（材料加工工程专业论文）cuin基合金组织与凝固特性的研究.pdf

獭璺 摘要 本文采用光学显微镜( o p ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、电予探针 ( e p m a ) 、透射电子显微镜( t e m ) 和差示扫描量热仪( d s c ) 等研究手 段，对以电接触材料为应用背景的c u i n 和c u i n c r 合金的组织、凝固相 变、固态相变和性能等方面进行了试验研究。 对于c u i n 二元合金，当i n 含量较低时，合金的显微组织呈非枝晶形 态，当i n 含量相对较高时，合金的显微组织呈枝晶形态；当合金的冷却速 率增加时，合金的二次枝晶间距减小；对于宏观组织，当合金凝固过程的冷 却速度相同时，i n 含量的增加使合金的晶粒形成等轴晶的倾向增加，反 之，则使合金的晶粒形成柱状晶的倾向增加。 对于c u i n c r 三元合金，当i n 含量较低时，合金的组织为非枝晶态。 当c r 含量不变时，随着i n 含量的增加，合金组织的枝晶倾向变大，铟含量 越高，枝晶化倾向越大，二次枝晶间距也越大；当i n 的含量保持不变时， c r 含量的增加对合金基体的组织形态没有明显的影响，对二次枝晶间距也 没有明显的影响，但是在组织中生成游离的c r 固溶体相。 采用粗糙界面理论模型对c u i n 和c u i n c r 合金凝固过程中的固液界 面结构和晶体生长方式进行了研究，结果表明该合金凝固过程中析出相的固 液界面结构为粗糙界面，合金晶体是以非小晶面方式长大。 以晶体生长形态学原理为依据对c u i n c r 三元合金中c r 固溶体晶体的 生长习性进行了研究，认为c r 固溶体晶体生长基元的低维结构包括六面立 方结构和八面体结构。在晶体的生长过程中，基元的联结方式以共面联结为 主。在一定的生长条件下，当c r 元素含量相对较高时，易于维度较高的生 长基元的形成，从而在所制备的合金试样中，c r 固溶体的晶体形态具有多 种形态，其中包括点状、条状、片状，还包括辐射状多枝晶于等轴枝晶。c r 含量的增加，使合金晶体倾向于形成辐射状多枝晶干等轴枝晶。 对合金共析固态相变进行的研究表明，6 相与母相0 相之间的相界面为 非共格界面，相变是以非协同型转变机制进行的。6 相的生长方式包括扩散 控制型、界面控制型、层片状生长方式和孪晶生长方式。 采用差示扫描量热分析方法对c u i n 二元合金的相变过程进行动力学分 析，结果表明，合金的固液相变反应活化能大于包晶反应活化能，而合金的 包晶反应活化能又大于共析反应活化能，由此可以确定合金的液固相变所需 阶尔滨工业大学工学博士学位论义 要克服的势垒最大，包晶相变所需要克服的势垒要小于液固相变所需要克服 的势垒，而共析相变所需要克服的势垒又小于包晶相变所需要克服的势垒。 本文还对合金的相选择和相分离进行了研究，并认为合金的相选择所确 定的凝固顺序是：c u i n 二元合金的初生相是a 相固溶体，相变温度受合金 的成分和冷却速率的影响，温度大致在8 3 5 1 0 7 7 ，随着i n 含量的增加， 初生相n 的反应温度下降。然后发生包晶反应生成1 3 相，反应温度大致在 7 0 6 7 1 5 。c u i n c r 三元合金的初生相是c r 固溶体相，然后是d 相析出， b 相是最后车厅出相。在固液界面推进过程中，系统的表面自由能不足以排斥 c r 固溶体颗粒，因而该颗粒分布于a 相晶体内。 关键词c u - i mc u i n c r ；凝固；动力学；组织 a b s t r a c t b ym e a n so fo p , s e m ，e p m a ，t e ma n d d s ci n s t r u m e n t ，t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e dt h es t r u c t u r e ，s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p h a s et r a n s f o r m a t i o n a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec u i na n dc u i n c ra l l o y s t h o s ea r en e wt y p e e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s t h es t r u c t u r e sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc u - i na l l o yw e r es t u d i e d ，w h i c h c o m e st ot h er e s u l t s ，t h a tw h e n i n d i u mc o n t e n ti s h i g h e rr e l a t i v e l y , t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yi sd e n d