均匀，使混合更加充分粉料更为均匀。
进一步地，所述步骤S4电弧熔炼中惰性保护气体为纯度99.9％的氩气或氮气，充入惰性保护气体的压力为90mbar-200mbar，惰性气体用于隔绝空气，同时其化学性质不活泼，不会产生额外反应。
进一步地，所述步骤S4电弧熔炼中线圈为80-120匝。
进一步地，所述步骤S4电弧熔炼中真空自耗炉顶部设有开口，所述电极杆穿过所述开口后与伺服电机的输出端连接，所述伺服电机通过PLC控制器控制，电弧熔炼过程中的熔炼电流、熔滴滴数和稳弧磁场均通过所述PLC控制器控制。
进一步地，所述真空自耗炉底部设有可转动的水箱，所述水箱底部设有能够与水箱相对转动的固定盘，所述水冷铜模外套设有液氮冷却管，所述液氮冷却管包括两组对称于水冷铜模设置的若干弧形管、用于连接所述弧形管的连接管和用于连通两组弧形管的圆管，所述圆管位于水冷铜模上部，液氮冷却管的输入管和输出管均与所述固定盘连接，所述输入管和输出管分别与两组弧形管连接，弧形管、连接管和圆管的截面均为半圆形且均与水冷铜模焊接连接，通过液氮冷却管能够提高对水冷铜模的冷却降温效果。
进一步地，所述弧形管、连接管和圆管的材料由内至外依次为铜，陶瓷和镀铜层，其中最内层铜的厚度占整个管壁厚度的38-45％，中间层陶瓷的厚度占整个管壁厚度的48-55％，余量为镀铜层，通过内层的铜能够与水冷铜模焊接密封牢固，同时设有的陶瓷层能够起到很好的保温效果，减少液氮的消耗，也能够对线圈起到一定的保护作用。
进一步地，所述线圈缠绕设置于两组弧形管之间，线圈与所述连接管垂直设置，能够使线圈产生的稳弧磁场功率最大化。
进一步地，所述固定盘通过其侧壁凸起设置的限位块与水箱底部的限位环槽转动连接，使水箱在转动的过程中不会使固定盘随之转动。
进一步地，所述输入管和输出管两侧的固定盘上设有进水口，所述水箱上部两侧设有出水口，建立水冷却循环。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在短路控制的高温电弧作用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，通过PLC控制器对整个熔炼过程进行控制，主要通过控制熔滴数来控制熔炼速度，并配合外围快速的冷却速率实现铜铬合金铸锭的凝固，得到均匀细小的铜铬合金组织，可用作电触头材料，材料无气孔、疏松、夹杂、无铜、铬富集等宏观微观缺陷，并且铜铬显微组织结构小于30um。
(2)本发明采用外侧缠绕线圈的方式在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉轴向向上的纵向稳弧磁场，对熔炼过程中的金属熔池进行搅拌，使金属熔液得到充分混合，同时该纵向磁场的存在还会对电弧进行一定程度的压缩，防止电弧与坩埚之间发生电弧放电而引发安全事故。
(3)本发明使用液氮冷却管通入液氮的冷却方式能够对水冷铜模进行高效快速降温，更有利于铜铬合金铸锭的快速凝固，得到的合金不会出现气孔、富集等现象，同时液氮冷却管的材质也能够对线圈及水冷铜模起到一定保护作用。
附图说明
图1是本发明实施例1中熔滴短路控制下CuCr40％产品金相图；
图2是本发明实施例2中熔滴短路控制下CuCr35％产品金相图；
图3是本发明对比例中电弧熔炼电压波动引起的组织富集现象；
图4是本发明的真空自耗炉内部结构示意图；
图5是本发明的液氮冷却管结构示意图；
图6是本发明的弧形管、连接管和圆管内部材料构成示意图。
其中，1-真空自耗炉，11-开口，12-真空泵，2-电极杆，3-合金棒料，4-水冷铜模，5-线圈，6-PLC控制器，61-伺服电机，7-水箱，71-限位环槽，72-出水口，8-固定盘，81-限位块，82-进水口，9-液氮冷却管，91-弧形管，92-连接管，93-圆管，94-输入管，95-输出管。
