第32卷第1期稀有金屬材料與工程Vol. 32, No. 1003年1月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERINGJanuary 2003W或C添加劑對(duì)優(yōu)化CuCr25合金顯微組織的作用王立彬,張程煜,丁秉鈞(西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710049)摘要采用真空感應(yīng)熔煉法制備CuCr25(W),與Cr25(C)合金 研究不同合金元素W C對(duì)CuCr觸頭微觀組織的影響。研究結(jié)果表明,W和C能夠顯著細(xì)化Cr相晶粒,W對(duì)Cr相晶粒還有球化作用同時(shí)對(duì)Cr相進(jìn)行了強(qiáng)化。使合金整體性能得到提高其中耐電壓強(qiáng)度得到顯著提高。關(guān)鍵詞:CuCr觸頭材料;濕微組織真空感應(yīng)熔煉中圖法分類號(hào):TM241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-185X(2003 )01 -0041-04CuCr25觸頭材料是國(guó)外廣泛使用的1種重要.含W與C的CuCr25合金微觀組織得到優(yōu)化,耐電壓真空斷路器觸頭材料。增大CuCr合金中的Cu含量強(qiáng)度得到提高。本實(shí)驗(yàn)原料為Cr塊不是Cr粉,成本可以增大材料的熱傳導(dǎo)率,降低分?jǐn)噙^(guò)程中表面的降低。整個(gè)生產(chǎn)周期約2h并且產(chǎn)量大，適合于觸頭溫度和減少熔化層的厚度,從而減少電流過(guò)零時(shí)的材料的大規(guī)模生產(chǎn)。重燃1.21。目前國(guó)際上生產(chǎn)的CuCr25主要有真空自耗熔煉1實(shí)驗(yàn)和混粉燒結(jié)兩種方法13。西門子公司采用真空自耗熔煉法制備CuCr25合金,產(chǎn) 品性能優(yōu)異,但制備工藝復(fù)采用真空中頻感應(yīng)熔煉制備CuCr25并加少量W雜,并且CuCr25自耗電極需預(yù)先制作,生產(chǎn)周期長(zhǎng)，(以下簡(jiǎn)稱CuCr25(W))制備CuCr25并加0.2%的C產(chǎn)品成本高。西屋公司用混粉燒結(jié)法制備的CuCr25(以下稱CuCr25(C) ,Cu, Cr按質(zhì)量比為75:25,配置合金質(zhì)量并不理想,比如氧含量高，致密度較低,生產(chǎn)Cu塊、Cr塊、W粉(粒度為0. 6μum~3. 0μm)與C塊。效率低。近年來(lái)國(guó)內(nèi)采用真空感應(yīng)熔煉法(VIM)制備將Cu, Cr塊放入坩堝中抽高真空(1x10-Pa~3xCuCr25合金(4-61 ,然而,這些CuCr25合金的Cr均以10-2Pa )進(jìn)行熔煉,完全融化后熔液溫度為1 800C ~較大枝晶的形態(tài)分布于Cu基體上。1 900C ,W粉(或C塊)在精煉的后期加入然后將熔研究表明,觸頭材料顯微組織的對(duì)CuCr觸頭材液注入蠟?zāi)Ｖ心?得到合金。為與不加入合金元素料的性能有非常大的影響。例如CuCr 觸頭材料中Cr的合金進(jìn)行比較用相同方法制備CuCr25合金。相為電擊穿弱相17],粗大Cr枝晶的存在將顯著降低采用阿基米德排水法測(cè)量密度,用FQR-7501型CuCr25合金的耐電壓強(qiáng)度。而Cr相尺寸的細(xì)化及球渦流式電導(dǎo)儀測(cè)量電導(dǎo)率,用布氏硬度計(jì)測(cè)量硬度,化可在開(kāi)斷性能及抗融焊性能無(wú)明顯變化的情況下用LECO紅外氧氮分析儀測(cè)定氧氮含量。提高耐電壓強(qiáng)度降低截流值l8~ 10)。因此改變CuCr25將合金加工成φ20mmx5mm的試樣，對(duì)其表面合金中的Cr相的枝晶形態(tài),實(shí)現(xiàn)其顯微組織的優(yōu)化,拋光，裝入由TDR-40A單晶爐改裝成的真空滅弧室,是CuCr25合金研究中的1個(gè)急待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。試樣為陰極拋光過(guò)的W桿為陽(yáng)極,其半徑為5mm,邊因此,本工作研究了真空感應(yīng)熔煉法制備CuCr25系緣半徑為1mm。為除去電極吸附的氣體將爐內(nèi)溫度合金的組織優(yōu)化,采用添加W粉作為異質(zhì)形核劑細(xì)升至500C真空度升至1.5x10-3Pa ,保持30mino當(dāng)化了Cr相，并使晶粒球化，采用加C在高溫下與鉻形陰極冷卻至室溫后,在電極間加8. OkV的直流電壓，成碳化物,作為異質(zhì)形核劑同樣細(xì)化了Cr相。