r i t i c ；t h a tw h e nt h ep r o c e s sc o n d i t i o n sd u r i n g s o l i d i f i c a t i o ni st h es a m e t h ei n c r e a s i n go fi n d i u mc o n t e n tm a k e st h et e n d e n c i e s f o rg r a i nt of o r me q u i a x e do n ei n c r e a s e o t h e r w i s ei tm a k e st h et e n d e n c i e sf o r g r a i nt o f o r mc o l u m no n ei n c r e a s e ；t h a tw h e nt h ec o o l i n gr a t eo ft h ea l l o y i n c r e a s e s ，t h es e c o n d a r yd e n d r i t es p a c i n gr e d u c e s t h ei n f l u e n c e so fe l e m e n ti n d i u ma n dc h r o m i u m o ns t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g yo f t h ec u - i n - c rt e r n a r ya l l o yw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ， w h e nt h ei n d i u mc o n t e n ti sl o w e r , t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ea l l o yi sn o n d e n d r i t i c ； w h e nt h ec h r o m i u mc o n t e n th o l d si n v a r i a n t ，w i t ht h ei n d i u mc o n t e n ti n c r e a s i n g ， t h et e n d e n c yt of o r md e n d r i t ei n c r e a s e s ，t h es e c o n d a r yd e n d r i t es p a c i n gi sa l s o g r e a t e r ；w h e nt h ei n d i u m c o n t e n th o l d si n v a r i a n t t h ee f f e c t so fc h r o m i u mc o n t e n t o nt h es t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g y o f a l l o ym a t r i xa r en o to b v i o u s ，n o ra r et h o s e o f c h r o m i u mc o n t e n to ns e c o n d a r yd e n d r i t es p a c i n g ，b u tm e a n w h i l et h ef r e ec r s o l i ds o l u t i o np h a s ef o r m s ；t h ec h r o m i u mc o n t e n ti n c r e a s e s ，w h i c hm a k e sg r a i n s s m a l l e ra n ds e c o n d a r yd e n d r i t el e n g t hs h o r t e r t h ei n t e r f a c es t r u c t u r eo f l i q u i d - s o l i da n dg r o w t hw a y o ft h ec u i na n dc u i n c ra l l o yc r y s t a lw e r es t u d i e du s i n gt h et h e o r yo fr o u g hi n t e r f a c e t h er e s u l t s s h o wt h a t ，t h ei n t e r f a c es t r u c t u r eo fl i q u i d - s o l i do fp r e c i p i t a t e d p h a s e s i n s o l i d i f i c a t i o ni sr o u g hi n t e r f a c e ；t h eg r o w t hw a yo f c r y s t a li st h en o n f a c e t e d o n e b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fc