具体实施方式
实施例1
一种真空自耗电弧熔炼熔滴短路控制方法，包括以下步骤：
S1、混料：称取一定量的铜粉和铬粉，按质量百分比计为Cu：Cr＝60wt％：40wt％，放入混料机中混合4.5h，在混合时先分别同时加入一半重量的铜粉和铬粉混合2h，然后再同时加入剩余的铜粉和铬粉，混合2.5h至混合均匀；
S2、压制：将混合粉末放入冷等静压机中以300Mpa的压力压制，保压时间为10min，制出长度800mm、外径80mm的合金棒料3；由于铬含量较高因此压制时压力选用较大压力以及较长的保压时间；
S3、烧结：将压制的合金棒料3放入真空烧结炉中，在1020℃的温度下烧结35h；由于铬含量较高因此烧结温度需要较高温度；
S4、电弧熔炼：将烧结后的合金棒料3放入真空自耗炉1中，合金棒料3上端接电极杆2，合金棒料3下端延伸至真空自耗炉1内设有的水冷铜模4底部，关闭炉门后使用位于真空自耗炉1一侧的真空泵12将真空自耗炉1内抽真空，随后充入惰性保护气体，惰性保护气体为纯度99.9％的氩气，充入惰性保护气体的压力为200mbar，在真空自耗炉1底部施加电压进行熔炼，起弧电流为2KA，在熔炼3min后通过PLC控制器6切换至熔滴控制模式进行熔炼，熔滴控制模式的熔炼电流为2KA，熔滴滴数为0.1d/S，水冷铜模4外侧缠绕有线圈5，线圈5为80匝，线圈5会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉1轴向向上的纵向稳弧磁场，稳弧磁场强度为200Gs，真空自耗炉1顶部设有开口11，电极杆2穿过开口11后与伺服电机61的输出端连接，伺服电机61为市售AKM2G伺服电机，伺服电机61通过PLC控制器6控制，电弧熔炼过程中的熔炼电流、熔滴滴数和稳弧磁场均通过PLC控制器6控制。PLC控制器为市售冶金用BT-GLKZ-2X PLC智能锅炉控制器系统。当PLC控制器6控制伺服电机61将电极杆2以及合金棒料3送至指定位置后开口11处即密封，防止惰性气体外泄。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于原材料配比不同，从而压制参数与烧结参数随之不同。
S1、混料：称取一定量的铜粉和铬粉，按质量百分比计为Cu：Cr＝65wt％：35wt％，放入混料机中混合6.5h，在混合时先分别同时加入一半重量的铜粉和铬粉混合4h，然后再同时加入剩余的铜粉和铬粉，混合2.5h至混合均匀；
S2、压制：将混合粉末放入冷等静压机中以200Mpa的压力压制，保压时间为5min，制出长度800mm、外径70mm的合金棒料3；由于较实施例1相比铬含量降低因此适当降低压制压力以及保压时间；
S3、烧结：将压制的合金棒料3放入真空烧结炉中，在900℃的温度下烧结20h；由于铬含量较实施例1相比降低因此适当降低烧结温度。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于原材料配比不同，从而压制参数与烧结参数随之不同。
S1、混料：称取一定量的铜粉和铬粉，按质量百分比计为Cu：Cr＝75wt％：25wt％，放入混料机中混合8.5h，在混合时先分别同时加入一半重量的铜粉和铬粉混合6h，然后再同时加入剩余的铜粉和铬粉，混合2.5h至混合均匀；
S2、压制：将混合粉末放入冷等静压机中以150Mpa的压力压制，保压时间为1min，制出长度800mm、外径60mm的合金棒料3；由于铜含量较高因此压制时压力选用较小压力以及较短的保压时间；
