简介概要

CuCr50合金粉末的制备及微观组织分析

来源期刊：稀有金属2002年第4期

论文作者：张永安江柏林刘红伟夏凌远熊柏青胡春利石力开

关键词：气雾化; CuCr50合金; 触头材料;

摘要：开发了高温高真空气雾化技术,并利用该技术制备了CuCr50合金化粉末,对合金粉末的相貌、微观组织和合金元素成分分布进行了分析.研究结果表明:粉末球形度高,合金化状况良好,微观组织均匀,Cr析出相细小,有利于提高触头材料的综合使用性能.

稀有金属 2002,(04),245-248 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.04.002

CuCr50合金粉末的制备及微观组织分析

熊柏青刘红伟石力开夏凌远江柏林胡春利

北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,锦州市冶金技术研究所,锦州市冶金技术研究所,锦州市冶金技术研究所北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,锦州110021 ,锦州110021 ,锦州110021

摘要：

开发了高温高真空气雾化技术 , 并利用该技术制备了CuCr5 0合金化粉末 , 对合金粉末的相貌、微观组织和合金元素成分分布进行了分析。研究结果表明 :粉末球形度高 , 合金化状况良好 , 微观组织均匀 , Cr析出相细小 , 有利于提高触头材料的综合使用性能。

关键词：

气雾化;CuCr50合金;触头材料;

中图分类号： TF125

收稿日期：2001-09-11

基金：国家“973”项目资助 (G2 0 0 0 0 0 672 0 6);

Production and Microstructure of CuCr50 Alloy Powder

Abstract：

A high temperature and high vacuum gas atomization technology was developed. CuCr50 alloy was produced by gas atomization technology. The shape, microstructure and distribution of element in powder were studied. The results show that the shape of powder is spherical, Cr phase is fine and dispersive, the microstructure of powder is fine and uniform. All of these results are favourable for improving the comprehensive performance of contact materials.

Keyword：

Gas atomization technology; CuCr50 alloy; Contact material;

Received： 2001-09-11

Cu-Cr 合金触头 (Cr含量25%～50%具有分断电流能力大、耐电压强度高、电弧烧损率低等优点, 是目前国内外制造大功率真空断路开关时普遍采用的材料, 该材料是对开关性能起决定性作用的关键部件 ^[1,2,3] 。高质量的Cu-Cr合金触头 (材料) 必需同时满足以下两个基本要求: (1) Cr颗粒尺寸尽可能细小且在触头表面均匀分布, 避免当大功率真空断路开关开断时电弧能量过于集中在Cr颗粒尺寸较大或偏聚的部位, 导致触头表面被烧蚀而影响其导电性能; (2) 具有尽可能低的气体含量, 避免大功率真空断路开关工作时触头在真空灭弧室中产生放气现象, 导致大功率真空断路开关的分断能力降低。

Cu-Cr合金在相图上属于偏晶系合金, Cr在Cu基体中的平衡溶解度极低 (平衡态时≤1%) , 传统材料制备工艺难以制备高性能触头材料。为满足大功率真空断路开关的工作条件对触头性能所提出的要求, 目前国际上主要采用传统的粉末冶金工艺技术生产Cu-Cr合金 (Cr含量25%～50%) 触头材料, 即浸渗法和混粉烧结法 (Cu粉和Cr粉机械混合烧结) 。但上述两种传统粉末冶金工艺目前存在的主要问题是: (1) 由于Cu-Cr合金触头材料中Cr颗粒的尺寸受原料Cr粉颗粒尺寸的限制, 最终触头产品中Cr颗粒尺寸平均在70～100 μm 左右, 导致难以获得更高质量的 Cu-Cr 合金触头材料; (2) 传统的粉末冶金工艺制备的触头中的气体含量仍难以控制在较低的水平, 一般氧含量为 500×10^-6 以上; (3) 在使用浸渗法生产 Cu-Cr合金触头材料时, 成品坯料长度仅占原始Cr粉骨架结构长度的1/2左右;而在使用混粉烧结法生产Cu-Cr合金触头材料时, 由于Cu和Cr熔点相差很大、相互之间界面浸润性不好, 使得烧结后的材料致密度较低、缺陷较多, 亦将导致触头加工过程中材料利用率低、制造成本高昂, 尤其是不能制备Cr含量较高的Cu-Cr合金触头材料 (如CuCr50等) ^[4,5] 。

基于CuCr50的物理特性, 本文认为首先制备Cu-Cr合金化粉末, 然后在较低的温度 (650～850 ℃) 进行烧结成形, 可以有效地解决上述问题, 同时大幅度提高触头材料的综合使用性能。

本文利用高温高真空气雾化技术制备了CuCr50合金粉末, 并对合金粉末的微观组织及合金元素分布状况进行了研究。

1 实验

针对CuCr50合金熔点高达1860℃的物理特性, 开发制造了三感应加热高温高真空气雾化设备, 如图1所示, 熔炼室采用双感应加热, 即合金熔炼炉和中间包采用感应加热, 为了使高温熔融合金熔体顺利导流并在实验过程中保持稳定, 设计了导流管高频感应加热系统。