r y s t a lg r o w t hm o r p h o l o g y , t h ec r y s t a lg r o w t h h a b i t so ft h ec u - i n - c rt e r n a r ya l l o y sw e r es t u d i e d ，w h i c hc o m e st ot h er e s u l t s ， t h a tt h er e d u c e dd i m e n s i o ns t r u c t u r eo fc rs o l i ds o l u t i o nc r y s t a lg r o w t hu n i t s c o n t a i n sh e x a h e d r a lc u b i co n ea n do c t a h e d r a lo n e ；t h a tt h ew a yo fg r o w t hu n i t b i n d i n gi sm a i n l yc o p l a n a ro n e ，i nt h ep r o c e s so fc r y s t a lg r o w t h ；t h a ti tt e n d st o f o r mt h e g r o w t hu n i t s o fm u l t i d i m e n s i o n ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，a n d c r c o n t e n t b e i n gh i g h e rr e l a t i v e l y , t h e r e f o r e i nt h e p r e p a r e d s p e c i m e n s ，t h e m o r p h o l o g yo f c rs o l i ds o l u t i o nc r y s t a li sv a r i o u s ，i tc o n t m n s t h es h a p eo f s p o t ， s t r i p 1 e a f , a n dr a d i a n tm u l t i a r me q u i a x e d ；t h a t c h r o m i u mc o n t e n ti n c r e a s e s w h i c hm a k e sa l l o yc r y s t a lt e n dt of o r mr a d i a n tm u l t i - a r me q u i a x e dd e n d r i t e s t h ee u t e c t o i ds o l i d s t a t ep h a s et r a n s i t i o nw a ss t u d i e d ，w h i c hc o m e st ot h e r e s u l t s t h a tt h ei n t e r f a c eb e t w e e n 6 p h a s e a n d1 3 p h a s e i s i n c o h e r e n t ，t h e p h a s et r a n s i t i o n i sn o n s y n e r g i s t i c ；t h a tt h eg r o w t hw a yo f 6 p h a s ec o n t a i n s d i f f u s i o nc o n t r o l l i n g ，i n t e r f a c ec o n t r o l l i n g ，l a m e l l a r , a n dt w i n t h ek i n e t i c sa n a l y s i sw a sc a r r i e df o rp h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so f t h ec u i n b i n a r ya l l o yu s i n g d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r ym e t h o d ，o r d s c a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n s ，i t i sc e r t a i nt h a tt h e a c t i v a t i o ne n e r g yo f s o l i d l i q u i dp h a s et r a n s i t i o ni sg r e a t e rt h a nt h a to fp e r i t e c t i c r e a c t i o n ；t h a to fp e r i t e e t i cr e a c t i o n i s g r e a t e r t h a nt h a to fe u t e c t o i dr e a c t