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c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 摘要 真空断路器广泛应用于中高压电力系统，c u c r 合金是目前性能最好的适合 于真空断路器的触头材料。由于c r 的熔点很高，这类合金制备难度较大。优化 制备工艺、改善c u c r 合金的组织和性能是c u c r 触头材料的中心课题。本文对 c u c r 2 5 合金的制备工艺进行了研究，包括采用部分预合金化的c u c r l 0 合金粉以 细化组织的方法、粉末压制工艺、h 2 还原固相烧结、h 2 还原液相烧结和真空液 相烧结等常规烧结工艺、一种电弧速熔激冷烧结新工艺、以及热处理改性工艺的 研究。 研究结果表明，c u c r l 0 预合金化粉末和纯c r 粉混合烧结制备c u c r 2 5 触头 材料，它能够析出比任何粉粒都细小的c r 颗粒，改善c u c r 2 5 触头材料的组织， 大大提高其机械性能和电性能：c u c r l 0 粉末的压制性能不佳，而c r 粉的加入能 明显改善其压制性能；在三种不同的烧结工艺下烧结，压坯的压制压力对性能的 影响规律非常相似，在压制压力为7 6 3 m p a 下压制，试样烧结后的硬度和导电 率最高。 在氢还原气氛中的烧结实验结果显示：液相烧结比固相烧结相比，材料密度 明显为高，导电率和硬度也都更高；而真空液相烧结则又进一步优于氢还原气氛 液相烧结；采用我们提出并实验研究的电弧速熔激冷烧结新工艺，得到的c u c r 2 5 材料组织均匀，其中的c r 颗粒更为细小( 约1 0 p , m ) 且呈近球形弥散分布，各项 性能优于真空烧结所制备的样品。 采用固溶加时效处理能使c u c r 2 5 组织和综合性能得到提高；固溶温度对时 效后材料的硬度和导电率都有显著影响：在8 6 0 - - 一9 5 0 c 的范围内，随固溶温度 升高，材料硬度提高，而导电率则在9 2 0 * 0 附近出现峰值；用c u c r l 0 预合金粉 末配制的c u c r 2 5 合金在未经固溶处理而直接时效的处理条件下，其硬度和电导 率也能得到显著提高：电导率提高2 8 ，硬度提高2 5 7 。 关键词：电触头；c u c r ：粉末；压制；烧结；时效； c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 a bs t r a c t v a c u u ms w i t c h e sh a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nh i g h v o l t a g ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m s c u c ra l l o y sh a v eb e e ni d e n t i f i e da st h eb e s tc o n t a c tm a t e r i a l si nv a c u u m s w i t c h e s d u et ot h eh i g hm e l t i n gp o i n to fc r , c u c ra l l o y sa r ev e r yd i f f i c u l tt om a k e o p t i m i z a t i o no fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dr e f i n e m e n to ft h em i c r o s t r u c t u r e sh a s t h u sd r a w ng r e a ta t t e n t i o ni nt h er e c e n td e c a d e i nt h ep r e s e n tw o r k ，w ei n v e s t i g a t e d i n t op o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s e so fc u c r 2 5a l l o y , i n c l u d i n gu s eo fp r e - a l l o y e d c u c r l0p o w d e r sf o r o b t a i n i n gi n - s i t ug r o w nf i n e rc rp a r t i c l e s ，p r e s s - s h a p i n g p o w d e r s ，s o l i d - p h a s e a n d l i q u i d p h a s es i n t e r i n gi nh y d r o g e na n dv a c u u m r e s p e c t i v e l y , an e ws i n t e r i n gm e t h o di n v o l v i n gf a s tm e l t i n g s o l i d i f i c a t i o