W或C添加劑對優(yōu)化CuCr25合金顯微組織的作用

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)金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室,陜西西安710049)摘要采用真空感應熔煉法制備CuCr25(W),與Cr25(C)合金 研究不同合金元素W C對CuCr觸頭微觀(guān)組織的影響。研究結果表明,W和C能夠顯著(zhù)細化Cr相晶粒,W對Cr相晶粒還有球化作用同時(shí)對Cr相進(jìn)行了強化。使合金整體性能得到提高其中耐電壓強度得到顯著(zhù)提高。關(guān)鍵詞:CuCr觸頭材料;濕微組織真空感應熔煉中圖法分類(lèi)號:TM241文獻標識碼:A文章編號:1002-185X(2003 )01 -0041-04CuCr25觸頭材料是國外廣泛使用的1種重要.含W與C的CuCr25合金微觀(guān)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含量強度得到提高。本實(shí)驗原料為Cr塊不是Cr粉,成本可以增大材料的熱傳導率,降低分斷過(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)的材料的大規模生產(chǎn)。重燃1.21。目前國際上生產(chǎn)的CuCr25主要有真空自耗熔煉1實(shí)驗和混粉燒結兩種方法13。西門(mén)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,但制備工藝復采用真空中頻感應熔煉制備CuCr25并加少量W雜,并且CuCr25自耗電極需預先制作,生產(chǎn)周期長(cháng)，(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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法制備的CuCr25(以下稱(chēng)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)國內采用真空感應熔煉法(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CuCr觸頭材液注入蠟模中凝固,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(zhù)降低采用阿基米德排水法測量密度,用FQR-7501型CuCr25合金的耐電壓強度。而Cr相尺寸的細化及球渦流式電導儀測量電導率,用布氏硬度計測量硬度,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紅外氧氮分析儀測定氧氮含量。提高耐電壓強度降低截流值l8~ 10)。因此改變CuCr25將合金加工成φ20mmx5mm的試樣，對其表面合金中的Cr相的枝晶形態(tài),實(shí)現其顯微組織的優(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)形核劑細升至500C真空度升至1.5x10-3Pa ,保持30mino當化了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)形核劑同樣細化了Cr相。這樣，并 使陰桃中國煤化工陽(yáng)極移動(dòng)，當電擊"THCNMH G收到初稿日期:2001-06-11 ;收到修改稿日期:2002-04-11基金項目:國家863計劃資助項目( 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(huà)029-2675208 ,萬(wàn)芳數據”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),計算擊穿電場(chǎng)強度。然后下移陰圖3為VIM制備的CuCr25(W)合金的顯微組織極準備下1次測試。每個(gè)試樣測量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,計算擊穿場(chǎng)強時(shí)均取后60個(gè)數據。表1 CuCr25W1 合金成分分布(質(zhì)量分數)Table 1 Compositional distribution of CuCr25W1 alloy2實(shí)驗結果 與討論AlloyingAverage alloCopper richChromium richelementcompositionphase2.1成分及微觀(guān)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)-步細勻形核,Cr 晶粒尺寸已經(jīng)達到5μm~ 10μm消除了枝化Cr相。在斷路器的運行過(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100um),不利于從Cr相向Cu相基體經(jīng)能譜分析W含量相對很高(如圖5)達到20.67%,散熱,因而耐電壓強度低。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,僅有少量細小枝晶。由相圖可知,在從而細化了Cr晶粒。但如果W粉加入不當,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)形核核心形的區域經(jīng)能譜分析為W,顯然，W粉的這種團聚使成的Cr晶粒尺寸已經(jīng)達到10μm~25μm,顯微組織得Cr在這一區域減少,這將導致耐電壓強度的降得到優(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添加劑對優(yōu)化CuCr25合金顯微組織的作用CrLi_」CuwwEnergy/ keV8D8687 86x500戶(hù)m圖5 Cr 相能譜分析圖圖6CuCr25(W)合金中W的團聚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，可是弧后的.入,并增大功率,加強電磁攪拌,使W粉分布均微觀(guān)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,耐電壓強度表2為VIM制備的CuCr25(C)和CuCr25(W)合得到進(jìn)一步增強。 對CuCr25而言,由于其枝晶組織金與其他方法制備的合金性能測試結果?？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小，氧含量低，具有較好的導電存在某些耐電壓低的區域,在強電場(chǎng)的作用下這些性,耐電壓強度顯著(zhù)提高。區域更容易引發(fā)真空電弧，導致合金的耐電壓強度對于CuCr25(C) , CuCr25(W)合金, Cr相受到下降。由于C在高溫下與氧反應, CuCr25(C)合金的a相強化而均勻分布,硬度比CuCr25有所提高,抵.氧含量降低。表2 CuCr2( w等合金性能測試結果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,對于真空感[3] Jia Shenli(賈申利). High Volage Apparatus(高壓電器)[J] ,應熔煉法制備CuCr25合金,適量的C與W可以顯著(zhù)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中國煤化工25 Alloys through Vacu-um.YHC N M H GJ]. The Chinese Journal參考文獻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. 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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《液相燒結粉末冶金材料》出版《液相燒結粉末冶金材料》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) ,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、銅基粉末冶金中的液相燒結、燒結不銹鋼、粉末冶金高速鋼中的液相燒結、滲銅燒結鋼另外還包括粉末冶金設備材料和制品。本書(shū)第2至第10章的最后一節,還列出了相關(guān)粉末冶金材料的牌號、成分、性能和應用,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。郵購請聯(lián)系:100011北京市 東城區安外大街80號化工書(shū)店聯(lián)系人燕佳賓電話(huà)D10- 84253318中國煤化工MYHCNMHG