i o n ， t h e r e f o r e ，t h ep o t e n t i a lb a r r i e rn e e d e dt oo v e r c o m ed u r i n gt h es o l i d l i q u i dp h a s e t r a n s i t i o ni st h eg r e a t e s t ；t h ep o t e n t i a lb a r r i e rn e e d e dt oo v e r c o m ed u r i n gt h e p e r i t e c t i cr e a c t i o ni s l e s st h a nt h a td u r i n gt h es o l i d - l i q u i dp h a s et r a n s i t i o n ；t h e p o t e n t i a lb a r r i e rn e e d e dt oo v e r c o m ed u r i n gt h ee u t e c t o i dr e a c t i o n i sl e s st h a n t h a td u r i n gt h ep e r i t e c t i cr e a c t i o n t h ep h a s es e l e c t i o na n dp h a s es e p a r a t i o no ft h ea l l o y sw e r ea l s os t u d i e d ， w h i c hs h o w st h a tt h es o l i d i f i c a t i o ns e q u e n c ed e t e r m i n e db yp h a s es e l e c t i o ni s ： p r i m a r yp h a s e o fc u i nb i n a r ya l l o yi s a s o l i ds o l u t i o np h a s e ，p h a s et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r ei s a f f e c t e db ya l l o yc o n t e n ta n dc o o l i n gr a t e ；t h et e m p e r a t u r ei s a b o u t8 3 5 - 1 0 7 7 ；w i t hi n d i u mc o n t e n ti n c r e a s i n g ，p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e o f p r i m a r yd e s c e n d s ；t h e nt h ep e r i t e c t i cr e a c t i o nt a k e sp l a c ea n d b p h a s ef o r m s ， t h et e m p e r a t u r ei sa b o u t7 0 6 - 7 15 ：t h ep r i m a r yp h a s eo fc u i n c rt e r n a r ya l l o y i sc rs o l i ds o l u t i o n p h a s e ，t h e n a p h a s ep r e c i p i t a t e s ，t h e n 1 3 p h a s e p r e c i p i t a t e s ；i nt h ep r o c e s so fs o l i d - l i q u i di n t e r f a c em o v i n gf o r w a r d ，t h es y s t e m s u r f a c ef r e ee n e r g yi s n t e n o u g ht or e p e l sc rs o l i ds o l u t i o np a r t i c l e s ，t h e r e f o r e t h e p a r t i c l e sd i s t r i b u t e si ng r a i n o fo p h a s e k e y w o r d sc u - i n ，c u i n c r , s o l i d i f i c a t i o n ，k i n e t i c s ，s t r u c t u r e - i v - 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 铜基材料由于其在力学和电性能上的所固有的特性而广泛应用于电力、 电子、通讯、机械、冶金和国防等各个领域。随着人们对其研究的深入和高 新技术在材料研究上的应用，铜基材料的许多新的特性被发现，研究和应用 的领域不断地得到拓展i l 】，其中包括电接触材料、记忆合金、封装材料和引 线框架材料等 扣7 1 ，其中电接触材料是目前研究的热点之- - ! 引。 电接触材料是构成电触头的基本物质。