這樣，并 使陰桃中國(guó)煤化工陽(yáng)極移動(dòng)，當(dāng)電擊"THCNMH G收到初稿日期:2001-06-11 ;收到修改稿日期:2002-04-11基金項(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目( 715-005-0160 )作者簡(jiǎn)介:王立彬男,1974 年生碩士研究生西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院99109*陜西西安710049 ,電話029-2675208 ,萬(wàn)芳數(shù)據(jù)”agingg@ 263. net稀有金屬材料與工程32卷穿發(fā)生時(shí),停止移動(dòng),計(jì)算擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。然后下移陰圖3為VIM制備的CuCr25(W)合金的顯微組織極準(zhǔn)備下1次測(cè)試。每個(gè)試樣測(cè)量100次，為排除老形貌，其成分分析見(jiàn)表1。Cr 相以顆粒狀在基體中均煉的影響,計(jì)算擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)均取后60個(gè)數(shù)據(jù)。表1 CuCr25W1 合金成分分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Compositional distribution of CuCr25W1 alloy2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與討論AlloyingAverage alloCopper richChromium richelementcompositionphase2.1成分及微觀形貌Cu/%74.1197.89 .4.52 .熔煉時(shí)在電磁攪拌作用下Cu ,Cr充分混合，快速Cr/ %24.651.9592.85凝固條件下Cr受重力影響產(chǎn)生的偏析降低。圖1為W/% _1.240.162.63VIM制備的CuCr25合金的典型組織,顯示為枝晶,而且大部分以大枝晶存在, 單純采用快冷很難進(jìn)-步細(xì)勻形核,Cr 晶粒尺寸已經(jīng)達(dá)到5μm~ 10μm消除了枝化Cr相。在斷路器的運(yùn)行過(guò)程中枝晶尤其是大枝晶晶并使Cr晶粒球化。Cr晶粒中的灰白斑點(diǎn)(如圖4)(許多大枝晶達(dá)100um),不利于從Cr相向Cu相基體經(jīng)能譜分析W含量相對(duì)很高(如圖5)達(dá)到20.67%,散熱,因而耐電壓強(qiáng)度低。晶粒界面模糊;由Cr-W相圖得知,有x相CrW;生合金化是細(xì)化晶粒的有效手段。圖2為VIM制備成, CrW;以小分散的粒子形式存在于液體中, 由于的CuCr25(C)合金的顯微組織形貌, Cr相以顆粒狀CrW,熔點(diǎn)高,液體凝固時(shí),起到非自發(fā)形核的作用,在基體中分布,僅有少量細(xì)小枝晶。由相圖可知,在從而細(xì)化了Cr晶粒。但如果W粉加入不當(dāng),或分散. 1 900C左右, C幾乎不溶于Cu ,C與Cr生成a相碳不好,則容易產(chǎn)生成分不均勻,如圖6所示圖中白亮化物,在凝固過(guò)程中,碳化物作為非自發(fā)形核核心形的區(qū)域經(jīng)能譜分析為W,顯然，W粉的這種團(tuán)聚使成的Cr晶粒尺寸已經(jīng)達(dá)到10μm~25μm,顯微組織得Cr在這一區(qū)域減少,這將導(dǎo)致耐電壓強(qiáng)度的降得到優(yōu)化。低。這種缺陷只要是W粉加入過(guò)早引起,此時(shí)溫度080241225”圖1CuCr25合金顯微組織圖3 CuCr25(W) 合金顯微組織Fig. 1 Microstructure of CuCr25 alloy after chemical etchingFig. 3Microstructure of CuCr25( W ) alloy after chemical etching只中國(guó)煤化工HCNM H G°082410 25 kV xl8d1003354 25 kV x30yiC0:00圖2 CuCr25(C)合 金顯微組織圖4 CuCr25(W) 合金顯微組織Fig.2- Microstructure of CuCr25()alloy after chemical etching Fig. 4 Microtructure of CuCr25(W) alloy afer chemical etching1期王立彬等:W或C添加劑對(duì)優(yōu)化CuCr25合金顯微組織的作用CrLi_」CuwwEnergy/ keV8D8687 86x500戶m圖5 Cr 相能譜分析圖圖6CuCr25(W)合金中W的團(tuán)聚Fig 6 Aggregation of tungsten in CuCr25(W)Fig. 5 EDX of chromium rich phasealloy after chemical etching較低,分散不夠好。