图1 高温气雾化设备示意图

Fig.1 Sketch of high-temperature atomization equipment

研究采用高温高真空气雾化技术制备大功率真空断路开关用CuCr50合金触头材料用合金化粉末。首先, 将电解Cu (μ99.97%) 、电解Cr (μ99.99%) 及 Fe, Nb, W 按特定比例配制;然后将合金真空熔炼成预制合金锭;最后将预制合金锭真空重熔, 利用高纯惰性气体雾化成合金粉末。

选用CuCr50合金, 其中加入少量的Fe, Nb, W元素, 合金雾化温度为2200 ℃, 雾化气体选用高纯氩气, 利用气雾化技术制备合金粉末以后, 分别采用金相显微镜、扫描电子显微镜对粉末的微观组织及合金元素分布进行了分析。

2 实验结果及讨论

2.1 Cu-Cr合金物理特性分析

Cu-Cr合金是一种典型的二元偏晶合金, 在其液相区有一铜、铬互不相溶的区域, 当高温单相熔体冷却到液相不互溶区域时, 过饱和的Cr相会从熔体中析出形成不溶于铜的富Cr相, 由于它的比重较小, 因此富Cr相将迅速上浮, 极易导致严重的液相分层。同时在合金凝固过程中, Cr相将首先从液相中析出并形核长大, 在铸锭中产生严重的Cr相宏观偏析, 最终导致合金化失败, 影响材料的使用性能。

2.2 CuCr50合金粉末制备

在制备合金粉末的工艺中, 合金熔炼、熔体导流及合金粉末氧含量控制是技术关键。CuCr50合金在液相中容易发生液相分层现象, 因此在熔炼过程中需要较大的熔炼功率, 从而产生强电磁搅拌力, 使合金熔体形成强烈的紊流并达到均匀化。在气雾化过程中, 合金熔体需要通过直径 3.5 mm 左右的导流管, 并经过一定的距离导入雾化区。CuCr50合金的熔点高达1860 ℃, 而为了保证合金熔体的流动性, 通常需要过热一定的温度。经过多次试验, 证明需要 350 ℃ 左右的过热度, 即合金熔体温度需要保持在 2200 ℃ 左右, 而 2200 ℃ 的高温熔体在常规导流过程中容易冷却甚至发生凝固现象, 造成导流管堵塞, 为了解决这一问题, 设计了高频大功率感应加热导流管系统, 该系统可以在 7 min 内将导流管加热至 1800 ℃ 以上。为了控制 CuCr50 合金化粉末的氧和氮含量, 设备的真空度要求在 10^-2 Pa 以上, 雾化气体选用高纯氩气, 雾化压力为 1 MPa。

2.3 CuCr50合金粉末的相貌及微观组织分析

利用气雾化技术制备的合金粉末通常根据合金物理特性和雾化介质的不同而呈球形、类球形、椭圆形、多棱角形和层片形。但是对于粉末冶金工艺而言, 球形或类球形合金粉末更有利于工艺的实施。图2是不同尺寸的雾化粉末的显微组织照片, 从中可以发现, 大粒度和小粒度的合金粉末都呈规则球形, 更有利于后续的粉末均匀化和压实烧结。

图2中的 (a) , (b) , (c) , (d) 分别是直径为 150, 100, 75, 50 μm 的合金粉末。对于每个粉末而言, 边缘部分的凝固速度最快, 通过分析可以发现在边缘部分基体组织非常细小, 且Cr析出相均匀细小。从计算机数值模拟结果分析得知, 不同的粉末尺寸对应不同的凝固速度, 粉末尺寸小则凝固速度快;反之, 粉末尺寸大则凝固速度慢, 其中直径为 100, 80, 50, 30 μm 的粉末对应的凝固速度大致为 9.7×10³, 1.13×10⁴, 1.42×10⁴, 1.48×10⁴ K/s ^[6] 。从图2中可以发现, Cr相呈云团状均匀弥散地分布在Cu基体上, 且Cr相的平均尺寸随着粉末直径的减小而减小, 在粉末中还是可以发现较大的Cr相, 以直径为 150 μm 的合金粉末为例, 最大的Cr相尺寸为 25 μm 左右, 而在利用常规工艺制备的 CuCr50 合金触头材料中的Cr颗粒平均尺寸在 70～100 μm 左右, 这说明利用气雾化技术制备CuCr50合金粉末, 然后在相对低的温度下烧结成形可以制备出性能优良的触头材料。

图2 CuCr50合金粉末微观组织照片×400

Fig.2 Microstructure of CuCr50 alloy powder

在气雾化CuCr50合金粉末中存在个别粉末中Cr相过度富集现象 (如图3所示) , 但是通过对比发现该现象与合金粉末粒度大小并无直接关系, 经分析该现象可能是由于中间包的感应加热功率过小, 造成合金熔体注入中间包后, 电磁搅拌力不足以使合金熔体产生紊流而形成液相分层, 即在液相状态下的液相分层导致合金粉末产生Cr相富集;通过加大中间包和导流管感应加热功率, 该现象已基本消除。

图4 (a) 是CuCr50合金粉末的扫描电镜照片, 4 (b) 是Cr元素的面分布扫描照片, 4 (c) 是Cu元素的面分布扫描照片, 从照片中可以观察到Cu基体呈连续网格状分布, 而呈类球形的Cr相均匀分布在Cu基体上。