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至真空感应熔炼法制备CuCr25合金似的

发布时间:2021-08-30 05:52:24 阅读: 来源:金属床厂家

真空感应熔炼法制备CuCr25合金

摘要:本文采用真空感应熔炼法制备CuCr25W1Ni2合金,研究了不同成分(25%Cu及75%Cu)和Cr晶粒尺寸对物理性能和击穿电压的影响,讨论了合金元素和微观结构对CuCr25W1Ni2合金电击穿性能的影响。研究结果表明,W粉能够显著细化Cr相,同时对Cr相进行了强化;在电击穿后,熔层中极细的W粉能起到非自发形核核心的作用,CuCr25W1Ni2的熔层表面更加扁平;另一方面,Ni能够促进Cu、Cr的互溶,使合金整体得以强化。这两种元素均能显著提高合金的耐电压强度。

关键词:CuCr触头材料 真空感应熔炼 耐电压强度 1 引言

实验证明,增大CuCr合金中Cu含量可以增大材料的热传导率,降低分断过程中触头表面的温度和减少熔化层的厚度,从而减少电流过零时电弧的重燃[1,2]。

目前国际上生产CuCr25后来主要有混粉烧结和真空自耗熔炼两种方法[3]。西屋公司用混粉烧结法制备的CuCr25合金质量并不理想,比如氧含量高,致密度较低,生产效率低下。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,但制备工艺非常复杂,而且CuCr25自耗电极需预先制作,生产周期长,产品成本高。最近采用真空电弧熔汽车的使用数量愈来愈多炼法制备出CuCr25及CuCr25 W1Co1合金[43)自动停机:试样断裂后,5],但在这两种合金中特征组织为Cr枝晶,这不利于耐电压强度的进一步提高。

CuCr触头材料中Cr相为电造成断点差;击穿弱相,研究表明,触头材料的微观结构对其电击穿行为有非常大的影响。例如,Cr相尺寸的细化可提高耐电压强度,降低截流值,同时,开断性能及抗熔焊性能无明显变化[6~8]。本文研究了CuCr25系合金的真空感应熔炼法。W粉作为异质形核剂细化和强化了Cr相,Ni通过固溶对合金整体进行了强化,结果耐电压强度显著上升。采用的原料为Cr块而不是Cr粉,而且其含量从50%下降到25%,因而成本降低。整个生产周期约2 h,且产量很大,适合于触头材料的大规模生产。

2 试验过程

采用真空中频感应熔炼制备出CuCr25W1Ni2合金,原料为按质量比72∶25∶1∶2配制Cu块、Cr块、W粉(粒度为0.6~3μm)和Ni块。将Cu、Cr、Ni块放入坩埚中抽高真空(10、隔离法1×10-2~3×10-2 Pa)进行熔 采用阿基米德排水法测量密度,用FQR-7501型涡流式电导仪测量电导率,用布氏硬度计测量硬度,用LECO红外氧氮气体分析仪测定氧氮含量。

将合金加工成20×5 mm的试样,对其表面抛光,装入由TDR-40A单晶炉改装成的真空灭弧室,试样为阴极,抛光过的W杆为阳极,其半径为5 mm,边缘半径为1 mm。为除去电极吸附的气体,将炉内温度提升为500℃,真空度升为1.5×10-3 Pa,保持30 min。当阴极冷却至室温后,在电极间加上8 kV的直流电压,并让阴极以0.2 mm/min的速度向阳极移动,当电击穿发生时,停止移动,记下两极间的距离用以计算击穿电场强度。然后下移阴极,准备下一次测试。每个试样测量100次,为排除老炼[9]的影响,计算击穿场强时均取后60个点。在扫描电镜上观察合金的显微组织,并用能谱分析法测定合金的成分分布。

3 实验结木塑生产小贴士果与讨论

3.1 成分及微观形貌

熔炼时在电磁搅拌作用下,Cu、Cr充分混合,快速凝固条件下Cr受重力影响产生的偏析倾向降低,成分分析见表1。

图1为VIM制备的CuCr25合金的典型组织,显示出Cr枝晶,可见单纯采用水冷凝固很难进一步细化Cr相,而且大部分以大枝晶存在,在断路器的运行过程中不利于Cr相向Cu基体散热,因而耐电压强度降低。所以必须采用合金化方法进一步细化Cr晶粒。图2为VIM制备的CuCr25 W1Ni2合金的显微组织形貌,可见Cr相以粒状在Cu基体中均匀分布,由于W粉在凝固过程中作为非自发形核核心,得到的Cr晶粒尺寸已经达到5~15μm,消除了枝晶。Cr晶粒中灰白斑点经能谱分析主要为W,其边界模糊,由Cr-W相图可知,为α固溶体,W对Cr相进行了有效的选择性强化。

用真空电弧熔炼制备的CuCr25W1Co1合金,Cr相的特征形貌仍然是枝晶[5]。因为是将W薄片及Cu、Cr、Co块一起进行电弧熔炼,薄片状的W起不到异质形核剂的作用。

Ni的加入对导电性有一定的降低作用见图1、图2,但它能对合金进行固溶强化,根据热力学计算,Ni能促进Cu、Cr的互溶,在快速凝固下,有大量的富Cr颗粒从Cu基体析出,可以对整个合金产生强化作用,如图2所示。由于Ni在Cu和Cr中都有较大的固溶度,Ni加入后还能提高Cu、Cr相的浸润性,可减少凝固时产生的微孔隙,使材料致密性提高。

3.2 物理性能和击穿场强

表2为VIM制备的CuCr25W1Ni2等合金和其他方法制备的合金性能测试结果。可见CuCr25W1Ni2合金Cr晶粒细小,氧含量低,具有较好的导电性,耐电压强度显著提高。

对于CuCr25W1Ni2合金,Cr相受到α固溶体的强化而且均匀分布,同时Ni对合金整体进行了固溶强化,CuCr25 W1Ni2硬度比CuCr25有所提高,抵抗电场引起的表面变形的能力大为增强,可使弧后


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