所以，W粉要在溫度最高時(shí)加抗電場(chǎng)引起的表面變形能力得到增強(qiáng)，可是弧后的.入,并增大功率,加強(qiáng)電磁攪拌,使W粉分布均微觀突起程度減輕,從而降低局部場(chǎng)致電子發(fā)射能力,提高了觸頭間隙的耐電壓強(qiáng)度。CuCr25(W)合2.2物理性 能金中球化的Cr晶粒向各方向散熱均勻,耐電壓強(qiáng)度表2為VIM制備的CuCr25(C)和CuCr25(W)合得到進(jìn)一步增強(qiáng)。 對(duì)CuCr25而言,由于其枝晶組織金與其他方法制備的合金性能測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)這兩本身引起的表面偏析較大,表面成分不均勻,必然種合金晶粒度細(xì)小，氧含量低，具有較好的導(dǎo)電存在某些耐電壓低的區(qū)域,在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下這些性,耐電壓強(qiáng)度顯著提高。區(qū)域更容易引發(fā)真空電弧，導(dǎo)致合金的耐電壓強(qiáng)度對(duì)于CuCr25(C) , CuCr25(W)合金, Cr相受到下降。由于C在高溫下與氧反應(yīng), CuCr25(C)合金的a相強(qiáng)化而均勻分布,硬度比CuCr25有所提高,抵.氧含量降低。表2 CuCr2( w等合金性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Properties of CuCr25( C ) and CuCr25( W alloysAverage grainRelativeConductivityNitrogenBrinellBreakdownMaterials size of Cr phasedensity(MS m-1)contenthardnessfield/%/10- 6/HB/10*V m-ICuGr25 .20~ 10099.0125490508(2.62CuCr25( C)10~ 25.99.2223. 13583.78CuG25 W )5~ 1599.2722.4460914.05CuC:50*70~ 15099. 1218.743092.52CuCr25”20~ 509720~ 29<3000< 100* - -Conventional CuC50 prepared by sintering and infitrating method ;* *-Product requirements of Westing House corporation.(3): 1 088~1 0953結(jié)論[2] Spaic S, Komac M , Fetahagic A. Microstructure and Proper-ties of Sintered Cu-25Cr Alloy[J]. Material Science and Tech-nology, 1989,5 (11): 1 069~1 073合金化是1種有效的組織優(yōu)化方法,對(duì)于真空感[3] Jia Shenli(賈申利). High Volage Apparatus(高壓電器)[J] ,應(yīng)熔煉法制備CuCr25合金,適量的C與W可以顯著1995, (1): 33~ 36優(yōu)化其顯微組織得到性能優(yōu)異的觸頭材料。[4] Zhao中國(guó)煤化工25 Alloys through Vacu-um.YHC N M H GJ]. The Chinese Journal參考文獻(xiàn)Referencesof Nonferrous Metals 2000, 10 (1): 73 ~75[5] Zhang Chengyu( 張程煜)，Wang Jiang6王江) . Rare Metal[1] Glinkowski M et al. Capaciance Switching with VacumMaterias and Engnering( 稀有金屬材料與工程) [J] ,CircyBeabgrs[J]. IEEE Trans on Power Deliner, 1991,62001 ,(4): 286 ~ 289稀有金屬材料與工程32卷[6] Wang Jiang(王江), Zhang Chengyu(張程煜)。