任何电系统都需要进行电流的传 递、转换、输配、控制和调节，而这些工作是由带有电接触元件的装置来完 成的。在一个高度发达的现代化社会中，对各个电系统而言，无论是民用还 是军用，或者是工业、农业、服务业、信息业，人们对系统运行可靠性的要 求越来越高。这就对电接触材料的性能提出了越来越苛刻的要求。电接触材 料的性能和可靠性将直接影响上述装置中的关键元件一电接触元件的质量。 因此，电接触材料这一领域的研究对于工业制造领域和学术研究方面都具有 非常重要的意义。 a g c d o 材料由于其优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触电 阻，长期以来被认为是最好的电接触材料，广泛用于从几伏到上千伏的多种 低压电器中，曾被称为万能触点【9 “。a g c d o 和其他银基材料在一定时期 由于其理想的综合性能而被广泛应用【1 ”1 。”。但是，银的价格较贵，并且资 源储藏量有限，而镉对人及环境有害，因此限制了其应用0 8 。目前，该领 域最热门的研究内容包括采用廉价金属替代贵金属、廉价金属系的应用拓展 以及采用性能相近的无毒环保元素代替镉i l ”2 0 】，由于该研究具有显著的经 济效益而受到普遍重视1 2 ”。 铜由于其力学性能和电性能接近银，其中某些指标甚至超过银，而价格 又相对低廉，是代替银的理想元素。但是由于受力学和电性能中一些因素的 制约，单质铜很少被用作电接触材料。通过材料的合金化和复合化，从而获 得良好的使用性能一直是人们解决目前所存在问题的一个重要途径【2 2 w 。 铟具有与镉相似的性能，并且无毒，是理想的代镉元素。铟元素的特点是熔 点低、沸点高、硬度低和电阻率较低，作为合金元素加入到铜基体中，可以 使合金具有接触电阻稳定、截流值低、电磨损小、灭弧性好等特点【2 。铬 元素具有较高的熔点，良好的力学性能和电性能，常常与铜元素组成铜铬系 材料被广泛应用于电接触材料，如铜铬系电接触材料1 2 ”j ，铬元素的加入 使材料的耐压性、抗烧蚀性、抗熔焊性和截流性等性能得到改善p “。 目前，铜基电接触材料的制造方法比较多【32 1 ，主要包括两大类：粉末 冶金方法和熔炼铸造法。目前普遍采用的方法是粉末冶金方法，该方法主要 包括：混粉烧结法和熔渗法。就粉末冶金方法和熔炼铸造法而言，前者的原 料为合金粉术，其制造方法有雾化法、机械合金法等，需要在保护气氛下或 者真空下进行。因此通过对比以上两类方法，可以看出粉末冶金方法由于包 含制粉工序及其与之相关的工序，制造成本相对增加，压制成形后的合金其 致密度也不高，存在一定的空隙；熔炼铸造方法不需要经过制粉及其相关工 序，制造成本相对低廉，如果方法得当可获得相当致密的合金材料。 合金的组元、成分和制各方法以及与制备方法相关的工艺参数对成形后 的合金组织包括相的组成、形态及其分布有着极为重要的影响。通过合金的 成分设计和成分优化，选择合理的制造方法和工艺参数，可以获得我们所需 要的组织及其相的形态和分布，实现组织的控制。合金的组织与合金的性能 有着极为密切的关系，通过对组织、组成相及其形态和分布的研究，我们可 以对台金的性能有一个大体的定位，从而实现材料的优化设计。 本研究将采用铜基台金中c u i n 系合金，并采用铸造方法进行研究。铬 作为第三元素加入到c u i n 系合金中，将调整和改善c u i n 系材料的性能。 研究的重点是合金的凝固过程和组织以及相的形态、分布等方面的特征以及 合金的性能，以作为进一步研究的基础。 10 2 国内外研究现状 电接触现象的研究已经有一百多年的研究历史了。最初，只是为数不多 的人在研究电现象和电能利用的同时遇到过一些电接触问题，并作过一些简 单的研究。那时，研究的技术手段还较为简陋，研究的规模又很小，电接触 作为一门学科还处于初始阶段。电接触材料的研究是作为电接触研究的伴尘 学科，其发展是随着电的应用规模的扩大而发展的。各种电机、电器、电子 和通讯设备的大量涌现，使电接触问题开始突出起来。在当时的电系统中， 系统的规模和复杂程度不断地发展，电接触材料的性能直接对电系统的可靠 性和安全性产生影响。因此，世界各发达国家开始重视电接触材料的研究。 箱1 章绪论 1 2 1 国外研究发展状况 国外电接触材料的研究，早期主要集中在英、德、美、同、俄等几个工 业发达国家，这得益于其工业与学术基础的雄厚。世界上最早关注电接触技 术的是英国的j o h n s o nm a t t h e y 公司。早在l 8 5 0 年代，该公司就开始研究在 电信方面使用继电器，这样p t 被用于电键和继电器触头，a u 被用于电时 钟。由此产生了电接触材料研究的初步概念【33 1 。而电接触材料研究的兴起 始于上个世纪3 0 年代。当时正值各种电力机械不断出现，1 9 5 0 年代以后， 原子能、电子技术、空间技术得到迅速发展。在这一背景下，出现了许多电 接触现象，推动了电接触材料的研究，从材料的内部进行更深层的研究成为 必然趋势。著名学者霍尔姆( r h o l m ) 在西门子公司研究电接触现象数十 年，取得了卓越的成就，先后发表了电接触技术物理、电接触手册和 电接触理论和应用等专著【3 4 q6 1 ，为学科的创立奠定了基础。美国在 1 9 5 0 年代初就成立了电接触研究会，并以霍尔姆的名字来命名。其他发达 国家也纷纷成立了相关的学术机构。