S3、烧结：将压制的合金棒料3放入真空烧结炉中，在700℃的温度下烧结10h；由于铬含量较低因此烧结温度不需要较高的温度。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤S4电弧熔炼中的熔炼参数不同。
S4、电弧熔炼：将烧结后的合金棒料3放入真空自耗炉1中，合金棒料3上端接电极杆2，合金棒料3下端延伸至真空自耗炉1内设有的水冷铜模4底部，关闭炉门后使用位于真空自耗炉1一侧的真空泵12将真空自耗炉1内抽真空，随后充入惰性保护气体，惰性保护气体为纯度99.9％的氩气，充入惰性保护气体的压力为120mbar，在真空自耗炉1底部施加电压进行熔炼，起弧电流为2KA，在熔炼3min后通过PLC控制器6切换至熔滴控制模式进行熔炼，熔滴控制模式的熔炼电流为3KA，熔滴滴数为0.4d/S，水冷铜模4外侧缠绕有线圈5，线圈5为100匝，线圈5会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉1轴向向上的纵向稳弧磁场，稳弧磁场强度为500Gs。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤S4电弧熔炼中的熔炼参数不同。
S4、电弧熔炼：将烧结后的合金棒料3放入真空自耗炉1中，合金棒料3上端接电极杆2，合金棒料3下端延伸至真空自耗炉1内设有的水冷铜模4底部，关闭炉门后使用位于真空自耗炉1一侧的真空泵12将真空自耗炉1内抽真空，随后充入惰性保护气体，惰性保护气体为纯度99.9％的氮气，充入惰性保护气体的压力为90mbar，在真空自耗炉1底部施加电压进行熔炼，起弧电流为2KA，在熔炼3min后通过PLC控制器6切换至熔滴控制模式进行熔炼，熔滴控制模式的熔炼电流为4KA，熔滴滴数为0.7d/S，水冷铜模4外侧缠绕有线圈5，线圈5为120匝，线圈5会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉1轴向向上的纵向稳弧磁场，稳弧磁场强度为800Gs。
实施例6
本实施例在实施例1的基础上对真空自耗炉1进行了改进，在水冷铜模外增设了液氮冷却管9。
如图4-6所示，真空自耗炉1底部设有可转动的水箱7，水箱7底部设有能够与水箱7相对转动的固定盘8，固定盘8通过其侧壁凸起设置的限位块81与水箱7底部的限位环槽71转动连接，水冷铜模4外套设有液氮冷却管9，液氮冷却管9包括两组对称于水冷铜模4设置的若干弧形管91、用于连接弧形管91的连接管92和用于连通两组弧形管91的圆管93，圆管93位于水冷铜模4上部，液氮冷却管9的输入管94和输出管95均与固定盘8连接，输入管94和输出管95分别与两组弧形管91连接，弧形管91、连接管92和圆管93的截面均为半圆形且均与水冷铜模4焊接连接，线圈5缠绕设置于两组弧形管91之间，线圈5与连接管92垂直设置，弧形管91、连接管92和圆管93的材料由内至外依次为铜，陶瓷和镀铜层，其中最内层铜的厚度占整个管壁厚度的38％，中间层陶瓷的厚度占整个管壁厚度的55％，余量为镀铜层，输入管94和输出管95两侧的固定盘8上设有进水口82，水箱7上部两侧设有出水口72。
应用上述真空自耗炉完成步骤S4真空熔炼的工作原理为：
S4、电弧熔炼：将烧结后的合金棒料3放入真空自耗炉1中，合金棒料3上端接电极杆2，合金棒料3下端延伸至真空自耗炉1内设有的水冷铜模4底部，PLC控制器6控制伺服电机61将电极杆2以及合金棒料3送至指定位置后开口11处即密封真空自耗炉1，通过关闭炉门后使用位于真空自耗炉1一侧的真空泵12将真空自耗炉1内抽真空，随后充入惰性保护气体，惰性保护气体为纯度99.9％的氩气，充入惰性保护气体的压力为200mbar，水冷铜模4外侧缠绕有线圈5，线圈5为80匝，线圈5均布缠绕在每组连接管92外侧；