nu n d e r e l e c t r i ca r c ，a n dh e a tt r e a t m e n to ft h es i n t e r e dc u c r 2 5a l l o y s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gp r e a l l o y e dc u c r l0p o w d e rc a no b t a i n e d i n - s i t ug r o w nf i n e rc rp a r t i c l e si nt h es i n t e r e dc u c r 2 5a l l o y s ，a n dc a nr e f i n et h e m i c r o s t r u c t u r ea n di m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n de l e c t r i c p r o p e r t yo ft h e s i n t e r e dc u c r 2 5a l l o y s ；t h ep r e s s i n gp r o p e r t yo fc u c r l0a l l o y i n gp o w d e ri sn o ts o g o o dh o w e v e r , i tc a nb ei m p r o v e db ya d d i n gp u r ec rp o w d e r ；t h er e s e a r c hr e s u l t a b o u tt h r e ed i f f e r e n tc o n v e n t i o n a ls i n t e r i n gp r o c e s s e ss h o w st h a tt h er e g u l a r i t yo ft h e e f f e c to fp r e s ss h a p e sp r e s s u r ef o r c eo np r o p e r t yi sr e s e m b l e w h e nt h ep r e s s u r e f o r c ei s7 6 3 m p a ，t h eh a r d n e s sa n d c o n d u c t i v i t yo fc u c r 2 5r e a c hm a x i m u m t h er e s e a r c hr e s u l t so fs i n t e r i n gi nh y d r o g e ns h o wt h a tt h ed e n s i t y , c o n d u c t i v i t y a n dh a r d n e s so fc u c r 2 5p r e p a r e db yl i q u i d - p h a s es i n t e r i n gi nh y d r o g e na p p a r e n t l y h i g h e rt h a ns o l i d - p h a s es i n t e r i n g ，a n dv a c u u ml i q u i d - p h a s es i n t e r i n ga p p a r e n t l y h i g h e rt h a nl i q u i d - p h a s es i n t e r i n gi nh y d r o g e n ；an e ws i n t e r i n gm e t h o di n v o l v i n g f a s t m e l t i n g s o l i d i f i c a t i o nu n d e re l e c t r i c a r ch a sb e e nu s e dt o p r e p a r ec u c r 2 5 c o n t a c tm a t e r i a l w eo b t a i n e dc u c r 2 5c o n t a c tm a t e r i a lw i t hg o o ds t r u c t u r a l h o m o g e n e i t ya n df i n e rc rp a r t i c l e ( a b o u t10 9 m ) ，a n di t s p r o p e r t i e sa r eb e t t e rt h a n t h es a m p l ep r e p a r e db yv a c u u ml i q u i d p h a s es i n t e r i n g c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc u c r 2 5a l l o ya r er e m a r k a b l yi m p r o v e d a f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t ，a n dt h es o l i ds o l u t i o nt e m p e r a t u r eo b v i o u s l ya f f e c tt h e h a r d n e s sa n dc o n d u c t i v i t yo fc u c r 2 5a l l o y i nt h er a n g eo f8 6 0 4 - 9 5 0 。