1 9 6 0 年代初，正式设立了国际电接触 现象会议，开展学科的学术活动【明。经过几十年的研究，电接触材料学科 已经得到发展，电接触材料也已经形成目前的五大系列数十个种类。表1 - 1 是国外主要电接触材料的种类及其产品【3 ”。 1 2 2 国内研究发展状况 我国从二十世纪五十年代起就已经开始进行电接触材料的研究工作。 最初，所采用电接触材料的制备技术来源于前苏联。在1 9 6 0 年代中断后， 又恢复了该领域的研究。1 9 7 0 年代后期，该学科的研究进入了一个空前活 跃、高速发展的阶段。西安交通大学王其平教授在国内最早开始有系统地研 究电弧理论，并且先后进行了电接触材料的研究【3 “4 0 1 ，1 9 8 1 年我国研究人 员首次参加了国际电接触h o l m 会议，并在会议上宣读了论文【4 “开始了该 学科的国际交流。 随着引进技术的兴起，西方先进的电接触材料和制造技术被引进、吸收 和消化。甚至国外跨国公司直接在我国创建独资、合资或合作企业，把其在 本学科先进的技术带入国内。在国家“六五”和“七五”期间，配合引进 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮发电机组以及高压和超高压电网，我国自行开发并生 产了c u w 触头，并开始生产a g n i 、a g c d o 、a g s n 0 2 、a g w 等银基触头材 哈尔滨工业人学工学博上学位论文 料“。电接触材料技术的研究和生产达到了空前的阶段。表1 2 为我国主要 电接触材料生产企业及其产品。 表1 1 国外主要电接触材料的种类及其产晶 t a b l e1 - 1m a i n s p e c i e sa n dp r o d u c t so f e l e c t r i c a lc o n t a c t m a t e r i a l so f f o r e i g n 研究及生产部门国别产品品种 j o h n s o nm a t t h e y英国h g c d o ，h g n i ，a g e ，a g w ，a g w c ，c u w m e t a 公司 d o d u c o 公司德国 a g ，a r c u ，a g c u n i ，a g n i ， a g n i m g ，a g c d o ，a g z n o ， a g s n o z ，a g c ，a g w ，a g w c ，a g m o ，a g p d ，a u c o ，a u n f ， a u a g n i ，p d c u ，c u c r ，w c u d e g u s s a 公司 德国 a g n i ，a g s n 0 2 ，a g c d o ，h g z n o ，a g w ，a g w c ，c u w ，a g m 0 g i b s o n 公司美国 a g n i ，a g c ，a g n i c ，c u w ，c u w c ，a g m 0 ，a g w ，a g f e a d v a n c e d 冶金有美国a g w ，a g w c ，c u w ，c u w c ，a g m 0 ，a g c d o ，a g c ，c u c ，a g n i ， 限公司a g n i c ，a g f e p r m a l l o r yl美国a g w ，c u w ，a g n i ，a g e d o c o i n c 钨公司日本 a g w ，c u w ，a g w c ，a g w c x ，a g c d o ，a g c d o x ， a g n i ， a g c r c u ，a g c r ，w n i c u 中外电气公司 日本 a g c d o ，a g c d o x ，a g n i ，a g w ，c u w ，a g w n i ，a g w c ， a g w c c o ，c u w c e 1 e c t r o c o n t a c t 俄罗a g ，a g c ，a g c u o ，a g c a o ，a g n i c d f e ，a g n i ，a g c n i ， 有限公司斯a g n i w ，a g w c t i w 表i - 2 我国主要电接触材料生产企业及其产品 t a b l e 卜2m a i ne n t e r p r i s e sa n dt h e i rp r o d u c t so f e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l so f c h i n a 企业名称产品品种 苏州合金材料厂有限公司 a g s n 0 2 ，a g c d o ，a g z n o ，a g w , a g w c ，a g - w c - c $ ， a g n i ，a g c 日* ，c u w 天水长城电工合金材料厂a b c d o 广州电t 合金厂 a g n i 、a g c d o 、a g w 、a g w c l 2 c 3 、a g s n 0 2 、 a g z n o 、a g c u 、a g n i l o c u 、a g c d o c u 、 a g c d o b z n 、a g c 北京粉末冶金有限公司电 a g c d o 、a g z n o 、a g s n o 、a g l n o 、c u w 等 j 二合金厂 - 河北安平电工合金厂a g c d o ，a g c u ，a g s n 0 2 ，c u b i a g ，c u b i a i ，c u c r 第1 章绪论 1 3 电接触材料的研究现状 1 3 1 电接触材料的分类和对材料的要求 1 3 1 1 电接触材料的分类方法电接触材料按不同的分类方法可分为多种不 同的类型，详见表1 - 3 。 