不同Cr含量CuCr触头材料组织与性能对比研究.doc

不同Cr含量CuCr触头材料组织与性能对比研究修士新摘要：CuCr合金是各国公认的最佳真空断路器触头材料，为了研究Cr含量对CuCr触头材料组织和性能的影响，本文采用真空熔铸法制备了CuCr25、CuCr30、CuCr40三种不同Cr含量的触头材料，并对3种材料的显微组织、理化性能及开断性能进行了对比研究。结果表明，随着Cr含量的增加，CuCr材料的组织和性能产生以下变化：微观组织的致密度有所提高，Cr颗粒得到细化，但是Cu基体中固溶的Cr含量增加；材料的电导率和密度均降低，硬度增加，抗拉强度呈线性增加；电流开断能力CuCr25、CuCr30相当，CuCr40最低。关键词：一、前言真空开关作为一种性能优异的新型开关，从60年代初应用到电力系统其发展非常迅速。目前，真空开关已在中压领域占绝对优势，并向高压领域延伸。触头材料作为决定真空灭弧室性能的关键因素之一，它对真空开关起着至关重要的作用。目前用于不同规格的真空开关触头材料大致分为3类：（1）半难熔金属加良导体，典型的如铜铬合金；（2）难熔金属加良导体，典型的如钨铜合金；（3）铜合金，如铜铋等。这3类材料的定性比较如表1所示1，可见CuCr材料的绝大多数特性参数均为最好，部分参数可接受，没有不能接受的特性参数。对比可知，CuCr合金的综合性能最优。这是因为CuCr触头材料为机械混合的复合材料，这种材料保持两类不同金属原有的物理性能，起到相互取长补短的作用，因此CuCr合金触头材料具有耐电压高、分断容量大、耐损失性能好、吸气能力强及寿命长等综合优点，它已成为各国公认的最佳真空断路器触头材料。表1 中压、大电流真空灭弧室触头材料特性的定性评估材料气 体含 量熔点蒸 汽压功函数电子发射游 离电 位电导率热导率剩余气体吸收能力组织结构质量触头表面光滑、无毛刺、裂痕半难熔加高电导(如CuCr)+ + + + + +难熔加高电导(如CuW)+ + +铜合金(如CuBi)+ + + +注：不能接受；+可接受；+ + 最好。为了获得最佳性能的CuCr触头材料，必须研究影响材料性能的因素及其影响规律才能实现材料的优化设计。在CuCr材料制备时，两组元的配比量不同，材料性能会有所差异。本文采用真空熔铸法制备了CuCr25、CuCr30、CuCr40三种不同Cr含量的触头材料，通过对3种材料分别进行微观组织、理化性能及开断性能的对比研究，总结Cr含量对CuCr触头材料组织和性能的影响。二、材料制备真空熔铸法就是将原料放入真空感应炉中加热熔炼，然后进行凝固。真空熔铸法制备触头材料的工艺过程包括以下几步：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注等。由于熔炼和浇注过程都是在真空条件下进行，故大大降低了材料的含气量，提高了合金的纯度，而且操作过程简便。中频感应真空炉的工作原理是：在螺旋管形感应线圈中通过中频电流产生电动势，线圈内部磁通密度最高，加热的金属放在线圈内被感应产生电动势，并引起环流的中频电流，此电流在它本身的磁场作用下集中到金属表面，形成一电流层，它与感应线圈内的电流层相同，但方向相反。中频电流的集肤作用，使金属表面的电流层具有很高的电流密度，因而产生集中而强大的热效应，把金属加热一直到熔化。本文中，原料为分别按质量比75:25、70:30、60:40配置的Cu块、Cr块，将Cu、Cr块放入感应炉中抽高真空(Pa)进行熔炼（具体熔炼温度视Cu、Cr质量比而定），待其完全熔化并保温一段时间后，将熔化的合金熔体直接浇入到水冷铜模中进行快速凝固，得到不同Cr含量的合金锭。三、显微组织利用金相显微镜观察三种真空熔铸CuCr25、CuCr30、CuCr40触头材料的显微组织，得到其金相照片，分别如图1、图2、图3所示。 图1 熔铸CuCr25合金显微组织(100X) 图2 熔铸CuCr30合金显微组织(100X)图3 熔铸CuCr40合金显微组织(100X)三种不同Cr含量CuCr材料的微观组织均为典型的铸态组织，富Cu相作为整个合金的基体，而富Cr相则以树枝晶形态均匀分布。由于采用快速凝固，富Cr相尺寸细小。由图可见，合金中除树枝状的富Cr相外，在富Cu相上还分布着许多尺寸更加细小的颗粒状富Cr相。树枝状富Cr相是在凝固过程中由液态合金中直接析出的，而颗粒状富Cr相则是在合金继续冷却过程中由富Cu相中二次析出的。由于颗粒状富Cr相的尺寸非常细小，对整个合金的强化作用更为明显。CuCr合金中两组元互不相溶，以假合金形式存在，但合金各相中仍然会有少量其它元素固溶在其中，并对合金的性能产生影响。随着合金中Cr含量的增加，显微组织的致密度略有提高，而且Cr颗粒得到细化，这些变化都有利于耐压性能的提高。但是随着Cr含量的增加，Cu基体中固溶的Cr含量增多，而Cu基体中Cr的固溶度将对合金中铜相的传导性能产生重大影响，因此合金的导电性能随着Cr含量的增加而降低。四、CuCr触头材料的理化及力学性能表1为三种不同Cr含量的真空熔铸CuCr触头材料的理化性能测试结果。表1 材料的理化性能材料电导Ms/m密度g/cm3硬度HB抗拉强度MPaCuCr2530.68.4183.9319CuCr3028.08.2789.7327CuCr4021.88.1497.2342对不同Cr含量的真空熔铸CuCr触头材料进行比较，图4为Cr含量对真空熔铸CuCr触头材料理化指标的影响，可以看到，材料的电导率随着Cr含量的增加而减小，密度随着Cr含量的增加而有所减小，硬度随着Cr含量的增加而增加，而抗拉强度基本上随Cr含量的增加而线性增加。 (a) 电导率 (b) 密度 (c) 硬度 (d) 抗拉强度图4 Cr含量对真空熔铸CuCr触头材料理化及力学性能的影响在CuCr二元合金中，第一组元Cu具有低熔点、高导电率，有良好的导热性和塑性，有利于提高合金的开断能力；第二组元Cr导电率较低，有较高的熔点和机械强度，提供了良好的耐压、耐电蚀和抗熔焊能力。增加Cr含量将降低高导电率的Cu含量，因此会降低触头材料的电导率，测试结果也验证了这一点。一般来说，材料的导电性好则导热性也好，这可由=LT体现，式中为电阻率，为热导率，L为洛仑兹常数，T为热力学温度。材料的致密度是指材料的实测密度和理论密度之比，反映了材料的致密程度，是保证触头材料在开断过程中优越性能的前提，致密度低意味着材料内部残余孔隙多，将会影响触头材料的开断性能。 因为Cr是合金中的强化相，含量增加，硬度就会提高。同时，Cr含量增加使得合金中Cu相中Cr的固溶度增加，也起到了强化的作用，有利于硬度的提高。而材料的硬度与击穿电压有一定的关系，一般硬度较高的材料有较高的耐电压强度。触头材料的抗熔焊性能与其抗拉强度有着直接的关系，通常采用触头材料基体的抗拉强度来评定触头材料的抗熔焊性能，抗拉强度越小，则材料的抗熔焊性能越高。可见随着Cr含量的增加, CuCr合金的抗熔焊性能将会减弱。五、开断性能为了对比不同Cr含量CuCr触头材料的开断电流能力，委托相关厂家将三种材料安装在结构尺寸完全相同的真空灭弧室上，触头均采用杯状纵磁结构，这三只真空灭弧室的外形及触头结构如图5、图6所示。在相同的试验条件下，利用西安交通大学的具有引弧支路的Weil合成回路对三个试品进行开断电流试验，开断电流从小到大增加，直至试品灭弧室开断电流失败为止。 图5 灭弧室外形图 图6 杯状纵磁结构试验结果表明，CuCr25触头材料真空灭弧室最大开断电流为23.9kA，CuCr30触头材料真空灭弧室最大开断电流为23.6kA，CuCr40触头材料真空灭弧室最大开断电流为21.1kA。可见，CuCr25与CuCr30触头材料的分断能力相当，而CuCr40的开断能力相对较差。图7分别为使用CuCr25、CuCr30和CuCr40材料真空灭弧室的开断电流与电流峰值时电弧电压的关系图。从图中可以看出，使用真空熔铸CuCr25和CuCr30材料的真空灭弧室的电弧电压较低，那么电弧燃烧时能量低，这对开断电流非常有利。图7 开断电流与电弧电压的关系三种材料分断大电流后触头的表面宏观形貌分别如图8、图9、图10所示，其中(a)、(b)分别对应动触头和静触头。 (a) 动触头 （b）静触头图8分断大电流后CuCr25触头表面形貌 (a) 动触头 （b）静触头图9分断大电流后CuCr30触头表面形貌 (a) 动触头 （b）静触头图10分断大电流后CuCr40触头表面形貌根据触头阳极表面金属气化量对分断能力的影响，一种用来预测触头材料分断能力相对大小的理论判据被提出8，如下式所示。ND值越小，则分断能力越高。式中 ， ， ， 根据各组元所占原子数百分比并按着X=AXa+BXb的线性叠加原理，我们对CuCr25、CuCr30、CuCr40三种材料的有关参数分别进行了计算，并带入判据公式，计算出三种材料的ND值，结果如表2所示，可见理论预测和实验结果基本一致。材料CuCr25CuCr30CuCr40ND1.1810-251.3410-251.6110-25六、结语本文对采用真空熔铸法制备的三种CuCr触头材料的显微组织、理化性能和开断性能进行了测试及对比。结果表明，随着Cr含量的增加，CuCr触头材料的组织和性能有下列变化：（1） 微观组织的致密度有所提高，Cr颗粒得到细化，但是Cu基体中固溶的Cr含量增加；（2） 电导率和密度均降低，硬度增加，抗拉强度几乎呈线性增加；CuCr25与CuCr30触头材料的分断能力相当，而CuCr40的开断能力相对较差。参考文献1 刘平. 铜合金功能材料. 北京：科学出版社,20042 丁永昌. 特种熔炼. 北京：冶金工业出版社,19953 王季梅. 真空开关触头材料及其制造技术. 西安：西安交通大学,19954 Wangpei Li, Robert L. Thomas, and R. Kirkland Smith. Effects of Cr Content on the Interruption Ability of CuCr Contact MaterialsJ. IEEE Tran. on Plasma Science, vol.29, NO.5, 2001.5 P. Frey, N. Klink, and K. E. Saeger.Metallurgical aspects of contact materials for vacuum switching devices,” IEEE Trans. On Plasma Science, vol.17,p734740, 19896 Wang Jimei. Design, manufacture and application of vacuum interrupter M. Xian: Xian Jiaotong University Press, 19937 R L Boxman. Twenty-five years of progress in vacuum arc research and utilizationJ.IEEE Tran. on Plasma sciense, 1997,25(6):1174-1185.8 李震彪等. 真空开关触头材料分断能力理论判据研究. 电工技术学 报,1996,11(1),48-519 F Heitzin