W或C添加剂对优化CuCr25合金显微组织的作用

第32卷第1期稀有金属材料与工程Vol. 32, No. 1003年1月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERINGJanuary 2003W或C添加剂对优化CuCr25合金显微组织的作用王立彬,张程煜,丁秉钧(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,陕西西安710049)摘要采用真空感应熔炼法制备CuCr25(W),与Cr25(C)合金 研究不同合金元素W C对CuCr触头微观组织的影响。研究结果表明,W和C能够显著细化Cr相晶粒,W对Cr相晶粒还有球化作用同时对Cr相进行了强化。使合金整体性能得到提高其中耐电压强度得到显著提高。关键词:CuCr触头材料;湿微组织真空感应熔炼中图法分类号:TM241文献标识码:A文章编号:1002-185X(2003 )01 -0041-04CuCr25触头材料是国外广泛使用的1种重要.含W与C的CuCr25合金微观组织得到优化,耐电压真空断路器触头材料。增大CuCr合金中的Cu含量强度得到提高。本实验原料为Cr块不是Cr粉,成本可以增大材料的热传导率,降低分断过程中表面的降低。整个生产周期约2h并且产量大，适合于触头温度和减少熔化层的厚度,从而减少电流过零时的材料的大规模生产。重燃1.21。目前国际上生产的CuCr25主要有真空自耗熔炼1实验和混粉烧结两种方法13。西门子公司采用真空自耗熔炼法制备CuCr25合金,产 品性能优异,但制备工艺复采用真空中频感应熔炼制备CuCr25并加少量W杂,并且CuCr25自耗电极需预先制作,生产周期长，(以下简称CuCr25(W))制备CuCr25并加0.2%的C产品成本高。西屋公司用混粉烧结法制备的CuCr25(以下称CuCr25(C) ,Cu, Cr按质量比为75:25,配置合金质量并不理想,比如氧含量高，致密度较低,生产Cu块、Cr块、W粉(粒度为0. 6μum~3. 0μm)与C块。效率低。近年来国内采用真空感应熔炼法(VIM)制备将Cu, Cr块放入坩埚中抽高真空(1x10-Pa~3xCuCr25合金(4-61 ,然而,这些CuCr25合金的Cr均以10-2Pa )进行熔炼,完全融化后熔液温度为1 800C ~较大枝晶的形态分布于Cu基体上。1 900C ,W粉(或C块)在精炼的后期加入然后将熔研究表明,触头材料显微组织的对CuCr触头材液注入蜡模中凝固,得到合金。为与不加入合金元素料的性能有非常大的影响。例如CuCr 触头材料中Cr的合金进行比较用相同方法制备CuCr25合金。相为电击穿弱相17],粗大Cr枝晶的存在将显著降低采用阿基米德排水法测量密度,用FQR-7501型CuCr25合金的耐电压强度。而Cr相尺寸的细化及球涡流式电导仪测量电导率,用布氏硬度计测量硬度,化可在开断性能及抗融焊性能无明显变化的情况下用LECO红外氧氮分析仪测定氧氮含量。提高耐电压强度降低截流值l8~ 10)。因此改变CuCr25将合金加工成φ20mmx5mm的试样，对其表面合金中的Cr相的枝晶形态,实现其显微组织的优化,抛光，装入由TDR-40A单晶炉改装成的真空灭弧室,是CuCr25合金研究中的1个急待解决的关键问题。试样为阴极抛光过的W杆为阳极,其半径为5mm,边因此,本工作研究了真空感应熔炼法制备CuCr25系缘半径为1mm。为除去电极吸附的气体将炉内温度合金的组织优化,采用添加W粉作为异质形核剂细升至500C真空度升至1.5x10-3Pa ,保持30mino当化了Cr相，并使晶粒球化，采用加C在高温下与铬形阴极冷却至室温后,在电极间加8. OkV的直流电压，成碳化物,作为异质形核剂同样细化了Cr相。这样，并 使阴桃中国煤化工阳极移动，当电击"THCNMH G收到初稿日期:2001-06-11 ;收到修改稿日期:2002-04-11基金项目:国家863计划资助项目( 715-005-0160 )作者简介:王立彬男,1974 年生硕士研究生西安交通大学材料科学与工程学院99109*陕西西安710049 ,电话029-2675208 ,万芳数据”agingg@ 263. net稀有金属材料与工程32卷穿发生时,停止移动,计算击穿电场强度。然后下移阴图3为VIM制备的CuCr25(W)合金的显微组织极准备下1次测试。每个试样测量100次，为排除老形貌，其成分分析见表1。Cr 相以颗粒状在基体中均炼的影响,计算击穿场强时均取后60个数据。表1 CuCr25W1 合金成分分布(质量分数)Table 1 Compositional distribution of CuCr25W1 alloy2实验结果 与讨论AlloyingAverage alloCopper richChromium richelementcompositionphase2.1成分及微观形貌Cu/%74.1197.89 .4.52 .熔炼时在电磁搅拌作用下Cu ,Cr充分混合，快速Cr/ %24.651.9592.85凝固条件下Cr受重力影响产生的偏析降低。图1为W/% _1.240.162.63VIM制备的CuCr25合金的典型组织,显示为枝晶,而且大部分以大枝晶存在, 单纯采用快冷很难进-步细匀形核,Cr 晶粒尺寸已经达到5μm~ 10μm消除了枝化Cr相。在断路器的运行过程中枝晶尤其是大枝晶晶并使Cr晶粒球化。Cr晶粒中的灰白斑点(如图4)(许多大枝晶达100um),不利于从Cr相向Cu相基体经能谱分析W含量相对很高(如图5)达到20.67%,散热,因而耐电压强度低。晶粒界面模糊;由Cr-W相图得知,有x相CrW;生合金化是细化晶粒的有效手段。图2为VIM制备成, CrW;以小分散的粒子形式存在于液体中, 由于的CuCr25(C)合金的显微组织形貌, Cr相以颗粒状CrW,熔点高,液体凝固时,起到非自发形核的作用,在基体中分布,仅有少量细小枝晶。由相图可知,在从而细化了Cr晶粒。