表1 3 电接触材料的分类方法 t a b l e1 - 3c l a s s i f i t i o nm e t h o d so f e l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s 分类依据类型 化学元素a g 系，p t 系a u 系c u 系，w 系 电负载强电型，弱电型，微电型 工作方式开闭型，固定型。滑动型，接插型 制造方法传统方法，粉末冶金，电镀 j ：作环境普通型，真空型，保护气型，保护油型 材料结构单材料型，双层材料型，多层材料型 从材料研究的角度出发，通常采用化学元素分类法。电接触材料按照 化学元素分类法进行划分主要包括银基电接触材料和铜基电接触材料，详见 表1 - 4 1 4 2 4 舢。 由表1 4 我们可以看到银基材料的品种比较多，铜基材料的品种比较 少，这也反映了两种材料的研究和发展的现状，铜基材料的应用和研究滞后 于银基材料，这也与铜基材料在应用中所固有的问题没有得到很好地解决有 关，所以铜基材料还有很大的研究和开发潜力。 表1 4 银基和铜基电接触材料 t a b l e1 - 4s i l v e ra n d c o p p e rm a t r i x e l e c i t i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s 材料分类材料品种 用途 a g c d o 、a g z n 0 、a g s n 0 、a g n i 、a g c 、a g w 、a g w c 、a g f e强电 银基 a g 、a g c u 、弱电 c u r 、c u w c 、c u c r 、c u c 强屯 铜基 c u p d 弱电 1 3 1 2 电接触装置对材料的要求电接触材料在其使用过程中，要经历电 弧、碰撞、摩擦、温升和冷却等过程，应该在力学、电性能和化学性质方 面满足一定的要求。从力学方面来看，应该具有适中的硬度，硬度过大， 容易产生收缩电阻，使接触电阻加大，引起温升；硬度过小，容易使触头 产生堆积和蠕变，影响其使用寿命。应该具有一定的耐磨性，这一点对滑 动触头尤其重要。还应该具有适当的强度，以保证触头的正常工作1 4 ”。 从电学方面来看，应该具有良好的导电性，电阻率要小，以减少温升和 电损耗。应该具有良好的耐电侵蚀性，以减少电弧作用时发生的熔融、蒸 发、飞溅和材料转移。应该具有较强的抗熔焊性，防止电流过载时由于发热 而产生的熔焊，也防止由电弧引起的熔焊。应该具有较好的灭弧能力，这与 材料的剩余电流特性有着密切的关系，材料的剩余电流较大，则其灭弧能力 就弱，如钨和石墨：材料的剩余电流较小，则其灭弧能力就强，如铜、银及 其合金。应该具有低的截止电流，以防止电击穿。截止电流的大小与材料的 材质有关。 化学性质方面，材料的表面膜产生表面膜电阻，构成接触电阻的一部 分。表面膜越薄则接触电阻越小，利于减少材料温升和电能损耗；表面膜越 厚则不利于减少接触电阻，但利于防止熔焊和减少磨损。在一定的温度范围 和不同的介质中，具有良好的耐蚀性1 4 6 。 1 3 2 电接触材料及其组织和性能特点 1 3 2 1 银基电接触材料的组织和性能特点银基电接触材料根据不同的使用 条件而选用不同的合金组元，可适用于中压和高压等工况。组元的不同、 制造工艺的不同以及工艺参数的不同，使材料具有不同的组织和性能特 点。银基电接触材料主要是由银基氧化物电接触材料构成，而银基氧化物 电接触材料一般由两部分组成，一部分是基体，由a g 组成，使材料具有高 的电导率、良好的抗氧化性；另一部分是金属氧化物，可以明显地提高材 料的电接触性能【l 引。加入铜元素可以在保持高的导电率的同时，提高合金 的硬度；加入镉后，可减少电弧的产生；加入镍后，可使台金的晶粒细 化：加入钒后，可提高合金的力学性能、抗磨性、耐电蚀性、抗熔焊性和 光泽性；加入少量的锡和锌，可改善合金的抗硫化倾向。经过多年的研究 和发展，银基材料已经有多种合金系列投入应用，如表1 4 所示。总体上 说，其性能特点是，具有较好的耐电磨损性、抗熔焊性、较高的导电性、 较小而且稳定的接触电阻等等【4 。 - _ l 量曹_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i l l l l l l 在银基电接触材料中，a g c d o 是其中用量比较大的合金，既可以用于 高压电又可以用于低压电阻4 8 “9 1 。a g c d o 合金是以a g 为基体，c d o 作为 复合相或者说功能相，以粒子形态弥散分布在基体相中1 5 。