c ，t h eh i g h e r s o l i ds o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e rh a r d n e s sw a sa c h i e v e d ，a n dt h eh i g h e s t c o n d u c t i v i t yi so b t a i n e dw h e nt h ea l l o yw a ss o l i ds o l u t i o nt r e a t e da r o u n d9 2 0 。c u n d e rt h ec o n d i t i o no fa g i n gw i t h o u ts o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t ，c u c r 2 5a l l o yp r e p a r e d 、i mp r e a l l o y e dc u c r l0p o w d e re x h i b i t sm u c hh i g h e rh a r d n e s sa n dc o n d u c t i v i t y ， w i t ht h ec o n d u c t i v i t yi n c r e a s e db y2 8 a n dh a r d n e s si n c r e a s e db y2 5 7 a f t e ra g i n g a t5 3 0 f o r2 5 h l iw a n l i n ( m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rz h o ul a n ga n dt a nd u n q i a n g k e yw o r d s ：c o n t a c t ：c u c r ：p o w d e r ：p r e s s i n g ； s i n t e r i n g ；a g i n g ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌文学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 虏易辞 签字日期： 旷6 年乡月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：力万玮 签字日期： d 占年d - 月) d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师魏司k 签字日期： o 6 年、i 月2 b 日 电话： 邮编： c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 第一章绪论 断路器是电力系统中最重要的组件之一，承担着控制和保护电力系统的作 用，并且要能安全可靠运行。断路器通常按灭弧原理划分为油断路器、气吹断路 器和真空断路器。也有按使用环境的电压等级来划分：如3 5 k v 以下的称为中压 断路器；l1 0 k v 、2 2 0 k v 称为高压断路器；3 3 0 k v 及以上电压等级使用的称为 超高压断路器等。高压和超高压输变电系统以s f 6 断路器占主导地位，而3 5 k v 以下配电系统的断路器己由真空断路器占主导地位。在近几十年来，真空断路器 己广泛运用于电力、石油、煤矿、冶金和电气铁道领域，在同本，德国，美国 等发达国家，真空断路器在中压市场上占8 0 e 2 j 。真空断路器对触头材料要求十 分苛刻，几十年来国际上真空断路器触头材料经历了几代发展演变，目前形成了 铜铬合金为主、不断优化工艺、成分的局面。本章将就真空断路器对触头材料的 要求、有关触头材料的发展和现状、铜铬合金的特点、优势、发展趋势以及本课 题的研究目的和内容作一综述和介绍。 1 1 真空断路器对触头的要求 真空断路器的结构如图【3 1 1 1 所示：其内部是一个封闭的腔体，冷态真空度为 1 3 3 1 0 4 p a ，采用金属与陶瓷的真空钎焊技术，以保证内部获得高真空状态。 1 移动电端 2 可动金属风箱3 绝缘真空罩4 一触头材料 5 一末端护罩6 、7 一金属陶瓷扣8 一风箱罩 9 金属蒸气冷凝罩1 0 一尾罩1 1 静j 卜电端 图1 - 1 真空断路器结构示意图 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 真空断路器常被称为真空开关，其发展的两大核心问题是真空工艺与真空触 头材料的技术进步。触头材料是真空断路器的关键材料，它直接影响到真空断路 器的电气性能。高压触头材料在高电压、大电流、高真空、高温下反复离合的严 酷条件下工作，对材料性能提出了苛刻的要求，如寿命、分断能力、闭合能力、 触头间隙的耐压强度、截流能力及截流值。