但如果W粉加入不当,或分散. 1 900C左右, C几乎不溶于Cu ,C与Cr生成a相碳不好,则容易产生成分不均匀,如图6所示图中白亮化物,在凝固过程中,碳化物作为非自发形核核心形的区域经能谱分析为W,显然，W粉的这种团聚使成的Cr晶粒尺寸已经达到10μm~25μm,显微组织得Cr在这一区域减少,这将导致耐电压强度的降得到优化。低。这种缺陷只要是W粉加入过早引起,此时温度080241225”图1CuCr25合金显微组织图3 CuCr25(W) 合金显微组织Fig. 1 Microstructure of CuCr25 alloy after chemical etchingFig. 3Microstructure of CuCr25( W ) alloy after chemical etching只中国煤化工HCNM H G°082410 25 kV xl8d1003354 25 kV x30yiC0:00图2 CuCr25(C)合 金显微组织图4 CuCr25(W) 合金显微组织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添加剂对优化CuCr25合金显微组织的作用CrLi_」CuwwEnergy/ keV8D8687 86x500户m图5 Cr 相能谱分析图图6CuCr25(W)合金中W的团聚Fig 6 Aggregation of tungsten in CuCr25(W)Fig. 5 EDX of chromium rich phasealloy after chemical etching较低,分散不够好。所以，W粉要在温度最高时加抗电场引起的表面变形能力得到增强，可是弧后的.入,并增大功率,加强电磁搅拌,使W粉分布均微观突起程度减轻,从而降低局部场致电子发射能力,提高了触头间隙的耐电压强度。CuCr25(W)合2.2物理性 能金中球化的Cr晶粒向各方向散热均匀,耐电压强度表2为VIM制备的CuCr25(C)和CuCr25(W)合得到进一步增强。 对CuCr25而言,由于其枝晶组织金与其他方法制备的合金性能测试结果。可见这两本身引起的表面偏析较大,表面成分不均匀,必然种合金晶粒度细小，氧含量低，具有较好的导电存在某些耐电压低的区域,在强电场的作用下这些性,耐电压强度显著提高。区域更容易引发真空电弧，导致合金的耐电压强度对于CuCr25(C) , CuCr25(W)合金, Cr相受到下降。由于C在高温下与氧反应, CuCr25(C)合金的a相强化而均匀分布,硬度比CuCr25有所提高,抵.氧含量降低。表2 CuCr2( w等合金性能测试结果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结论[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种有效的组织优化方法,对于真空感[3] Jia Shenli(贾申利). High Volage Apparatus(高压电器)[J] ,应熔炼法制备CuCr25合金,适量的C与W可以显著1995, (1): 33~ 36优化其显微组织得到性能优异的触头材料。[4] Zhao中国煤化工25 Alloys through Vacu-um.YHC N M H GJ]. The Chinese Journal参考文献Referencesof Nonferrous Metals 2000, 10 (1): 73 ~75[5] Zhang Chengyu( 张程煜)，Wang Jiang6王江) . Rare Metal[1] Glinkowski M et al. Capaciance Switching with VacumMaterias and Engnering( 稀有金属材料与工程) [J] ,CircyBeabgrs[J]. IEEE Trans on Power Deliner, 1991,62001 ,(4): 286 ~ 289稀有金属材料与工程32卷[6] Wang Jiang(王江), Zhang Chengyu(张程煜)。Rare MetalMaterials [J]. IEEE Trans on CPMT, 1999, 22 (2): 467 ~Materials and Engineering( 稀有金属材料与工程) [J] ,~4722001 ,(4): 290~ 294[9] Rieder W emer F. Influence of Composition and Cr Particle Size[7] Zhao Feng(赵峰)，Yang Zhimao(杨志懋)。The Study ofof CuCr Contacts on Chopping Current, Contact Resistance andCharacteristics of CuCr25W1Co1 Alloy [J]. 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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《液相烧结粉末冶金材料》出版《液相烧结粉末冶金材料》由郭庚辰编审主编, 由韩凤麟教授审定。全书55.4万字,定价55元(含邮费) ,2002 年12月已由化学工业出版社出版。全书共分10 章,包括概论、硬质合金、高密度合金、W-Cu合金、钴基合金、铁基粉末冶金中的液相烧结、铜基粉末冶金中的液相烧结、烧结不锈钢、粉末冶金高速钢中的液相烧结、渗铜烧结钢另外还包括粉末冶金设备材料和制品。本书第2至第10章的最后一节,还列出了相关粉末冶金材料的牌号、成分、性能和应用,从而为其他行业工程技人员选用粉末冶金材料提供了方便。邮购请联系:100011北京市 东城区安外大街80号化工书店联系人燕佳宾电话D10- 84253318中国煤化工MYHCNMHG