而这些弥散分 布在基体相中的第二相颗粒对材料的性能起着良好的作用，c d o 颗粒有一 定的硬度，其分布于基体间，提高了基体的耐磨性；弥散相在起弧时，急剧 挥发、分解，有利于熄弧；弥散相在熔体中，增加了熔体的粘度，有利于减 少液滴的飞溅【3 8 | 4 8 5 1 l 。c d o 弥散相的熄弧性，是由于该相在9 0 0 。c 温度以 下就能分解成镉蒸气和氧，镉蒸气有高的游离电位( 9 e v ) ，氧则起熄弧作 用。当c d o 相分解变成气体时，体积要增大几个数量级，因而产生显著的 吹弧效应。当c d o 的含量达1 2 1 5w t 时，性能最佳1 3 7 j 。 1 3 2 2 铜基电接触材料的组织和性能特点经过多年的研究和开发，并且随 着真空、保护气和保护油等工作条件的形成，使铜基电接触材料的种类和 应用得到较大的发展，具体见表1 5 。目前，铜摹电接触材料已经成为高、 中压电网和真空开关中用量最多的合金之一，而这其中用量展多的主要是 两大类合金，即c u w 系和c u - c r 系。 铜钨材料作为电接触材料已经有几十年的历史了，1 9 8 0 年代后期，铜 钨合金作为真空开关中的电接触材料，而得到新的应用，并由此发展了真空 铜钨材料 5 2 1 。金属铜和钨二元素之间的互不相溶性，使二者只能形成伪合 金( p s e u d o a l l o y ) 1 5 3 。铜元素的高导电率、导热率、高分断能力和钨元素 的高熔点、高硬度和高抗电弧烧蚀性，使二者形成的伪合金成为具有优良特 性的一个电接触材料系列f 5 4 6 1 。铜钨电接触材料中钨含量常在5 0 8 5w t 范围，具有较高的耐电压能力，当钨的含量为4 0 叭时，材料的体积消 耗最小【5 “。钨的熔点远高于铜，因此大电流电弧往往使铜的喷溅、蒸发损 耗量相对较大，造成铜钨电接触材料表面形成一定的富钨层，富钨层可被加 热到很高的温度。当电流过零极性反转后，原为阳极的高温富钨层极易产生 热电子发射，导致电弧重燃、分断失败。所以，铜钨系电接触材料的分断能 力较低，且铜的损耗量较大，但使用寿命较长，故主要适用于中压低电流转 换开关。 铜钨电接触材料的截流值偏高，为了使截流值降低，通常采用在材料中 添加低熔点元素( 如锑、碲、铋等) 的方法。由于这些低熔点金属在钨、铜 中的溶解度很低，它们在电接触材料中一般都以化合物或单质的形式存在， 在电弧作用下，触头中的低熔点元素或其化合物既可防止触头熔焊，又能提 供维持电弧的蒸汽压，使截流值降低 5 8 1 。 喻尔滨丁业大学l 学博士学位论文 表l - 5 铜基电接触材料的品种、性能和应用 t a b l e1 - 5s p e c i e sa n dp r o p e r t i e sa sw e l la sa p p l i c a t i o n so f c o p p e rm a t r i xe l e c t r i c a lc o n t a c t m a t e r i a l s 合金性能优点性能缺点 用途 c u c r 截流值低，开断能力大，耐高电阻率较高中压真空断路器 压，耐电弧侵蚀 c u w 热容量大，耐电弧侵蚀，抗熔在空气中易氧高压开关，油开关 焊性好，在油中不氧化 化，不宜用于空 气开芙 c u w t b 耐高压 截流值大3 - 1 0 k v 真空开关 c u w - 1 3 k v 真空开关 w c c u w c 强电开关 c u c f 石价格低 断路器嵩磐。 弄 墨) c u b j 抗熔焊性良好，截流值较低， 介质强度低，电2 0 k v 以下真空断路 有一定的开断能力弧侵蚀大，寿命器 短 c u b i a g耐电压强度高1 0 k v ，2 0 k v 真空 断路器 c u b i a l 抗熔焊能力强 损蚀率较高，电 强电开关 导率较低 c u b i c e 抗熔焊能力强，灭弧能力较电侵蚀较大，截 1 0 k v ，8 7 k v 真空 强，耐电压强度较高 流值较高约9 断路器 i l a c u c d c p机械耐磨性较高，抗电弧烧损 低压开关 性较高 c u w 系材料的应用一般均在保护环境中，如真空、保护油、s f 6 等 t b g 。c u w 系合金主要适用于高压、电流低于5 5 0 0 a 工况，并用在断路 器、油开关和接触器等场厶【4 3 5 引。 c u w 系合金般采用液相烧结法、熔渗法和烙浸法等方法制造6 们，图 1 - 1 为采用机械合金化法制粉，用烧结法制备的合金试样1 6 ”。烧结温度为 1 3 4 0 c ，可以看出液相烧结特征不明显，反而固相烧结特征却比较明显。烧 结体中的团粒结构细小、均匀。团粒问和团粒内铜的分布不同，前者少而 密，后者多而疏。烧结体中的大团组织是由许多小颗粒结合而成。细微结构 见图1 - 2 怕”。图1 - 3 为c u 8 5 w 合金试样在扫描电镜下的观察结果1 6 3 1 。由 图可见，加压烧结前后的样品组织特征基本相同：钨颗粒尺寸大小较为均 匀；颗粒表面光滑，形状近球形，颗粒间连接较为紧密；铜相较均匀地分布 于钨颗粒之间。经加压烧结后，钨颗粒2 _ f 日q 的结合更加紧密，烧结颈的宽度 有长大的趋势，颗粒合并长大的现象更为明显，钨颗粒的尺寸也较加压烧结 前要大。 图1 - 1c u - w 合金烧结试样的s e m 形貌”1 1 f