表1 1 所示为真空开关对触头的基本 要求，有些要求之间是相互矛盾的。不同种类的真空开关应用到不同场合时，对 触头的要求也不同( 例如，低压真空接触器在无过电压保护装置时，对截流值要 求越低越好，而触头的截流值对中压等级的真空断路器而言却不是很重要，因为 在这个电压等级的配电系统中高一些的过电压水平可以被承受) 。一般来讲，真 空断路器用的触头要求高的分断能力和一定的分断次数，对高电压等级的真空灭 弧室还要求高的耐电压强度，在电弧作用下的电磨损率要低，具有一定的抗熔焊 能力，较强的机械耐受力，而其他要求则为一般。接触器用触头要求载流水平低， 在百万次或百万次以上的额定电流操作下电磨损率应小，并能适应频繁操作等。 负荷开关对触头材料无特殊要求。 表1 1 真空断路器对触头材料的基本要求 项目要求 触头间隙的电压等级 7 2 - - - 6 0k v 耐压强度 3 6 1 7 0k v 分断能力不同的应用场合要求分断能力不同，可高达6 3 k a 接触器：1 0 0 万次开关操作 寿命断路器：1 万次( 额定电流下的操作) 3 0 万次( 短路情况下操作) 接触电阻导通4 k a 额定电流时，温升 a s a 3 ；压制压力为7 6 3 m p a ，真空烧结后样品的硬度最高。 图3 - 7 压制压力对硬度的影响 3 4 c u c r 2 5 高压电触头材料制各工艺研究 3 3 5 压制压力烧结试样电导率的影响 压制压力对试样电导率的影响如图3 - 8 所示从中可以看出：氢还原烧结样 品的电导率先是随压制压力的增大先上升，当压制压力大于7 6 3 m p a 后电导率急 剧下降；氢还原烧结样品的电导率受压制压力的影响波动较大，而真空烧结样品 的电导率基本比较稳定，受压制压力的影响较小。 3 3 6 讨论 图3 8 压制压力对电导率的影响 固相烧结样品相对于液相烧结样品致密性差，金相组织不均匀，c r 颗粒形状 不规则，导致触头材料的性能较差。液相烧结中真空烧结样品的致密度大于氢还 原烧结，这是保证触头材料在开断过程中呈现优越性能的重要前提【59 1 ，对触头材 料的电气性能起关键性作用。真空烧结后的组织相对比较均匀，细小的c r 颗粒 相对较多，几乎都呈近球形状态，弥散分布于铜基体中。近球状外形的c r 粉， 以及细的c r 粉对触头耐压是有利的，采用外形光滑的近球形颗粒c r 粉的c u c r 触头比采用不规则多边形状c r 粉的c u c r 触头的重燃率要低得多【6 。而当c r 粉颗粒较大时，在c r 相上发生电弧击穿的几率较高，耐压水平相对较低；而采 用细c r 粉时，在c u 相发生击穿的几率较高，同时耐压水平较高i6 1 】。理论上对 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 c r 粉形状及粒度对耐压影响的解释是：与近球形颗粒状或者细颗粒c r 粉相比， 不规则外形c r 粉或者粗大c r 粉颗粒其表面突起程度大，机加工后或关合操作 后易形成c r 颗粒边缘突起，在电场中容易产生尖端放电而重燃或击穿。随着c r 颗粒的细化，以及c r 颗粒的球形化，尖锐部分突起的程度要小得多，因此耐压 性能可得到改善。采用单晶c r 颗粒降低c u c r 触头重燃率的原因也与此有关， 即单晶体强度好，在开关操作时触头表面c r 颗粒不易被压碎或拉裂，引起微观 突起或微粒运动而重燃。 3 4 本章小结 本章对传统的烧结工艺进行了研究，分析了复合粉末的烧结性能，分析比较 在不同烧结下得到的组织性能差异，总结如下： ( 1 ) 真空烧结样品b 4 比氢还原烧结样品b 5 的组织均匀细小的多，b 4 中的 c r 颗粒小于1 0 0 0 t m ；真空烧结样品a 4 ( 7 6 3 ) 组织均匀，c r 颗粒呈球形 弥散分布与c u 中。 ( 2 ) 三种不同的烧结工艺下，压坯的压制压力对性能的影响规律非常相似， 试样烧结后的性能都是在压制压力为7 6 3 m p a 左右时最好。 ( 3 ) 在相同的压制工艺和相同的烧结温度下，真空烧结后样品的致密度，硬 度都大于氢还原烧结样品，且其电导率受压制压力的影响很小。 3 6 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 第四章c u c r 粉末压坯的电弧速熔激冷烧结工艺研究 4 1 引言 目前的c u c r 合金基本上都是采用传统的粉末冶金法制备的，其工艺分为混 粉烧结法和浸渍法( 熔渗法) 两种，具体工艺生产过程在文【6 2 , 6 3 t ：扣有详细介绍。 传统粉末冶金理论认为，难熔金属骨架体积小于3 5 4 0 时不能使用熔渗法工 掣6 4 1 ，c u c r 2 5 触头中铬骨架体积不足3 0 ，也就是说，c u c r 2 5 触头材料无法用 熔渗法制造【6 5 1 。 混粉烧结是一种常规的粉末冶金生产工艺，即混粉压制烧结工艺，是 c u c r 2 5 触头最常用的制造工艺，烧结温度一般在9 0 0 以上，此时c r 在c u 中溶 解度极小，两组元的特性能很好的保持，这对触头性能非常有利。但固相烧结难 以达到高密度，需要烧结时间较长，约6 5 小时6 6 , 6 7 , 6 8 】。为此，需采取后续热加工 致密化，工艺比较复杂，材料韧性差。