Rare MetalMaterials [J]. IEEE Trans on CPMT, 1999, 22 (2): 467 ~Materials and Engineering( 稀有金屬材料與工程) [J] ,~4722001 ,(4): 290~ 294[9] Rieder W emer F. Influence of Composition and Cr Particle Size[7] Zhao Feng(趙峰)，Yang Zhimao(楊志懋)。The Study ofof CuCr Contacts on Chopping Current, Contact Resistance andCharacteristics of CuCr25W1Co1 Alloy [J]. Rare Metal Ma-Breakdown Voltage in V acuum Interrupter [J]. IEEE Trans onterials and Engiering( 稀有金屬材料與工程)，2000, 29CPMT, 1989, 12 (2): 273 ~283(1): 57 ~59[10] Ding Bingjun, Yang Zhimao. Influence of Microstructure on[8] Ding Bingjun, Wang Yaping. The Preparation and the Prop-Dielectric Strength of CuCr Contact Materials in a Vacuumerties of Microcrystalline and Nanocrystalline CuCr Contacts[J]. IEEE Trans on CPMT, 1996, 19A (1): 76~81Influence of W or C Adding on the Microstructure of CuCr25 AlloysWang Libing，Zhang Chengyu, Ding Bingjun(State Key Laboratory for Mechanicals Behavior of Materials, Xi' an Jiaotong University, Xi' an 710049, China)Abstract: The preparation of CuCr25(C) and CuCr25(W) alloys by vacuum inducing melting is presented in this paper. The influence ofdifferent alloy elements(C&W) on Crcrytalline grain is studied. And the sequent efects on the physical properties and breakdown volage arealso discussed. It is found that the mechanical strength and the voltage withstanding stress have been improved for the alloys with adding of Cor w.Key words: CuCr contact material ; vacuum inducing smelting; microstructureBiography: W ang Libing, Master, State Key Laboratory for Mechanicals Behavior of Materials, Xian Jiaotong University, Xian 710049,P. R. China, Tel: 0086-29-2675208, E-mail: wanglibingg@ 263. net《液相燒結(jié)粉末冶金材料》出版《液相燒結(jié)粉末冶金材料》由郭庚辰編審主編, 由韓鳳麟教授審定。全書(shū)55.4萬(wàn)字,定價(jià)55元(含郵費(fèi)) ,2002 年12月已由化學(xué)工業(yè)出版社出版。全書(shū)共分10 章,包括概論、硬質(zhì)合金、高密度合金、W-Cu合金、鈷基合金、鐵基粉末冶金中的液相燒結(jié)、銅基粉末冶金中的液相燒結(jié)、燒結(jié)不銹鋼、粉末冶金高速鋼中的液相燒結(jié)、滲銅燒結(jié)鋼另外還包括粉末冶金設(shè)備材料和制品。本書(shū)第2至第10章的最后一節(jié),還列出了相關(guān)粉末冶金材料的牌號(hào)、成分、性能和應(yīng)用,從而為其他行業(yè)工程技人員選用粉末冶金材料提供了方便。郵購(gòu)請(qǐng)聯(lián)系:100011北京市 東城區(qū)安外大街80號(hào)化工書(shū)店聯(lián)系人燕佳賓電話D10- 84253318中國(guó)煤化工MYHCNMHG