在真空自耗炉1底部施加电压进行熔炼，熔炼电流为2KA，熔滴滴数为0.1d/S，线圈5会在熔炼过程中产生一个沿真空自耗炉1轴向向上的纵向稳弧磁场，稳弧磁场强度为200Gs，同时使用水冷和液氮冷却进行快速冷凝，液氮由输入管94进入液氮冷却管9内，经由弧形管91和连接管92上升完成对一侧水冷铜模4的冷却，随后液氮由圆管93进入到另一侧液氮冷却管9内完成对另一侧水冷铜模4的冷却，最后由输出管95排出；
将冷却水由固定盘8上的进水口82注入水箱7内部，完成对水冷铜模4的进一步冷却，冷却后的冷却水由水箱7的排水口72排出，在水冷过程中转动水箱7，使冷却效果更加充分，水箱7为圆柱体设置且顶部与真空自耗炉1转动密封连接，在转动的过程中固定盘8上设有的限位块81与水箱7底部的限位环槽71发生相对转动，使水箱7在转动过程中不会使固定盘8随之一起转动，固定盘8始终保持固定，以便输入管94和进水口82持续注入。
实施例7
本实施例与实施例6基本相同，其不同之处在于弧形管91、连接管92和圆管93的材料配比不同。
最内层铜的厚度占整个管壁厚度的45％，中间层陶瓷的厚度占整个管壁厚度的48％，余量为镀铜层。
实施例8
本实施例与实施例6基本相同，其不同之处在于弧形管91、连接管92和圆管93的材料配比不同。
最内层铜的厚度占整个管壁厚度的40％，中间层陶瓷的厚度占整个管壁厚度的50％，余量为镀铜层。
对比例
作为对比，在对比例中采用与实施例1相同的材料，而采用常规弧压控制的方式对熔炼过程进行控制，即：通过控制熔炼过程电压来控制电极棒与熔池之间的间隙。
实验例
对实施例1-6以及对比例中的方法制备得到的铜铬合金进行强度测试，测试结果如下所示：
实施例1-6中制备的铜铬合金性能
由此可以看出，实施例1-6中的方法制备得到的铜铬合金在硬度和导电率上都远远优于对比例中制备得到的铜铬合金，这是因为在对比例中使用的熔炼方法中是通过弧压控制的方式对熔炼过程进行控制，如图3所示，电极棒致密度差异性较大或电极棒尺寸不均匀、原材料质量存在较大差异性时会导致在熔炼过程中存在较大的电压波动，导致熔池温度发生改变，从而在铸锭中出现气孔、富集等现象。
对比实施例1-3的结果可以看出，原材料配比不同，铜铬质量百分比含量不同，所制备得到的铜铬合金性能不同，但实施例1-3均维持在较高的质量水平，在实际生产中可根据需要选用不同的铜铬质量配比；
如图1所示，实施例1的方法制备得到的CuCr40％合金金相组织完整，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。
如图2所示，实施例2的方法制备得到的CuCr35％合金同样金相组织完整，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。
对比实施例1、4、5的结果可以看出，改变步骤S4电弧熔炼中的熔炼参数对铜铬合金的性能有一定影响，其中，实施例4中的熔炼参数得到的铜铬合金性能最优，熔炼电流为3KA，熔滴滴数为0.4d/S，线圈5的匝数为100匝。
对比实施例1和6的结果可以看出，使用了改进后的真空自耗炉1以及强化冷却后制备得到的铜铬合金在硬度和电导率上均有所提升，说明使用液氮冷却配合水冷降温更加有利于铸锭的冷凝，除气孔效果更优。
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