为简化工艺，省去烧结后热加工致密化降 低成本，可通过压形后直接在高于c u 的熔点温度下进行液相烧结。液相烧结时， c r 在c u 中有较多溶解，c r 颗粒变圆，溶解的c r 在冷却至室温时又弥散析出大 量细小的c r 相，从而使组织和导电性能发生变化。这两种方法制备的c u c r 触头 材料都具有粉末冶金材料固有的缺陷，即材料的致密度差，结合不够紧密。触头 材料的这种烧结缺陷以及松散结合的c u c r 结构在真空开关实际运用中会大大降 低开关的分断性能和耐压强度，影响运行的可靠性。 为了克服传统粉末冶金技术的弊端，p r a d e l l 6 9 1 等人用真空电弧熔炼法制备了 c u c r 2 5 触头材料。该工艺方法可获得c r 颗粒尺寸3 0 5 0 微米的c u c r 2 5 触头材 料，二次析出的c r 颗粒更细，相对理论密度大于9 8 ，触头含气量较低，生产周 期鲥7 0 1 。其缺点是容易产生偏析，c r 颗粒聚集长大，严重影响耐压强度。 电弧速熔激冷致密化工艺就是将混合后的c u c r 2 5 复合粉末压制成坯体，作 为阴极，放在真空非自耗电弧炉坩埚中，引弧后控制电流强度达到控制坯体的熔 化速度，熔化后立即在水冷坩埚中急速冷却。这种工艺既能解决粉末烧结法中结 合强度不高、致密度差的问题，又解决了电弧熔炼法中的c r 颗粒偏析、聚集长 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 大的问题，结合了粉末冶金和电弧熔炼的优点，有望制备出晶粒细小、组织均匀、 致密度高、性能优异的c u c r 2 5 触头材料。 4 2 实验方法 4 2 1 电弧速熔激冷 将两种不同复合粉末h 和e 都在7 6 3 m p a 下压制成坯，然后在电弧炉中用 不同的电流、不同时间对试样进行处理，最后在5 3 0 下时效2 5 h 。试样编号如 表4 - 1 所示： 表4 - 1 不同试样的处理工艺参数 h 一由c u c r1 0 合金粉末和c r 粉混料压制而成的试样 e 一由单质c u 粉和c r 粉混料压制而成的试样 4 2 2 组织观察及性能测试 用厦门第- o g 子仪器厂生产的7 5 0 1 涡流电导仪测定试样的电导率，单位为 m s ，s 和欧姆是等价的。在涡流检测中还常用i a c s 来表示电导率( 即国际退火 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 铜标准) 这种单位规定经过退火的、非合金化的铜( 电阻率为1 7 3 1 0 。8 q m ) 的电导率为10 0 i a c s 。假设测出的电导率为x ，那么它的电阻率为 形1 0 。6 q m ，电导率换算公式为： 4 3 结果与讨论 4 3 1 显微组织观察 oi a c s ： 工1 0 6 ( q 么_ 上一1 0 0 l7 3 1 0 8 锄 试样e 。、e 4 、e 6 的金相如图4 1 所示：e ，中c r 相较大的颗粒边缘都已球化， 比较规整，细小的c r 颗粒呈球形弥散分布；e 。中c r 相较大的颗粒边缘也比较平 滑，细小的c r 颗粒相对少些；e 。的c r 相不规则，棱角比较明显，保留了球磨混 料后粉术形态川。 e l e d e 6 图4 - 1 电弧电流对组织的影响 3 9 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 在电弧电流为2 0 0 a 时，弧焊期间出现少量液相，整个过程类似于液相烧结， 少量c r 颗粒固溶在c u 中；当电弧电流大于2 0 0 a 时，电流越大，样品迅速熔化， 固溶在c u 中的c r 急剧增加，时效后析出的细小c r 颗粒也明显增多；而电流小 于2 0 0 a 时，类似于固相烧结过程。在5 0 0 a 下速熔激冷的样品e 。组织均匀，c r 相呈球形弥散分布，这对c u c r 2 5 触头材料的电气性能非常有利，特别是耐电压 性能。 4 3 2 电弧电流对试样硬度的影响 图4 - 2 为电弧电流对e 组试样硬度的影响图，由图可以看出：电弧电流越大， 试样的硬度越大；电弧电流小于2 0 0 a 时，硬度上升不明显，电弧电流大于2 0 0 a 时，试样的硬度急剧上升。这是因为电流大于2 0 0 a 时，随着电流增大，固溶的 c r 相增多，时效析出来的细小、弥散c r 颗粒就相应多，这些弥散的c r 相有效 阻止了晶界和位错的移动从而使铜基体强化，因此硬度增大。 图4 2 电弧电流对硬度的影响 4 0 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 4 3 3 电弧电流对电导率的影响 图4 3 为电弧电流对e 组试样的电导率的影响图，由图可以看出：样品的电导 率随着电流的增加略微有些降低，但影响不是很大。 笛 、 邑 料 曲 脚 图4 - 3 电弧电流对电导率的影响 根据导电性理论，c u c r 合金的导电性主要与c u 基体中的过饱和溶质原子有 关，而与空位、位错和晶界等晶体缺陷关系不大，且固溶于铜基体中的原子引起 点阵畸变对电子的散射作用比第二相引起的散射作用强得多，沉淀相析出使合金 导电率得以恢复，故时效沉淀析出c r 相后，电导率波动不大。 4 3 4 预合金化对硬度的影响 图4 - 4 为e 组样品和h 组样品硬度值的比较，由图看出：使用预合金粉末 c u c r l 0 制备的h 组的硬度明显大大高于用单质c u 粉和c r 粉混合制备的e 组样 品。 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 图4 4 预合金化对硬度的影响 4 3 5 预合金化对电导率的影响 图4 5 为预合金化对电导率的影响图，从图看出：h 组样品的电导率低于e 组，即使用预合金粉末c u c r l 0 的样品在同样制备工艺下，其电导率低于c u 粉 与c r 粉混合制备的e 组样品；h 组样品的电导率受电弧电流的影响较小。 图4 - 5 预合金化对电导率的影响 4 2 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 4 3 6 电弧速熔激冷与常规烧结制备试样的性能比较 电弧速熔激冷与真空烧结后样品的性能如表4 2 所示，从中可以看出，h 组 样品的相对密度、硬度、电导率都比常规烧结工艺制备出来的试样好。 表4 - 2 不同样品的性能比较 图4 - 6 电弧速熔激冷与真空烧结后的金相组织，由图看出h 。样品中c r 颗粒 小，大多数都在1 0 “m 左右，且分布比较均匀，致密度又高，这对耐电压强度性 能非常有利。 a 4 ( 7 6 3 ) 图4 - 6 电弧速熔激冷与真空烧结后的金相组织 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 4 3 7 分析与讨论 c u c r l 0 合金在低倍金相显微镜下观察，铬相在铜中的分布特点是铬在铜中 主要分布于晶内，在晶界处基本上看不到大块的铬相如图4 - 7 所示，即强化效果 来自于铬强化了铜单晶。 图4 - 7c u c r l 0 合金粉末c r 在c u 中的分布 虽然在电弧快熔激冷条件下也有一定量的c r 固溶于c u 中，但相对雾化制 备的c u c r l 0 粉末，其固溶量很小，因此，最后h 组样品的中析出的c r 相大大 超过e 组样品，弥散强化效果更明显，即h 组的硬度比e 组高很多。 4 4 本章小结 本章对电弧速熔激冷新工艺进行研究，得出如下结论： ( 1 ) 在大电流5 0 0 a 下速熔激冷的样品h ：和e 组织均匀，c r 相呈近球形弥散 分布。 ( 2 ) 在相同制备工艺下( 电弧速熔激冷) ，使用预合金粉末c u c r l 0 能够改善 c u c r 2 5 触头材料的组织，大大提高其性能。 ( 3 )电弧速熔激冷烧结工艺制备的c u c r 2 5 合金的组织和性能优于常规烧结工 艺所制备的样品。 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 第五章c u c r 2 5 触头材料热处理工艺研究 热处理是材料制备的必要工序，它对材料的最终性能起着非常重要的作用。 无论是用哪种工艺制备的c u c r 合金，其性能都要通过随后适当的热处理工艺来 优化。因此可以说，选择合理的热处理工艺，对c u c r 系合金来说也是很重要的。 研究表明：经过合适的热处理工艺，能使c u c r 合金的性能得到很大改善【7 2 7 3 7 4 1 。 目前，研究时效温度、时效时间对c u c r 合金性能影响已有报道，梁淑华【7 3 】 等人认为，c u c r 合金的时效温度以5 3 0 为佳，但有关固溶温度对c u c r 触头材 料组织和性能的影响，特别是对c u c r 2 5 的影响的报导还未见报道。本章主要研 究了不同固溶温度、相同的时效温度( 5 3 0 ) 条件下固溶处理对c u c r 2 5 触头材 料的组织和性能的影响，并研究了时效处理对用c u c r l 0 预合金粉末真空烧结制 备的c u c r 2 5 材料的性能影响，最后对其原因作了初步分析讨论。 5 2 实验方法 试验材料：c u 粉和c r 粉混粉烧结方法制备的c u c r 2 5 合金，c u c r l 0 合金粉 末和c r 粉混粉烧结制备的c u c r 2 5 * ，化学成分( 州) 均为：7 5 c u 、2 5 c r ，热 处理前基本性能如表1 所示。将样品分别在s k 2 - 1 0 1 6 型管式电阻炉内进行热处 理。用维氏硬度计测试硬度( h v ) ，数据取7 次测量结果的平均值；采用m e f 3 型 金相显微镜观察显微组织；用f q r 一7 5 0 1 型涡流导电仪测量电导率。 表5 1 粉末法制备c u c r 2 5 的基本性能 木为c u c r l 0 合金粉末和c r 粉混粉烧结制备的c u c r 2 5 合金材料 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 工艺选择： ( 1 ) i n 溶+ 时效。固溶温度为8 6 0 、8 9 0 、9 2 0 。c 矛1 1 9 5 0 ，保温时间3 0 分钟，时效温度为5 3 0 ，时效时间4 小时。在不同的时效时间取出样品观察 其金相组织并测量其性能。 ( 2 ) 直接时效( 5 3 0 c ) 4 5 4 , 时。由于c u c r 2 5 * 采用了雾化制各c u c r l o 预合 金粉末，其组织中含有大量过饱和固溶体，不需要进行固溶处理。 5 3 结果与讨论 5 3 1 固溶、时效对c u c r 2 5 组织的影响 图5 1 为( a ) 固溶处理前、 ( b ) 9 2 0 。c 固溶态、( c ) 9 2 0 。c 固溶5 3 0 。c 时效态 三种不同状态的金相照片。囤溶态是指经过固溶处理还未经过时效的状念，时效 态是指经过固溶和时效处理晤的状态。从图5 1 可以看出：经过固溶处理后， c u c r 2 5 中的块状c r 颗粒略有变小，边缘也变光滑了些，细小的c r 颗粒明显减 少；在经过时效后，细小c r 颗粒又明显增加呈弥散分布状态。 ( a ) 固溶处理前 4 6 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 ( b ) 9 2 0 。c 固溶态( c ) 9 2 0 。c 固溶5 3 0 。c 时效态 图5 1 固溶、时效后金相组织变化 5 3 2 固溶温度对c u c r 2 5 硬度的影响 图5 - 2 为不同温度下固溶、5 3 0 时效4 小时后的硬度值变化曲线。从图5 2 可看出：在时效后3 0 分钟硬度上升很快，固溶温度越高，时效时硬度值上升越快； 整个时效过程硬度会出现峰值，固溶温度越高，硬度出现峰值越大且需要的时效 时间也越短。 兮 邑 魁 酗 时效时间( m i n ) 图5 2固溶温度、时效时间对硬度的影响 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 图5 3 为不同温度下固溶处理对硬度的影响，从图5 - 3 可以看出：随着固溶温 度的升高，固溶态的硬度值增大，但都比固溶处理前小，时效态峰值急剧增加。 图5 - 3 固溶温度对硬度的影响 5 3 3 固溶温度对c u c r 2 5 电导率的影响 图5 - 4 为不同温度固溶、5 3 0 时效4 d x 时后的电导率变化曲线。从图5 4 可以 看出：时效后3 0 分钟电导率回升很快，之后慢慢增加缓慢，达到峰值后开始减小， 固溶温度为9 2 0 。c 时，电导率回升最快，峰值也最大，且在时效卜3 小时时间内的 电导率值相对稳定。 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 目 = 瓣 曲 御 时效时间( m i n ) 图5 - 4 固溶温度、时效时间对电导率的影响 图5 5 为不同温度下固溶处理对电导率的影响。从中可以看出：随着固溶 温度的增大，固溶态的电导率减小，且都比固溶处理前小；时效态电导率峰值以 9 2 0 固溶时最大，比固溶处理前提高了1 4 6 。 ，一、 吕 、 鬟 v 龉 曲 脚 固溶温度( ) 图5 - 5固溶温度对电导率影响 4 9 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 5 3 4 时效对试样c u c r 2 5 + 的性能的影响 图5 - 6 为a 4 ( 7 6 3 ) 时效4 5 h 电导率的变化曲线，由图可以看出，在2 5 h 时 起电导率达到最大值，随后有所下降，原因可能是析出的c r 颗粒开始回熔和聚 集长大，使导电性能和硬度都下降。 t i m e ( r a i n ) 图5 喝时效时间对电导率的影响 对第三章中三种不同烧结方法制备的试样进行时效处理，时效前与5 3 0 时 效2 5 h 后电导率变化如图5 - 7 所示：三种不同的烧结方法烧结体时效后电导率 都有很大提高，真空烧结提高最为明显，高达2 8 。 5 0 两巧两巧筠巧筠筋两巧伯侣侣侣倡仃仃仃仃j2佰佑侣惦佰侣佰似似似似 一e毫一参一；03可coo oij_oo一山 c u c r 2 5 高压电触头材料制各工艺研究 烧结方法 图5 - 7 时效前后电导率的比较 a 4 ( 7 6 3 ) 在5 3 0 。c 下时效2 5 h 后的。i i + 工t - 台日匕k 变化如表5 2 所示，由此可以看出， 其电导率提高了2 8 ，硬度提高了2 5 7 。 烧结的试样中，有大量的c r 颗粒过饱和固溶于铜中，此时的主要强化方式 为固溶强化，其效果没有弥散强化效果明显，需要在一定的温度下时效，将过饱 和固溶于c u 中的c r 析出，形成弥散析出强化，大大有利于c u c r 2 5 的强度，硬 度，电导率的提高。 5 3 5 讨论 根据c u c r 合金二元相图，在室温下合金平衡组织时c r 在c u 中的固溶度很 低，例如在4 0 0 。c 时c r 含量小于0 3 。当固溶温度提高到共晶温度( 1 0 7 6 2 。c ) 时，c r 在c u 中的固溶度能够提高到1 2 8 。 0 5 o 5 0 5 o 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 o o 7 5 2 0 7 5 2 o 7 5 2 o 7 5 2 o 7 5 2 o 9 8 8 8 8 7 7 7 7 6 6 6 6 5 5 5 5 4 4 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 j j j 畲邑料蹄诤 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 c u c r 合金经过固溶处理后，大量过饱和固溶的c r 原子使c u 基体产生很大 的晶格畸变，产生空位、位错等缺陷，导致残留电阻的产生，因此，固溶态c u c r 2 5 的导电率和硬度都比固溶处理前小【7 引。固溶态c u c r 2 5 的主要强化机制为固溶强 化，固溶温度越高，固溶于c u 基体中的c r 就越多，因此硬度值随固溶温度的 增大而增大。然而，固溶温度越高，c u 基体产生的晶格畸变越严重，高温是保 留下来的空位、缺陷也越多，因此固溶态c u c r 2 5 的电导率就越小。经过时效处 理后c u c r 2 5 的组织得到明显改善，基体中过饱和的c r 以共格脱溶析出【7 6 】，析 出的c r 呈细小点状或棒状均匀弥散分布，主要的强化机制为弥散强化【7 7 1 。因此， 时效态c u c r 2 5 的硬度急剧上升，且固溶温度越高，时效时析出的c r 越多，弥 散强化的效果越明显，c u c r 2 5 的硬度峰值就越大。与此同时，c u c r 2 5 合金中的 点阵缺陷和晶格畸变也逐渐消失，因此电导率也相应提高。时效态c u c r 2 5 电导 率峰值在固溶温度为9 2 0 时取到最大值，这可能是由于固溶温度过高，时效过 程中析出的c r 容易聚集长大，引起的电子散射增大，从而抑制电导率的增加， 使电导率最后达到的峰值变小。 5 4 小结 ( 1 ) 固溶态c u c r 2 5 的硬度值随着固溶温度的升高而增大，但都比处理前小；时 效态c u c r 2 5 的硬度峰值随着固溶温度的升高而增大。 ( 2 ) 固溶态c u c r 2 5 的电导率随着固溶温度的升高减小；时效态c u c r 2 5 的电导率 峰值在固溶温度为9 2 0 。c 时最大。 ( 3 ) 用c u c r l0 预合金粉末制备的c u c r 2 5 ，c 合金经过5 3 0 。c 时效2 5 h ，其硬度和电 导率得到很大提高，电导率提高2 8 ，硬度提高2 5 7 。 5 2 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 总结 本文对c u c r 2 5 合金制备工艺过程进行了研究，包括部分预合金粉的采用、 粉末压制工艺、常规烧结工艺和电弧速熔激冷烧结新工艺研究，获得了以下研究 成果： ( 1 ) c r 粉的加入，能有效改善c u c r l o 粉末的压制性能。c u c r l 0 合金粉的最大 压制密度为8 9 9 ，而由c u c r l 0 合金粉加纯c r 粉组成的c u c r 2 5 复合粉 的最大压制密度可达9 1 4 。压制压力为7 6 3 m p a 时，c u c r l o 压坯开始出 现裂纹，增加到9 5 4 m p a 时，c u c r l 0 压坯明显出现分层现象；而c u c r 2 5 压坯则在9 5 4 m p a 时，才开始出现裂纹，11 4 4 m p a 时方出现分层现象；计 算分析表明c u c r 2 5 复合粉的硬化趋势比c u c r l o 小，其压制曲线与黄培云 压制理论也更相吻合。 ( 2 ) 三种不同的烧结工艺下，压坯的压制压力对性能的影响规律非常相似，在 压制压力为7 6 3 m p a 下压制，试样烧结后的性能最好；真空液相烧结能够 得到组织均匀、c r 颗粒细小且弥散分布的c u c r 2 5 材料，其导电性和硬度 均优于氢还原烧结的样品。 ( 3 ) 电弧速熔激冷烧结新工艺制备的c u c r 2 5 合金组织均匀，c r 颗粒更小( 约 1 0 p , m ) 且呈近球形弥散分布，导电性和硬度均优于常规烧结工艺所制备 的样品。 ( 4 ) 在相同制备工艺下( 电弧速熔激冷) 比较发现：使用预合金化粉末c u c r l o 能够改善c u c r 2 5 触头材料的组织，大大提高其机械性能和电性能。 ( 5 ) 采用固溶加时效处理能使c u c r 2 5 组织和综合性能得到提高；固溶温度对 时效后材料的硬度和导电率都有显著影响：在8 6 0 9 5 0 的范围内，随固 溶温度升高，材料硬度提高，而导电率则在9 2 0 附近出现峰值：用c u c r l o 预合金粉末配制的c u c r 2 5 合金在未经固溶处理而直接时效的处理条件 下，其硬度和电导率也能得到显著提高：电导率提高2 8 ，硬度提高2 5 7 。 c u c r 2 5 高压电触头材料制备工艺研究 参考文献 1 王季梅开发真空开关新产品的前景真空电子技术，1 9 9 5 ，( 5 ) ：1 3 1 8 2 王绍雄低压真空研究与发展情况回顾低压电器，1 9 9 6 ( 5 ) ：3 - 7 3 谢钰真空开关的应用现状及展望真空电子技术，1 9 9 6 ( 1 ) ：1 3 1 8 4 】b a r k a n p e t a l ，i e e et r a n s v 0 1 p a s - 9 0 ，n o 1 ，1 9 7 1 ，3 5 0 5 】 s l a d e p gi e e et r a n s v 0 1 p h p 一10 ，n o 1 ，19 7 4 ，4 3 6 】r e r n a t h a s s l e r , e l e c t r o t e c h n i k ，6 3 ，h